富水砂性地層地鐵車站深基坑施工案例分析

洪小星，樊冬冬，劉俊城，譚 勇

（1、南通城市軌道交通有限公司 江蘇南通226000；2、同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海200092）

0 前言

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市中修建深基坑的數(shù)量也在不斷增長，而在基坑建設(shè)過程中往往會收到很多復(fù)雜因素的影響［1］，如地層條件、圍護類型、系統(tǒng)剛度、施工工藝、降排水、時空效應(yīng)等等。為了確?；邮┕ぐ踩?，學(xué)者們在很多方面對基坑施工中遇到的問題展開了研究。在施工工藝上，Tan 等人［2-3］發(fā)現(xiàn)車站基坑開挖至坑底時，及時澆筑底板可以有效控制基坑變形；劉國彬等人［4］指出在基坑建設(shè)過程中要結(jié)合時空效應(yīng)來指導(dǎo)施工；針對施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)和變形研究，也有很多學(xué)者進行了深入的探討分析［5-11］；而目前上述研究大多是圍繞軟土地區(qū)基坑施工進行分析。

富水砂性地層有著滲透系數(shù)大，無粘聚力、自穩(wěn)能力差、易液化的特點，針對這種特殊地層條件下的基坑施工目前較少。在這種地層條件下修建基坑，一旦基坑施工存在缺陷，就會引起基坑事故。因而總結(jié)這種地層條件下的基坑施工實例，對于后續(xù)相似地層條件下基坑施工有著重要的借鑒意義。

本文依托富水砂性地層中地鐵深基坑施工實例，對該地層條件下車站的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工工藝，以及基坑開挖前降排水及隔水措施進行介紹。并分析了基坑施工過程中相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)了富水砂性地層中基坑施工經(jīng)驗，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某車站位于江蘇省南通市通盛大道與星湖大道路口，沿通盛大道南北向布置。車站為14 m島式站臺地下2 層車站，站中心底板埋深25.29 m，車站凈長約288 m，凈寬21.3 m。標準段基坑開挖深度為16.63～17.14 m，端頭井基坑開挖深度約為18.30～18.88 m（見圖1）。站點周邊建筑物較為空曠，站點東北側(cè)2～3 倍開挖深度范圍內(nèi)有建筑物1 和建筑物2，其余三側(cè)為綠地或空地。車站主體基坑范圍內(nèi)的地下管線在施工前進行了遷移，并通過設(shè)置監(jiān)測點來確保地下管線的正常使用，在車站完成施工后將管線進行復(fù)位。根據(jù)現(xiàn)有施工場地條件，車站采用明挖順作法，局部蓋挖施工，施工順序為先施工車站主體，盾構(gòu)始發(fā)，再施工剩余附屬。本站基坑總長288 m。北側(cè)小里程為盾構(gòu)始發(fā)，南側(cè)大里程為盾構(gòu)接受井。

圖1 基坑平面Fig.1 Foundation Pit Plan

2 水文地質(zhì)條件

擬建車站場地位于南通市崇川區(qū)，地貌類型屬于長江三角洲太湖沖湖積平原，地形較為平坦，地面標高一般為2.0～6.5 m。

本車站基坑坑底位于③2層粉砂中，換乘段基坑坑底位于④1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。開挖深度內(nèi)以粉土、粉砂為主，依次為①層填土、②層粉砂夾粘質(zhì)粉土、③1層粉砂夾砂質(zhì)粉土、③2層粉砂；開挖面以下依次為④1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④2層粉質(zhì)粘土、⑤1層粉砂、⑥層粉砂、⑥t層粉質(zhì)粘土。標準段地下墻墻趾均插入④1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，端頭井地下墻墻趾均插入④2層粉質(zhì)粘土，換乘段地下墻墻趾均插入⑤1層粉砂。

