地鐵建筑密集區(qū)富水砂卵地層車(chē)站基坑降水及土體開(kāi)挖施工技術(shù)

薛永斌

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100000）

在快速城鎮(zhèn)化背景下，城市交通壓力越來(lái)越大，修建地鐵成為提高出行效率、解決城市交通擁堵的有效手段。但是在地鐵車(chē)站建設(shè)中，地上建（構(gòu)）筑物密集，加上地質(zhì)條件復(fù)雜，給車(chē)站基坑施工增加了難度。在基坑工程中，降水處理是一項(xiàng)重要步驟，保證地下水位低于基坑底板才能防止基坑開(kāi)挖作業(yè)期間發(fā)生地下水突涌等情況。同時(shí)，基坑土體開(kāi)挖還應(yīng)盡量減少對(duì)地面的破壞，這種情況下科學(xué)選擇開(kāi)挖方法也十分必要。

1 工程概況

某車(chē)站總長(zhǎng)度為209.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.0 m，為地下雙層10 m 島式車(chē)站。該車(chē)站的總建筑面積8 553 m2，基坑最大深度18.66 m，車(chē)站頂板覆土厚度約2.0 m。根據(jù)初步勘察，該車(chē)站所在地區(qū)屬于侵蝕沖積地帶。地表雜填土的平均厚度2.60 m，主要包括黏性土、砂土以及部分建筑物垃圾；在雜填土下方，依次是粉質(zhì)黏土（平均厚度5.00 m）、粗砂（平均厚度2.40 m）、卵石（平均厚度5.85 m）。地下巖層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化礫巖。地下水類(lèi)型以孔隙潛水為主，含水層位于地表以下5.1～9.0 m。常年水位變化幅度5～10 m。因此，在該車(chē)站的基坑施工中，需要采取基坑降水措施，以保障基坑施工順利進(jìn)行，并提高車(chē)站基礎(chǔ)的抗?jié)B性和穩(wěn)定性。

2 基坑降水措施

2.1 基坑疏干降水方法的選擇

所謂疏干降水，就是不僅要將開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的地下水降低至標(biāo)高以?xún)?nèi)，而且還要降低被開(kāi)挖土體的含水量，從而達(dá)到增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性、方便機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)目的。其作用對(duì)象主要為基坑有效開(kāi)挖深度內(nèi)的上層滯水、潛水[1]。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同，疏干降水又可以分為3 種常見(jiàn)形式，即封閉型疏干降水、半封閉型疏干降水和敞開(kāi)型疏干降水。結(jié)合本次車(chē)站工程的地質(zhì)條件和地下水文特點(diǎn)，決定選擇封閉型疏干降水方案。具體設(shè)計(jì)方法為：在基坑邊緣位置布置隔水帷幕，同時(shí)發(fā)揮阻水、擋土的作用。這樣就能隔斷基坑內(nèi)外含水層之間的水力聯(lián)系，形成了一個(gè)相對(duì)封閉的空間。然后在基坑內(nèi)采取降水措施，達(dá)到坑內(nèi)疏干降水的效果?；觾?nèi)的疏干降水方法有多種，比較常見(jiàn)的有明溝排水、井點(diǎn)降水等。其中，井點(diǎn)降水又可分為噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井等若干種類(lèi)型。這些降水方法的適用范圍見(jiàn)表1。管井降水是利用鉆機(jī)從地面向下鉆至一定深度后，形成多個(gè)直徑在600～1 000 mm不等的豎向管井，然后在重力作用下讓封閉基坑內(nèi)的地下水向管井內(nèi)匯聚，最后使用抽水泵將井內(nèi)積水抽出，達(dá)到疏干降水效果的一種方法[2]。其優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備組裝簡(jiǎn)單、降水深度較深，排水量大，適用范圍廣，因此在本次車(chē)站基坑降水施工中選擇了管井降水方案。

表1 常用降水方法及其適用范圍

2.2 基坑降水方案的設(shè)計(jì)

2.2.1 基坑涌水量的計(jì)算

如上文所述，本次車(chē)站基坑降水工程采用的是封閉型疏干降水。對(duì)于封閉基坑，其涌水量計(jì)算公式如下：

式中：Q 表示基坑涌水量；S 表示基坑開(kāi)挖面積；H 表示基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度時(shí)疏干層中平均水位降深；η表示疏干含水層的給水度。其中，η 與地層巖性相關(guān)，例如黏質(zhì)粉土的η 值為0.05～0.06，粉砂的η 值為0.10～0.15，粗砂的η 值為0.25～0.35[3]。根據(jù)水文測(cè)量結(jié)果，該工程基坑降水前地下水位標(biāo)高為36.6 m，降水后地下水位要低于基坑底部1.0 m，降水深度為15 m。本次車(chē)站基坑的設(shè)計(jì)開(kāi)挖面積為4 060 m2，綜合給水度取0.15，將數(shù)據(jù)帶入式（1），則：

