复杂工况下的深大基坑干槽水治理方案比选与实施

徐艳红 XU Yan-hong

（中铁二十一局集团有限公司，兰州730070）

1 工程概况

北京地铁新草区间1#风井，长38m，宽23.7m，深度29.427m，结构为地下四层（含地面夹层）。1#风井位于绿地内。1#风井围护结构外部为钢筋混凝土水下灌注桩围护桩，基坑内侧采用钢围檩和钢支撑，基底入水约5.5m，含水层为卵石⑦层、卵石⑨层，设计采用基坑周边施工降水井的降水方案。盾构区间施工在风井过站。

1#风井详细勘察现场钻探期间揭示，地下60.0m内共监测到一处地下水，地下水类型为层间潜水～承压水（四）：层间潜水主要含水层为卵石圆砾⑦层及卵石圆砾⑨层、粉细砂⑨2层等地层。局部地段卵石圆砾⑨层和粉细砂⑨2层受隔水层粉质黏土⑧层的影响，水略具承压性，承压水头最大2.50m。1#风井在围护结构施工完成、降水工程施工完成，土方开挖接近水位的情况下，应北京市水资源保护政策要求，停止降水，放弃坑外降水的干槽水治理措施，全面研究注浆封闭止水、冷冻封闭止水法、带水作业的水下开挖等不降水的干槽水的水治理方案。1#风井在基坑开挖接近水位时，将基底进行钢筋混凝土临时封闭，进行止水方案研究。

2 堵水方案比选

1#风井基坑土方开挖至水位标高，深度约23.93m，实测初始水位23.93m深，水位和目前基坑开挖面持平，基坑底入水5.497m，含水层为卵石⑦、卵石⑨，水具有承压性，承压水头最大2.50m。

明挖基坑的干槽水治理的设计方案有很多，且比较成熟，如：地连墙+坑内降水，围护桩+咬合桩+坑内降水，围护桩+坑外降水等等，但很多都涉及降水且降水量很大，寻求一种降水量少或者没有的干槽水治理方案较为困难且工艺不成熟。

1#风井设计方案为围护桩+坑外降水，由于水资源保护政策影响，在1#风井在围护结构施工完成、降水工程施工完成，土方开挖接近水位的情况下寻求堵水方案，属于特例。综合目前较为成熟的非降水类干槽水治理方案经验先例，和经验丰富的堵水单位共同研究，综合注浆堵水、冷冻堵水、水下开挖封底等。寻求一种适合1#风井工况的堵水方案，保证施工安全、堵水质量、和达到节约成本的目的。经研究形成如下有效方案：

方案一：坑内全断面注浆堵水法（见图1）。

图1 坑内全断面注浆堵水法示意

①同方案一。②注浆止水封闭范围及浆液：基坑周边围护桩外侧延伸3m，深度为基坑底板底部往下3m范围内。注浆止水浆液为水泥水玻璃浆液、磷酸化学浆液配合使用。基坑底部和基坑围护桩桩间采用预埋疏排管的方式进行真空降水。③优缺点分析：造价方面：坑内四周注浆，注浆体积较小，总体费用低；实施安全风险方面：坑内四周注浆坑内疏干排水量较大，达到无水作业可能困难，实施成功性存在较大风险。

方案三：坑内盆式注浆堵水法（见图2）

图2 坑内盆式注浆堵水法示意

①同方案一、二。②注浆堵水范围及浆液：侧壁注浆范围：基坑周边围护桩外侧延伸3m内为注浆范围，封闭基坑侧壁周边。基坑底部往下1m预留为隔水层（作为底部积水疏排使用），基坑底部以下1m到6m范围注浆，注浆厚度合计为5m，用来封闭基坑底部。③优缺点分析：造价方面：坑内盆式土体注浆堵水，注浆体积较小，总体费用适中；实施安全风险方面：基坑注浆体封闭，形成有效干槽水空间，并预留坑内积水疏干条件，实施较为简单，安全性高。