場地內(nèi)潛水主要埋藏于①層填土、②層粉砂夾粘質(zhì)粉土、③1層粉砂夾砂質(zhì)粉土、③2層粉砂中，其主要補給源為大氣降水，人工用水、地表徑流，主要以蒸騰作用排泄，本工點勘察深度范圍內(nèi)揭示的承壓水層為第1層承壓水層，主要埋藏于⑤1層粉砂、⑥層粉砂、⑦層細砂中，其主要補給源為地下水的側(cè)向補給，排泄途徑為人工開采及地下水側(cè)向徑流，水量較豐富，其對擬建基坑施工可能具有不利影響。勘察期間測得潛水穩(wěn)定水位埋深為1.10～2.90 m；承壓水含水層水位埋深2.21～2.34 m。

圖2 現(xiàn)場實測土體參數(shù)Fig.2 Soil Parameters Measured on Site

車站基坑各土層的分布情況及力學(xué)參數(shù)如圖2所示。其中，h 為土層厚度、γ 為土體重度、c 為土體黏聚力、φ 為土體內(nèi)摩擦角、e為孔隙比、Ip為塑性指數(shù)、IL為液性指數(shù)、Sr為飽和度、Es為壓縮模量、N 為標準貫入擊數(shù)。場地內(nèi)潛水水位埋深1.2～3.1 m，承壓水位于相對隔水層④2層以下，水頭埋深2～5 m。

3 車站基坑支護方案

車站基坑采用明挖順作法，局部蓋挖施工。車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm、局部1 000 mm 地下連續(xù)墻，標準段地下墻長30.20 m，端頭井地下墻長34.70 m，換乘段地下墻45.79 m，圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)形成復(fù)合側(cè)墻結(jié)構(gòu)。基坑標準端圍護結(jié)構(gòu)剖面如圖3 所示，該段基坑豎向設(shè)置1 道混凝土支撐+3 道鋼支撐，端頭井基坑豎向設(shè)置1 道混凝土支撐+3 道鋼支撐+1 道換撐，換乘段基坑豎向設(shè)置1道混凝土支撐+4道鋼支撐+1道換撐。標準段第2道鋼支撐，端頭井第2、3道最長的斜撐和換乘段第5 道鋼支撐尺寸為φ 800，t=20 mm，其余鋼支撐尺寸為φ 609 mm，t=16 mm。

4 車站基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地下連續(xù)墻施工

圖3 標準段基坑圍護結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Sectional of Standard Section Foundation Pit Enclosure Structure

地下連續(xù)墻施工前施作導(dǎo)墻，為了確保槽壁穩(wěn)定，成槽時槽壁附近避免堆載和機械設(shè)備對槽壁產(chǎn)生的附加應(yīng)力，并減少振動。新鮮泥漿比重取1.05～1.10。由于本工程場區(qū)內(nèi)砂性土層較厚，施工時采取相應(yīng)措施保證成槽安全，地墻成槽時增加防踏空措施。尤其在異形幅、轉(zhuǎn)角幅位置，成槽完成后對成槽的寬度、深度及傾斜度進行檢驗，重要結(jié)構(gòu)每段槽段進行檢查，一般結(jié)構(gòu)抽查總槽數(shù)的20%。標準段和端頭井地下連續(xù)墻厚度均為800 mm，換乘段厚度為1 000 mm。標準段、端頭井及換乘段均采用工字鋼結(jié)構(gòu)，墻頂范圍內(nèi)設(shè)置壓頂梁預(yù)留鋼筋，預(yù)留鋼筋埋設(shè)時應(yīng)注意到頂板坡度變化。在吊裝鋼筋籠的過程中要控制好吊點和加強筋的布置，防止吊裝時產(chǎn)生過大的變形造成鋼筋籠入槽困難和碰撞槽壁。鋼筋籠整幅吊入，縱向受力筋采用機械連接。鋼筋籠與土體接觸的兩側(cè)隔一定距離在主筋上焊接鋼墊板來保證鋼筋保護層厚度和鋼筋籠的垂直度。施工場地內(nèi)地下水水位為1.1～2.9 m，地下水位高，結(jié)合圖2 來看，圍護結(jié)構(gòu)修建范圍內(nèi)主要為滲透性強的粉土和砂土，在施工中應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注地下連續(xù)墻接縫、預(yù)埋鋼筋接駁器等防水薄弱位置。接駁器鋼筋加密位置合理設(shè)置鋼筋布置，防止鋼筋過密導(dǎo)致混凝土澆筑不密實進而引發(fā)滲漏。另外，在地下連續(xù)墻內(nèi)布置壓漿管，插入墻底下0.5 m，每標準幅（超過4 m）墻體布置2 根壓漿管來控制蓋板區(qū)域地墻的豎向沉降量。

