富水砂性地层地铁车站深基坑施工案例分析

洪小星，樊冬冬，刘俊城，谭 勇

（1、南通城市轨道交通有限公司 江苏南通226000；2、同济大学土木工程学院 上海200092）

0 前言

伴随着经济的发展，城市中修建深基坑的数量也在不断增长，而在基坑建设过程中往往会收到很多复杂因素的影响［1］，如地层条件、围护类型、系统刚度、施工工艺、降排水、时空效应等等。为了确保基坑施工安全，学者们在很多方面对基坑施工中遇到的问题展开了研究。在施工工艺上，Tan 等人［2-3］发现车站基坑开挖至坑底时，及时浇筑底板可以有效控制基坑变形；刘国彬等人［4］指出在基坑建设过程中要结合时空效应来指导施工；针对施工过程中的关键技术和变形研究，也有很多学者进行了深入的探讨分析［5-11］；而目前上述研究大多是围绕软土地区基坑施工进行分析。

富水砂性地层有着渗透系数大，无粘聚力、自稳能力差、易液化的特点，针对这种特殊地层条件下的基坑施工目前较少。在这种地层条件下修建基坑，一旦基坑施工存在缺陷，就会引起基坑事故。因而总结这种地层条件下的基坑施工实例，对于后续相似地层条件下基坑施工有着重要的借鉴意义。

本文依托富水砂性地层中地铁深基坑施工实例，对该地层条件下车站的围护结构设计和施工工艺，以及基坑开挖前降排水及隔水措施进行介绍。并分析了基坑施工过程中相应监测数据，总结了富水砂性地层中基坑施工经验，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某车站位于江苏省南通市通盛大道与星湖大道路口，沿通盛大道南北向布置。车站为14 m岛式站台地下2 层车站，站中心底板埋深25.29 m，车站净长约288 m，净宽21.3 m。标准段基坑开挖深度为16.63～17.14 m，端头井基坑开挖深度约为18.30～18.88 m（见图1）。站点周边建筑物较为空旷，站点东北侧2～3 倍开挖深度范围内有建筑物1 和建筑物2，其余三侧为绿地或空地。车站主体基坑范围内的地下管线在施工前进行了迁移，并通过设置监测点来确保地下管线的正常使用，在车站完成施工后将管线进行复位。根据现有施工场地条件，车站采用明挖顺作法，局部盖挖施工，施工顺序为先施工车站主体，盾构始发，再施工剩余附属。本站基坑总长288 m。北侧小里程为盾构始发，南侧大里程为盾构接受井。

图1 基坑平面Fig.1 Foundation Pit Plan

2 水文地质条件

拟建车站场地位于南通市崇川区，地貌类型属于长江三角洲太湖冲湖积平原，地形较为平坦，地面标高一般为2.0～6.5 m。

本车站基坑坑底位于③2层粉砂中，换乘段基坑坑底位于④1层淤泥质粉质粘土。开挖深度内以粉土、粉砂为主，依次为①层填土、②层粉砂夹粘质粉土、③1层粉砂夹砂质粉土、③2层粉砂；开挖面以下依次为④1层淤泥质粉质粘土、④2层粉质粘土、⑤1层粉砂、⑥层粉砂、⑥t层粉质粘土。标准段地下墙墙趾均插入④1层淤泥质粉质粘土，端头井地下墙墙趾均插入④2层粉质粘土，换乘段地下墙墙趾均插入⑤1层粉砂。

场地内潜水主要埋藏于①层填土、②层粉砂夹粘质粉土、③1层粉砂夹砂质粉土、③2层粉砂中，其主要补给源为大气降水，人工用水、地表径流，主要以蒸腾作用排泄，本工点勘察深度范围内揭示的承压水层为第1层承压水层，主要埋藏于⑤1层粉砂、⑥层粉砂、⑦层细砂中，其主要补给源为地下水的侧向补给，排泄途径为人工开采及地下水侧向径流，水量较丰富，其对拟建基坑施工可能具有不利影响。勘察期间测得潜水稳定水位埋深为1.10～2.90 m；承压水含水层水位埋深2.21～2.34 m。

图2 现场实测土体参数Fig.2 Soil Parameters Measured on Site

车站基坑各土层的分布情况及力学参数如图2所示。其中，h 为土层厚度、γ 为土体重度、c 为土体黏聚力、φ 为土体内摩擦角、e为孔隙比、Ip为塑性指数、IL为液性指数、Sr为饱和度、Es为压缩模量、N 为标准贯入击数。场地内潜水水位埋深1.2～3.1 m，承压水位于相对隔水层④2层以下，水头埋深2～5 m。

