富水易液化砂层地铁基坑开挖涌水涌砂防治研究

冯 磊

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 100176)

0 引言

伴随着21世纪地铁时代的快速到来，各城市地铁已进入高速发展的时期，但地铁车站基坑开挖过程中出现的事故，对周边环境造成重大影响的情形屡见不鲜，备受社会关注。南通地区地层为富水易液化砂层，频繁出现基坑涌水、涌砂事故，而且基坑一旦发生涌水、涌砂事故，将影响基坑安全，严重会危及人民生命财产安全。本文结合南通地区地铁2号线某站基坑围护结构涌水、涌砂防治措施的实例，针对围护结构缺陷情况进行分类处理，可为以后富水砂层基坑开挖工程提供参考借鉴。

1 工程概况

某站为地下两层双柱三跨结构，换乘节点为三层车站与远期三号线换乘，车站外包总长为285.6 m，车站标准段宽度为22.7 m，端头井段宽度为26.8 m。车站为明挖车站，基坑开挖深度为16.79～18.65 m，换乘节点处基坑开挖深度约25.66 m。车站两侧围挡外是交通的主干道，换乘段基坑与南侧既有道路最小距离仅有4.53 m。换乘段基坑与北侧既有道路最小距离仅有6.56 m，日常车流量较大，属于重要交通要道。

根据车站的工程特点、地质条件、交通组织和环境保护要求，围护结构采用800 mm厚地下连续墙(换乘段为1 000 mm厚)，总计地连墙124幅，墙深36.5～47 m，采用H型钢接头，混凝土强度等级为C35(水下)抗渗等级P6，地下连续墙兼做止水帷幕。

2 水文地质条件

根据图纸及地勘报告，标准段基坑开挖底位于③-2层粉砂层，换乘段基底紧贴④-2粉质黏土夹砂质粉土。场地基土分析从上至下为：①层杂填土，②-2层砂质粉土，③-1层粉砂夹砂质粉土，③-2层粉砂，④-2层粉质黏土夹砂质粉土。其中④-2层为弱透水层。

(1)地表水：场地地表水主要为车站东侧的山港河，河水面宽度约6.6 m，最大水深1.42 m，水位标高2.16 m(2018年7月7日观测)，河底淤积物厚度最大处约0.5 m。

(2)地下水：根据勘察揭示的地层结构和地下水的赋存条件，结合区域水文地质资料，对本工程有影响的地下水类型分为潜水和第Ⅰ承压水。

①潜水：潜水主要赋存于浅部①层杂填土、②-2层砂质粉土、③-1层粉砂夹砂质粉土和③-2层粉砂层中。勘察期间实测潜水稳定水位埋深1.59～2.51 m(标高2.1～3.4 m)，地下水水位较高对本工程施工影响较大。

②第Ⅰ承压水：本工点承压水主要赋存于④-2层以下的⑤-1砂质粉土夹粉砂、⑤-1粉砂夹砂质粉土、⑤-3黏质粉土夹粉砂、⑥粉砂夹砂质粉土和⑦细砂层中(相互联通，可视为一层承压水)，以④-2粉质黏土夹砂质粉土为隔水顶板。勘察期间实测承压水水位埋深3.15～4.51 m(标高0.51～0.75 m)。

3 技术分析

3.1 围护结构涌水、涌砂情况分析

(1)地连墙接缝存在夹泥，且在基坑开挖深度范围内。地连墙采用H型钢接头，在成槽过程中刷壁不到位，残留型钢内部的泥浆、绕流混凝土、接头回填沙袋未能清理干净，导致接缝位置缺陷，存在过水通道，发生涌水、涌砂。

(2)地连墙接缝存在夹泥，且在基底以下2 m范围内。接缝缺陷产生原因与上述内容相同，但产生的后果更为严重。基坑开挖见底过程可能未出现险情，受基坑变形及周边水土压力变化影响，在基底收底完成或者底板垫层浇筑过程中从基底下涌水、涌砂。从表象看容易判断为基坑突涌，实际为基底下地墙接缝存在缺陷，坑外泥沙从缺陷位置涌入坑内从基底涌出，缺陷位置基坑外会因水土流失产生坍塌。基坑基底突涌是由于承压水未降至设计深度，冲破隔水层造成的，二者产生的原因完全不同。