4.2 基坑突涌分析及降排水

擬建場地存在承壓含水層⑤1、⑥、⑦層（本3層含水層相連通，水力聯(lián)系密切，可視為同一含水層），勘察期間測得該層水位埋深2.21～2.34 m。根據(jù)勘察期間實測及搜集水位資料，對⑤1層承壓水水頭對車站基坑開挖時的基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性進行驗算，驗算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012》附錄C 中C.0.1 公式判定：⑤1層承壓水對本工點車站主體基坑開挖具不利影響，基坑底不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生突涌現(xiàn)象，應(yīng)在設(shè)計和施工上采取相應(yīng)的降排水措施。

4.2.1 疏干降水

基坑首道混凝土支撐達到設(shè)計強度后基坑開挖前20 d 進行井點降水，深井直徑600 mm，深度至坑底以下6.0 m?？觾?nèi)降水深度宜控制在坑底以下1.0 m；坑外應(yīng)設(shè)置水位觀測孔，施工時嚴格控制坑外水位變化幅度?；娱_挖至坑底，施工底板時，在井點管位置設(shè)置泄水孔，然后拆除井點管。

4.2.2 承壓水降水

依據(jù)抗突涌計算結(jié)果，擬建場地存在⑤1、⑥層承壓含水層，承壓水水頭標高0.86～0.99 m，經(jīng)驗算本站車站主體結(jié)構(gòu)抗承壓水穩(wěn)定性不滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB 50007—2011》要求，需降低承壓水水頭約2.6 m（北端頭井段）、3.1 m（南端頭井段）、14.2 m（換乘段）。施工前設(shè)置水位觀測井，依據(jù)實測水位復(fù)核承壓水抗突涌安全性，確定降承壓水水頭高度；降承壓水應(yīng)與基坑開挖工況緊密配合，依據(jù)最不利水頭，北端頭井開挖至14.78 m 深度時，南端頭井開挖至14.61 m 深度時，換乘段開挖至14.57 m 深度時，需要開啟降水井降壓，降壓過程按需降水，并加強對周邊地面、建筑物與地下管線監(jiān)測，減少對周邊環(huán)境的影響，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時采取措施控制變形，必要時可以采取回灌井回灌減小沉降；地連墻若未插入隔水層隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，可以采用地墻增設(shè)素混凝土段來增加地下水?dāng)_流，保護基坑施工安全的措施。

4.3 基坑開挖施工

富水砂性地層有著地下水位高、土層滲透性的特點，基坑開挖時要嚴格按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范：GB 50007—2011》進行以確?；邮┕ぐ踩?/p>

基坑開挖前，在基坑外側(cè)設(shè)置由集水井和排水溝組成的地表排水系統(tǒng)，避免坑外地表明水流入基坑內(nèi)，排水溝宜布置在圍墻外側(cè)0.5 m以外。

施工中分層、分段、對稱、限時開挖，遵循“先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴禁超挖”的原則，盡量減小基坑無支撐暴露時間和空間。

基坑縱向采用多級放坡開挖，縱坡坡度不大于1∶5，分層厚度根據(jù)支撐豎向間距確定，平臺寬度應(yīng)按照支撐水平間距確定，且不小于6 m?？v向坡進行人工修坡，并對暴露時間長或可能受到暴雨沖刷的縱坡采取防止縱向滑坡的措施，周邊環(huán)境保護要求較高時，適當(dāng)減緩?fù)疗碌钠露?，位于浜填土區(qū)域的邊坡，采用土體加固措施來對土體性質(zhì)進行改善后再進行放坡開挖。

5 基坑監(jiān)測分析

本工程車站主體基坑深度為16～18 m，局部換乘段深度為25 m，基坑監(jiān)測等級為二級。為了指導(dǎo)施工，確保工程與周圍建筑物及地下管線的安全，通過施工監(jiān)測及時回饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息化施工，做到隨時預(yù)報，及時處理。監(jiān)測內(nèi)容包括：①地下連續(xù)墻測斜；②地表沉降；③地下水水位變化；④周邊建筑物沉降；⑤支撐軸力；⑥立柱位移。富水砂性地層中地下水對基坑施工安全的影響不容忽視，這里選取地下水位變化和地墻測斜進行分析。