3 车站基坑支护方案

车站基坑采用明挖顺作法，局部盖挖施工。车站主体围护结构采用800 mm、局部1 000 mm 地下连续墙，标准段地下墙长30.20 m，端头井地下墙长34.70 m，换乘段地下墙45.79 m，围护结构与主体结构形成复合侧墙结构。基坑标准端围护结构剖面如图3 所示，该段基坑竖向设置1 道混凝土支撑+3 道钢支撑，端头井基坑竖向设置1 道混凝土支撑+3 道钢支撑+1 道换撑，换乘段基坑竖向设置1道混凝土支撑+4道钢支撑+1道换撑。标准段第2道钢支撑，端头井第2、3道最长的斜撑和换乘段第5 道钢支撑尺寸为φ 800，t=20 mm，其余钢支撑尺寸为φ 609 mm，t=16 mm。

4 车站基坑施工关键技术

4.1 地下连续墙施工

图3 标准段基坑围护结构剖面Fig.3 Sectional of Standard Section Foundation Pit Enclosure Structure

地下连续墙施工前施作导墙，为了确保槽壁稳定，成槽时槽壁附近避免堆载和机械设备对槽壁产生的附加应力，并减少振动。新鲜泥浆比重取1.05～1.10。由于本工程场区内砂性土层较厚，施工时采取相应措施保证成槽安全，地墙成槽时增加防踏空措施。尤其在异形幅、转角幅位置，成槽完成后对成槽的宽度、深度及倾斜度进行检验，重要结构每段槽段进行检查，一般结构抽查总槽数的20%。标准段和端头井地下连续墙厚度均为800 mm，换乘段厚度为1 000 mm。标准段、端头井及换乘段均采用工字钢结构，墙顶范围内设置压顶梁预留钢筋，预留钢筋埋设时应注意到顶板坡度变化。在吊装钢筋笼的过程中要控制好吊点和加强筋的布置，防止吊装时产生过大的变形造成钢筋笼入槽困难和碰撞槽壁。钢筋笼整幅吊入，纵向受力筋采用机械连接。钢筋笼与土体接触的两侧隔一定距离在主筋上焊接钢垫板来保证钢筋保护层厚度和钢筋笼的垂直度。施工场地内地下水水位为1.1～2.9 m，地下水位高，结合图2 来看，围护结构修建范围内主要为渗透性强的粉土和砂土，在施工中应当着重关注地下连续墙接缝、预埋钢筋接驳器等防水薄弱位置。接驳器钢筋加密位置合理设置钢筋布置，防止钢筋过密导致混凝土浇筑不密实进而引发渗漏。另外，在地下连续墙内布置压浆管，插入墙底下0.5 m，每标准幅（超过4 m）墙体布置2 根压浆管来控制盖板区域地墙的竖向沉降量。

4.2 基坑突涌分析及降排水

拟建场地存在承压含水层⑤1、⑥、⑦层（本3层含水层相连通，水力联系密切，可视为同一含水层），勘察期间测得该层水位埋深2.21～2.34 m。根据勘察期间实测及搜集水位资料，对⑤1层承压水水头对车站基坑开挖时的基坑抗渗流稳定性进行验算，验算结果如表1所示。

根据《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012》附录C 中C.0.1 公式判定：⑤1层承压水对本工点车站主体基坑开挖具不利影响，基坑底不稳定，可能产生突涌现象，应在设计和施工上采取相应的降排水措施。

4.2.1 疏干降水

基坑首道混凝土支撑达到设计强度后基坑开挖前20 d 进行井点降水，深井直径600 mm，深度至坑底以下6.0 m。坑内降水深度宜控制在坑底以下1.0 m；坑外应设置水位观测孔，施工时严格控制坑外水位变化幅度。基坑开挖至坑底，施工底板时，在井点管位置设置泄水孔，然后拆除井点管。

4.2.2 承压水降水

依据抗突涌计算结果，拟建场地存在⑤1、⑥层承压含水层，承压水水头标高0.86～0.99 m，经验算本站车站主体结构抗承压水稳定性不满足《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》要求，需降低承压水水头约2.6 m（北端头井段）、3.1 m（南端头井段）、14.2 m（换乘段）。施工前设置水位观测井，依据实测水位复核承压水抗突涌安全性，确定降承压水水头高度；降承压水应与基坑开挖工况紧密配合，依据最不利水头，北端头井开挖至14.78 m 深度时，南端头井开挖至14.61 m 深度时，换乘段开挖至14.57 m 深度时，需要开启降水井降压，降压过程按需降水，并加强对周边地面、建筑物与地下管线监测，减少对周边环境的影响，依据监测结果及时采取措施控制变形，必要时可以采取回灌井回灌减小沉降；地连墙若未插入隔水层隔断坑内外水力联系，可以采用地墙增设素混凝土段来增加地下水扰流，保护基坑施工安全的措施。