(3)地连墙钢筋笼未能伸入H型钢内，接缝位置出现开叉和夹泥。这种情况接缝缺陷最为严重，相邻两幅地连墙错位、受力不同步，在基坑变形等因素作用下发生险情。坑外的泥沙从接缝开叉位置涌入坑内，险情发展很快，抢险难度大。

(4)地连墙在混凝土浇筑过程中存在质量缺陷。在水下混凝土浇筑过程中，因槽壁失稳、导管堵塞、导管拔出等原因，出现地连墙墙身位置局部夹泥。由于墙身质量缺陷，无法达到设计刚度，开挖过程中基坑变形较大，地墙接缝及墙身位置出现涌水、涌砂。

3.2 增加措施技术分析

车站换乘节点位置开挖深度达25.66 m，开挖面下卧土层为④-2粉质黏土夹砂质粉土，为隔水层，在基坑外水土压力及承压水共同作用下，泥沙极易从地墙接缝等薄弱位置涌出。换乘段节点位置距离既有主干道路仅有(4.5～6.5 m)，周边燃气、给水、通信、雨污水等市政管线复杂，出现险情后会导致交通中断、管线破裂，对周边环境影响恶劣。为避免险情的出现，采取如下一系列技术措施：

(1)首先进行FGM系统检测，检测地连墙墙身和墙缝，根据报告，针对缺陷部位，采取针对性措施降低基坑开挖过程中地连墙出现涌水、涌砂、渗漏的风险。

(2)车站南北两侧机动车道距离基坑较近，前期大量管线改迁工作对周边土体扰动较大，综合地连墙施工及降水等因素，地层可能出现空洞、脱空等问题，采用地质雷达进行探测，并对路面以下存在脱空或不密实的部位进行旋喷注浆加固。

(3)根据FGM检测报告、地质雷达探测报告及地墙施工记录，对基坑地连墙接缝及墙身位置进行风险分析。对地连墙接缝薄弱位置进行补强加固，外侧增加三重管高压旋喷桩，成"品"字型对地连墙接缝进行封堵，防止深基坑在开挖中出现险情，减少变形预警。对于墙身存在缺陷的位置对整幅墙进行补强，补强范围为两倍地墙幅宽，确保与相邻地墙有效搭接，缺陷比较严重的采用两排旋喷桩咬合加固。

(4)换乘段位置为地下三层结构，基坑开挖至负三层，地连墙接缝位置进行背贴钢板加固，防止因开挖及结构回筑时间过长，基坑累积变形过大，出现涌水、涌砂风险。

(5)整个基坑开挖过程中配备WSS后退式双液注浆钻注一体机，并配置专业工人全程跟班基坑开挖作业。在开挖过程中若发现有渗漏风险的位置及时从坑外注双液浆进行补强。

4 增加具体措施

4.1 FGM检测技术

FGM检测技术通过对地下工程发生渗漏时水中微弱离子的运动进行高灵敏度检测，从而探测复杂地下结构的渗漏情况。在渗漏情况下，即便是轻微的渗漏，也会由于水离子的运动使整个地层电场的变化。对于此变化，通过多通道多传感器高精度量测系统，可以把握电场异常的位置，从而探得渗漏点[1]。该技术可解决建筑方面、土木工程方面和隧道建设方面的各种渗漏问题。优势在于：快速准确检查渗漏点；无损或微损检测；连续锁定目标和节省花费维修。特别适用于轨道交通深基坑检测，降低渗水塌方风险，杜绝了基坑渗水、塌方以及由此引起的周围建筑物不均匀沉降，管线裂缝等事故的发生，保证了项目施工周边建构筑物以及管线的安全。FGM技术主体结构检测原理详见图1。