5.1 地下水位變化

表1 抗突涌穩(wěn)定驗算Tab.1 Anti-surge Stability Check

擬建場地存在承壓含水層⑤1、⑥、⑦層（本3層含水層相連通，水力聯(lián)系密切，且對⑤1層承壓水水頭對車站基坑開挖時基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算表明，⑤1層承壓水對本工點車站主體基坑開挖具不利影響，基坑底不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生突涌現(xiàn)象。施工中采取了相應(yīng)的降排水措施來保證基坑的安全。基坑潛水和承壓水監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 水位監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Water Level Monitoring Results

由表2 中數(shù)據(jù)分析可知，坑外地下水潛水位變化最大處位于SW01，水位累計變化量為0.72 m；承壓水水位變化最大處位于YW06，水位累計變化量為0.65 m。承壓水和潛水水位累計變化量均在限值內(nèi)，這表明基坑所采取的疏干降水和承壓水降水措施及基坑圍護結(jié)構(gòu)的防水措施取得了良好的效果。

5.2 地下連續(xù)墻測斜

地下連續(xù)墻的變形貫穿基坑的整個施工過程，是衡量基坑施工安全和質(zhì)量的重要指標，選取北側(cè)端頭井、標準段、南端頭井3處的地下連續(xù)墻測斜進行分析（見圖4），3處的測斜均為基坑開挖至坑底時的側(cè)向位移。從圖4中可以看出北端頭井和南端頭井的地下連續(xù)墻測斜最大值為17.28 mm 和37.52 mm，標準段地下連續(xù)墻最大測斜為49.66 mm。南北端頭井和基坑中間標準段的地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移均在監(jiān)測預(yù)警值50 mm 以內(nèi)，表明基坑采取的開挖施工措施在變形控制上取得了良好的效果。此外，還可以看出南北端頭井相比標準段的基坑地墻最大側(cè)向位移較小，這是由于端頭井的空間角效應(yīng)顯著，在一定程度上限制了圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移的發(fā)展。

圖4 地下連續(xù)墻測斜監(jiān)測Fig.4 Underground Diaphragm Wall Inclination Monitoring

6 結(jié)論

⑴富水砂性地層有著滲透系數(shù)大、無粘聚力、自穩(wěn)能力差及易液化的特點。修建車站基坑的影響范圍內(nèi)主要為粉土和砂土。在這種地層條件下施工，極易發(fā)生基坑滲漏。因而在圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，應(yīng)著重關(guān)注其止水效果。對地下連續(xù)墻接縫、預(yù)埋鋼筋接駁器等防水薄弱位置要重點關(guān)注。合理設(shè)置鋼筋加密區(qū)域鋼筋含量，防止鋼筋過密導(dǎo)致混凝土澆筑不密實進而引發(fā)基坑滲漏的發(fā)生。

⑵富水砂性地層中地下水位高，且以滲透性強的砂土為主?；娱_挖時會面臨承壓水突涌，坑內(nèi)流沙管涌風(fēng)險。因而在基坑降水系統(tǒng)設(shè)計時，要降水與隔水相結(jié)合，重點關(guān)注地下水位變化，建議通過采取疏干降水和承壓水降水結(jié)合的措施，來控制地下水對基坑的影響，而止水結(jié)構(gòu)盡量要插入隔水層中隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，必要時可通過增設(shè)素混凝土段來增加地下水?dāng)_流，確保基坑施工安全。

⑶富水砂性地層中在基坑開挖施工時，要嚴格控制基坑變形，可以通過優(yōu)化施工順序來控制基坑變形，確?；雍椭苓叚h(huán)境的安全。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)中地下水位變化和地下連續(xù)墻側(cè)向位移的分析可以判斷，施工中所采取的地墻施工防水效果、降排水和隔水措施取得了良好的效果，保證了基坑施工整個過程的安全。