Q=4060×15×0.15=9135m3

故本次工程中采用封閉型疏干降水時(shí)，基坑涌水量為9 135 m3。

2.2.2 基坑疏干井的設(shè)計(jì)

參考以往的降水經(jīng)驗(yàn)，相似地質(zhì)條件下每口井的影響范圍大概在300 m2。該車(chē)站基坑的開(kāi)挖面積為4 060 m2，故施工現(xiàn)場(chǎng)需要布置14 口降水管井。具體參數(shù)如下：降水管井的直徑為680 mm，井深統(tǒng)一設(shè)定為18.5 m，管徑與過(guò)濾器的口徑為280 mm。其中，過(guò)濾器埋藏在含水層處，并且在管徑的底部設(shè)置長(zhǎng)度為1.2 m 的沉淀管，外側(cè)包覆40 目濾網(wǎng)，起到過(guò)濾雜質(zhì)的作用。14 口降水管井以基坑中軸線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)稱(chēng)布置。單側(cè)降水管井之間的間隔距離為12.4 m。

2.3 基坑降水管井的施工

本次工程中基坑降水管井的施工機(jī)具主要為1 臺(tái)QJ200 型反循環(huán)工程鉆機(jī)，另外包括護(hù)筒等配套材料，整個(gè)施工流程見(jiàn)圖1。

降水管井施工前，要提前勘探基坑區(qū)域內(nèi)是否有其他地下管線(xiàn)，如果有通信管線(xiàn)、燃?xì)夤艿赖纫⒁獗茏專(zhuān)乐故┕て陂g對(duì)既有管線(xiàn)造成破壞。另外，提前開(kāi)挖一處深度不低于3 m 的探坑，如有必要可在探坑的四周布置臨時(shí)圍擋，營(yíng)造安全的作業(yè)環(huán)境。砌筑泥漿池，內(nèi)部鋪設(shè)復(fù)合土工膜，降水管井施工期間產(chǎn)生的泥漿全部排入泥漿池，避免泥漿流出圍擋、污染基坑外側(cè)的路面。鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)以后，需要調(diào)節(jié)鉆機(jī)的鉆頭，保證對(duì)位偏差不超過(guò)30 mm，鉆進(jìn)過(guò)程中也要密切觀察鉆孔垂直度偏差，最大不得超過(guò)1%。鉆至設(shè)計(jì)深度后，反旋鉆頭并向上提出，注入泥漿將鉆孔內(nèi)的雜物置換出來(lái)，觀察到返出泥漿中不含有碎石等沉淀物后即可停止沖洗。本次工程中所用的濾料為青石子，提前使用清水沖洗，濾料應(yīng)沿著降水管井的周?chē)鶆蚍胖?，可進(jìn)一步提高過(guò)濾效果。上述操作結(jié)束后，使用空壓機(jī)抽水洗井，等到返出水清澈不含砂以后，即可停止[4]。最后使用潛水泵抽出井內(nèi)剩余的水，即可完成降水管井的施工。

2.4 水位監(jiān)測(cè)

本次車(chē)站工程施工采用的是連續(xù)墻止水結(jié)構(gòu)。由于連續(xù)墻較長(zhǎng)，對(duì)各處的止水、擋土效果均提出了較高的要求。一旦某處出現(xiàn)的滲漏，導(dǎo)致基坑外側(cè)地下水大量滲透，必然會(huì)造成基坑承載能力下降，進(jìn)而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。因此，為了切實(shí)保障基坑穩(wěn)定性，還需要進(jìn)行基坑內(nèi)外側(cè)的水位監(jiān)測(cè)，保持地下水位穩(wěn)定，并且維持在安全可控的狀態(tài)。施工現(xiàn)場(chǎng)使用的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

在PVC 管內(nèi)放置水位計(jì)，可以實(shí)時(shí)采集水位情況，判斷基坑內(nèi)土體的降水效果。設(shè)定基坑內(nèi)外側(cè)最大水位差為20 cm，如果實(shí)測(cè)值超過(guò)20 cm，則需要采取降水措施，保證基坑內(nèi)外側(cè)水位差維持在20 cm 以?xún)?nèi)。

3 基坑土體開(kāi)挖施工技術(shù)

土方工程是車(chē)站基坑施工中的核心部分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇恰當(dāng)?shù)耐练介_(kāi)挖方式，對(duì)提高施工效率、保證基坑整體穩(wěn)定均有積極幫助。另外，考慮到本次車(chē)站工程所在地區(qū)屬于富水砂卵地層，因此在土方開(kāi)挖時(shí)還必須重點(diǎn)考慮地下水可能導(dǎo)致的開(kāi)挖面滑塌等問(wèn)題。在設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖方案時(shí)，有分段開(kāi)挖、分層開(kāi)挖以及盆式開(kāi)挖、中心島式開(kāi)挖等多種選擇。由于本次工程所在地區(qū)屬于建筑密集區(qū)，因此在選擇開(kāi)挖施工技術(shù)時(shí)，還必須最大程度上降低對(duì)地上建（構(gòu)）筑物的破壞。