图1 FGM技术主体结构检测原理图

(1)设备系统

FGM检测技术检测设备详见图2。

图2 FGM检测技术检测设备

(2)检测介绍

①探测区域为基坑内部距离止水帷幕3 m以内的区域，区域内地表为平整的土地，无石块、金属等异物。

②需探测的止水帷幕上部无覆土，且表面较干燥，防止探测信号从止水帷幕上部进入探测区域。

③基坑外钻孔布设探测系统发射极，钻孔直径不小于100 mm，深度不小于最终开挖面深度，可以借用基坑外的观测井。

④根据探测区域范围确定负极放置位置，可以借用基坑内的降水井。

⑤检测现场需要提供220 V交流电源、水和照明。

⑥采集数据期间现场不可有电焊机工作。现场检测示意图详见图3。

图3 现场检测示意图

4.2 路面雷达探测

根据相关参数和勘查资料，结合车站工程的特点和场地环境，按照规范和标准的要求，对车站周边道路采用地质雷达和高密度面波综合检测技术，以保证检测成果的科学性、准确性、有效性。采用现场踏勘、测量的方法，详细测量需要检测的区域，明确测量范围；采用地质雷达和高密度面波检测技术，开展检测区域的无损检测，排查可能存在的疏松和脱空等隐患。地质雷达检测原理详见图4。

图4 地质雷达基本原理图

结合多种勘探结果，综合分析道路及其他缺陷的具体部位，并得出结论。

4.3 旋喷桩止水

对评估有风险的地连墙接缝位置采用直径800 mm间距500 mm高压旋喷桩进行加固，两层站位置施做3根旋喷桩加固深度24 m，加固至④-2粉质黏土夹砂质粉土的隔水层，避免基坑外泥沙从基底下地连墙接缝缺陷涌入坑内，车站换乘段三层站位置施做5根旋喷桩，换乘段加固深度28 m，加固至基底下2.5 m。

高压旋喷桩采用三重管法，水泥掺量不低于20%，并由现场试验确定；施工参数及工艺应结合工程情况进行现场试验确定。采用P42.5级普通硅酸盐水泥，水泥最终掺量及外加剂根据试验确定，水灰比为0.8～1.2，高压水泥浆的压力应不小于20 MPa，流量应不小于30 L/min，气流压力不小于0.7 MPa，提升速度宜为1～2 cm/min[2]。

4.4 负三层结构地连墙接缝封钢板

为保证基坑开挖安全，降低基坑涌水涌砂事故发生的可能性，项目制定地连墙接缝位置钢板封堵方法，降低基坑渗漏、涌水、涌砂的风险。

封堵钢板施工工艺

①采用电动工具将接缝位置地连墙混凝土凿除平整。

②采用钢筋头自制工具将接缝处表面泥沙处理干净。

③采用快干水泥将接缝位置抹平，为了固定钢板位置与接缝位置密贴，手扶钢板，采用手钻钻孔将膨胀螺栓固定于封堵钢板上。

④钢板固定和封堵时，应考虑封堵完成的钢板是否侵入主体侧墙结构的限界。钢板用膨胀螺栓固定后，采用水不漏将钢板四周再次密封。

⑤首块钢板固定封堵完成后，向上或向下续接钢板，钢板与钢板之间间隙不大于1cm并用钢筋进行焊接拉结住，确保封堵钢板的整体稳定性，地连墙接缝钢板加固详见图5。

图5 地连墙接缝钢板加固示意图

5 结束语

富水砂层地层地下连续墙施工过程复杂，不可预见性多，技术要求较高，施工中要做到有据可查，具有可追溯性。首先，施工中要加强管理，并对日常施工详细记录，其次，对于出现的问题，分类标记在地连墙CAD图纸中相应的位置，分析产生的原因以及将来开挖过程中的影响，措施分析需采取单一或者多种措施结合的方法。然后在开挖之前必须采取相应的预防和处理措施，提前处理，预防为主，最后，在开挖过程中检验增加措施的效果，总结施工经验确保基坑开挖安全，避免基坑地连墙涌水、涌砂给施工带来困难，尽量降低基坑开挖对周边建构筑物及管线的影响。