方案四：落地式冷冻帷幕堵水法

①同方案一、二、三；②冻结范围及参数：在围护桩的外侧2m处，布置间距为1.2m（共计116颗），深度为50m（施工至岩层），冻结半径为1m，下放冻结管进行帷幕冻结施工，全部结构（含压顶梁）施工完成后解除冷冻。③优缺点分析：造价方面：落地式冷冻帷幕堵水法冻结土体大，冷冻时间长，费用高；实施安全风险方面：基坑冻结体封闭，形成有效帷幕堵水空间，一旦冻结完成，渗漏水风险很小，但冷冻孔的施工深度很大，约50m，地层为大直径砂卵石地层，存在漂石，结合冷冻孔间距1.2m，有效冷冻半径1m，对施工的垂直度要求很高，孔深较深，断钻杆导致废孔的风险大，同时冻结过程也可能存在爆管的风险，存在停电的风险，冻结必须至全部结构施工结束完成，冻结周期相对较长，乱石地层中施工垂直度较难保证，一旦冷冻孔冻结影响范围不存在交集，冷冻体存在漏洞，开挖过程中地下水涌入基坑，补救措施少，存在较大安全风险。

组织地铁施工经验丰富的专家对四种堵水方案的技术可行性、安全风险性、经济型进行必选和论证，对堵水控制范围及特点进行综合分析，最终一致认为方案三（坑内盆式注浆堵水法）技术成熟、可行性高，补救措施多、安全风险低，注浆体积小、成本低，并最终确定此方案。

3 坑内盆式注浆堵水方案深化

为保证坑内盆式注浆堵水法最终的实施效果，从基底封闭、注浆体厚度、注浆孔布置、钻孔设备选型、注浆工艺、浆液配置、效果检验等几个方面进行优化。

3.1 1#风井基底封闭（见图3）

图3 1#风井基底封闭示意

对基底进行有效封闭，防止浆液在砂卵石地层中沿注浆孔向上窜出，影响效果。①基坑回填2m粘土并夯实作为注浆隔水层，保证注浆压力和防止浆液渗流；②基坑封底采用钢筋混凝土，厚度为300mm，混凝土强度为C20。用直径12mm钢筋，做成网格横纵为150mm的钢筋网片，抵抗注浆压力，防止压力过大，造成漏浆。

共线向量定理：共线的的向量可选择其中一个非零向量为基向量，用它可以表示共线的任一向量,即若b∥a，且a≠0，则有且只有一个实数λ，使b=λ a.

3.2 注浆体厚度

合理的注浆厚度的设计是盆式注浆体起到安全稳定、达到无水作业的保障。

主要考虑风井底部土体的抗浮设计和土体的抗渗设计。①风井底部土体的抗浮设计。风井注浆体抗浮设计参考地下地铁车站抗浮设计规范要求，保证注浆后开挖风井不会上浮。安全系数考虑不计侧壁摩阻力，取1.05。

按照静力公式γH=kγwh

式中：H——竖井开挖后注浆体底部厚度m；γ——注浆体重度，取23kN/m3；γw——水重度，取10kN/m3；k——安全系数，取1.05；h——水位高于注浆体底板高度。

按5.0m水位高度计算，考虑抗浮验算如下：23H=1.05*10*（5.0+H）m则经过计算H=4.2m。即满足抗浮要求的注浆体厚度H为4.2m。根据以往项目的经验，综合考虑注浆体厚度定为5.0m。

②抗渗设计。根据以往砂卵石经验，注浆体2m厚度能抵抗1m水压，每增加5m水压，注浆体厚度增加0.5m，同时考虑水具有承压性，承压水头最大2.5m。根据经验最终确定侧壁注浆体厚度为基坑外侧桩皮以外3m。

3.3 注浆孔布置（见图4）

图4 注浆孔布置图示意

综合考虑保证注浆效果和砂卵石地层因素，注浆扩散半径确定按600mm，并根据注浆试验核实、调整。基坑内孔位布置：竖向布孔，孔间距沿纵向800mm，横向间距800mm，各排纵向错开400mm，梅花形布置，孔位距离围护结构内边为400m/800mm。基坑外侧注浆布孔：每桩间设置1个注浆断面，每注浆断面布置6个斜孔（2°、7°、11°、20°、31°和46°），角部设置2个注浆断面。