4.3 基坑开挖施工

富水砂性地层有着地下水位高、土层渗透性的特点，基坑开挖时要严格按照《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》进行以确保基坑施工安全。

基坑开挖前，在基坑外侧设置由集水井和排水沟组成的地表排水系统，避免坑外地表明水流入基坑内，排水沟宜布置在围墙外侧0.5 m以外。

施工中分层、分段、对称、限时开挖，遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的原则，尽量减小基坑无支撑暴露时间和空间。

基坑纵向采用多级放坡开挖，纵坡坡度不大于1∶5，分层厚度根据支撑竖向间距确定，平台宽度应按照支撑水平间距确定，且不小于6 m。纵向坡进行人工修坡，并对暴露时间长或可能受到暴雨冲刷的纵坡采取防止纵向滑坡的措施，周边环境保护要求较高时，适当减缓土坡的坡度，位于浜填土区域的边坡，采用土体加固措施来对土体性质进行改善后再进行放坡开挖。

5 基坑监测分析

本工程车站主体基坑深度为16～18 m，局部换乘段深度为25 m，基坑监测等级为二级。为了指导施工，确保工程与周围建筑物及地下管线的安全，通过施工监测及时回馈数据，实现信息化施工，做到随时预报，及时处理。监测内容包括：①地下连续墙测斜；②地表沉降；③地下水水位变化；④周边建筑物沉降；⑤支撑轴力；⑥立柱位移。富水砂性地层中地下水对基坑施工安全的影响不容忽视，这里选取地下水位变化和地墙测斜进行分析。

5.1 地下水位变化

表1 抗突涌稳定验算Tab.1 Anti-surge Stability Check

拟建场地存在承压含水层⑤1、⑥、⑦层（本3层含水层相连通，水力联系密切，且对⑤1层承压水水头对车站基坑开挖时基坑抗渗流稳定性验算表明，⑤1层承压水对本工点车站主体基坑开挖具不利影响，基坑底不稳定，可能产生突涌现象。施工中采取了相应的降排水措施来保证基坑的安全。基坑潜水和承压水监测结果如表2所示。

表2 水位监测结果Tab.2 Water Level Monitoring Results

由表2 中数据分析可知，坑外地下水潜水位变化最大处位于SW01，水位累计变化量为0.72 m；承压水水位变化最大处位于YW06，水位累计变化量为0.65 m。承压水和潜水水位累计变化量均在限值内，这表明基坑所采取的疏干降水和承压水降水措施及基坑围护结构的防水措施取得了良好的效果。

5.2 地下连续墙测斜

地下连续墙的变形贯穿基坑的整个施工过程，是衡量基坑施工安全和质量的重要指标，选取北侧端头井、标准段、南端头井3处的地下连续墙测斜进行分析（见图4），3处的测斜均为基坑开挖至坑底时的侧向位移。从图4中可以看出北端头井和南端头井的地下连续墙测斜最大值为17.28 mm 和37.52 mm，标准段地下连续墙最大测斜为49.66 mm。南北端头井和基坑中间标准段的地下连续墙最大侧向位移均在监测预警值50 mm 以内，表明基坑采取的开挖施工措施在变形控制上取得了良好的效果。此外，还可以看出南北端头井相比标准段的基坑地墙最大侧向位移较小，这是由于端头井的空间角效应显著，在一定程度上限制了围护结构的侧向位移的发展。

图4 地下连续墙测斜监测Fig.4 Underground Diaphragm Wall Inclination Monitoring

6 结论

⑴富水砂性地层有着渗透系数大、无粘聚力、自稳能力差及易液化的特点。修建车站基坑的影响范围内主要为粉土和砂土。在这种地层条件下施工，极易发生基坑渗漏。因而在围护结构的设计上，应着重关注其止水效果。对地下连续墙接缝、预埋钢筋接驳器等防水薄弱位置要重点关注。合理设置钢筋加密区域钢筋含量，防止钢筋过密导致混凝土浇筑不密实进而引发基坑渗漏的发生。

⑵富水砂性地层中地下水位高，且以渗透性强的砂土为主。基坑开挖时会面临承压水突涌，坑内流沙管涌风险。因而在基坑降水系统设计时，要降水与隔水相结合，重点关注地下水位变化，建议通过采取疏干降水和承压水降水结合的措施，来控制地下水对基坑的影响，而止水结构尽量要插入隔水层中隔断坑内外水力联系，必要时可通过增设素混凝土段来增加地下水扰流，确保基坑施工安全。

⑶富水砂性地层中在基坑开挖施工时，要严格控制基坑变形，可以通过优化施工顺序来控制基坑变形，确保基坑和周边环境的安全。通过对监测数据中地下水位变化和地下连续墙侧向位移的分析可以判断，施工中所采取的地墙施工防水效果、降排水和隔水措施取得了良好的效果，保证了基坑施工整个过程的安全。