3.1 土體開(kāi)挖方案的設(shè)計(jì)

本次車(chē)站基坑的平面圖見(jiàn)圖3?；涌傞L(zhǎng)度為209.8 m，中間標(biāo)準(zhǔn)段的寬度為19.6 m，兩側(cè)端頭井的寬度為22.4 m。右側(cè)明挖順作段長(zhǎng)度25.3 m，采用的是分層開(kāi)挖方法；左側(cè)蓋挖逆作段長(zhǎng)度為184.5 m，采用的是分層、分段開(kāi)挖方法。

3.2 明挖法土方開(kāi)挖

基坑逆作段頂板上方明挖土方的高度在2.6～3.0 m，根據(jù)施工方案需要從北向南依次開(kāi)挖。開(kāi)挖前需要參考施工圖紙做好圍護(hù)工作，并且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量地下水位降低至頂板標(biāo)高以下1.0 m后，再開(kāi)始土方開(kāi)挖作業(yè)。開(kāi)挖時(shí)，首先使用挖掘機(jī)進(jìn)行表層土石的挖掘，可以提高作業(yè)效率；等到土坑底部距離設(shè)計(jì)標(biāo)高不足20 cm 后，再替換成人工開(kāi)挖，避免出現(xiàn)超挖、欠挖的情況。如果局部出現(xiàn)了超挖，要使用砂礫石回填[5]。需要注意的是，采用明挖法進(jìn)行土方開(kāi)挖，整個(gè)施工期間連續(xù)墻處于懸臂受力狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的水平位移。如果位移過(guò)大，容易使連續(xù)墻出現(xiàn)開(kāi)裂，進(jìn)而應(yīng)當(dāng)阻水效果。因此，在頂板土方開(kāi)挖作業(yè)期間，還應(yīng)密切監(jiān)測(cè)連續(xù)墻的水位位移距離，如果位移較為明顯，應(yīng)采取必要的支護(hù)措施。另外，明挖段分層開(kāi)挖要保證混凝土支撐與開(kāi)挖面一一對(duì)應(yīng)，堅(jiān)持“先撐后挖”的原則，保證頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 蓋挖法土方開(kāi)挖

本次地鐵車(chē)站基坑土方工程的蓋挖段，分別在左右兩側(cè)各設(shè)置1 處出土進(jìn)料口，在施工期間可用于清運(yùn)土料，保證現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖作業(yè)高效率進(jìn)行；在施工結(jié)束后，則將出土進(jìn)料口修建為車(chē)站的1#和2#出入口，其布置形式見(jiàn)圖4。

結(jié)合圖4 可知，整個(gè)蓋挖逆作段共包含2 部分，即傳統(tǒng)推進(jìn)式開(kāi)挖段（68.1 m）和逆作通道式開(kāi)挖段（116.4 m），為了進(jìn)一步提高施工效率，兩段可同步施工。在標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行通道式開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，分別設(shè)置了頂板、中板和底板，將整個(gè)開(kāi)挖作業(yè)面分成了4 層，見(jiàn)圖5。每層開(kāi)挖時(shí)，均需要從南側(cè)出土進(jìn)料口開(kāi)挖出一條縱向的通道，將兩個(gè)出土進(jìn)料口連接起來(lái)。同時(shí)，在保證施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以正常運(yùn)行的前提下，最大程度上保留通道兩側(cè)的土，防止基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或坍塌?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖產(chǎn)生的土石，集中堆放在南側(cè)出土進(jìn)料口，然后用挖土機(jī)和自卸汽車(chē)配合將土石運(yùn)出。推進(jìn)式開(kāi)挖和通道式開(kāi)挖盡量保持同時(shí)施工且進(jìn)度相等，通過(guò)流水化作業(yè)加快施工效率。北側(cè)端頭井蓋挖段施工時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持分層開(kāi)挖、對(duì)稱(chēng)推進(jìn)的原則，每向前開(kāi)挖10 m，注意檢查一次上層樓板疊墻混凝土的強(qiáng)度，確保強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后方可繼續(xù)向前開(kāi)挖。

4 結(jié)論

在地鐵車(chē)站的基坑工程中，需要采取降水措施保證地下水位低于基坑底板一定距離，從而避免地下水突涌影響施工進(jìn)度或造成地基沉降。在富水砂卵地層環(huán)境下進(jìn)行基坑施工，可選擇封閉式疏干降水措施，配合使用管井降水方法，能夠顯著降低基坑內(nèi)的水位，為現(xiàn)場(chǎng)施工營(yíng)造良好的環(huán)境。在本次工程中，基坑土體開(kāi)挖選擇了明挖法和蓋挖法兩種方法，獨(dú)立施工不僅提高了效率，而且還能確?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。從本次工程的施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在建筑密集區(qū)富水砂卵地層上進(jìn)行地鐵基坑施工，首先采取基坑降水措施，然后再選擇明挖與蓋挖相結(jié)合的施工方法，能夠兼顧施工效率與工程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了效益的最大化。