3.4 钻孔设备选型

砂卵石含量在75%左右的地层，且有一定的概率存在漂石，钻孔的成功率是实现注浆体的第一步。为保证钻孔的成功率，采用潜孔锤的钻孔工艺。配置一台75m3的空压机与先进的履带式液压冲击型钻机HDL—80A。

3.5 注浆工艺

注浆施工采用多个注浆管同时注浆的工艺进行施工，此工艺配置注入前端特殊装置实现浆液在进入地层前不混合；采用先钻后注、多管（3-5个管同时注浆）同步注浆保证注浆效果；采用精确的注浆压力控制设备和注浆量跟踪显示设备，压力和注浆量双控保证注浆效果。同时采用了在混合器设备上安装双液混合器、止回器、改良的注入喷射器等，克服了浆液混合不均匀、容易堵管等缺点，保证注浆的流畅和注浆体的质量。

3.6 浆液配置

浆液配置具体如下：A液水泥浆：水泥采用普通硅酸盐水泥，掺加无收缩灌浆剂和高效分散剂。B液水玻璃液：采用42波美度的水玻璃，掺加添加剂硫酸铜、明矾等。C液磷酸液：作为速凝剂使用。注浆施工时正常采用A液水泥浆和B液水玻璃液，如果浆液流出采用B液水玻璃液和C液磷酸液。B液水玻璃液和C液磷酸液的胶凝时间控制在2～10s，A液水泥浆液与B水玻璃液的30～90s。双重管后退式注浆时，注浆压力达到0.8～1.0MPa时，双重管往上提0.1～0.2m后，继续注浆。

3.7 注浆工法优势综述

多管同步注浆止水施工实现了以下优点：①工法采用钻注分离、流水作业施工效率高。②工法采用新型注浆材料及工艺，解决了传统注浆工艺难以解决的跑浆、冒浆和注浆范围难以控制的问题。③结合该工法自主研发的多功能履带式液压钻机具有体积小、扭矩大、定位方便、可行走等优点，尤其在砂卵石地层中可以很大的提高成孔效率。④采用精确控制压力、流量的多管同步注浆设备和工艺，可实现一次同时注3～5个孔，可以精确控制凝结时间和浆液扩散的有效范围。⑤可实现注浆浆液凝结时间从2-60s内的自由调整。

3.8 注浆效果验证

为注浆效果采取的措施：①首次检查。待注浆完成后，需在风井内部打设疏干井将井内部的水疏干，并观察井内的水位上升速度判断注浆效果。②开挖探沟检查。注浆完成后，沿基坑周边围护桩内侧距离围护桩1.2m处开挖探沟，探沟宽度为1.2m、深度为1.2m，开挖后24内观察坑底和坑壁渗漏水情况，根据渗漏水情况判断注浆效果。判断注浆效果是否满足开挖条件，是否需要补充注浆。③注浆过程中保护原有降水井不被填充破坏，并作为应急使用。

4 注浆方案实施

多管同步注浆止水施工，需严格按照施工步序，保证每个步序的施工质量，最终保证注浆体效果。①钻孔。采用HDL-80钻机，配置直径φ95mm的钻头、φ89mm的钻杆，保证钻孔角度后施工。②下双重管。钻孔完成后，安装双重管时需注意检查密封圈、加盖以防止堵管。在双重管前端安装特制装置，保证双液浆搅拌均匀。③安设拔管器。注浆采用后退式注浆工艺，多个拔管器同时安装、同时注浆、同时提升，浆液形成整体挤密效果，提高注浆效果好和效率，保证施工质量，加快进度。④注浆。注浆时一定要配备流量计，在注浆过程中观察压力和流量变化，实时调整浆液凝固时间和浆液种类，达到最佳扩散半径，防止浆液流失，达到有效控制浆液扩散范围。

5 堵水效果分析

根据开挖过程效果看，基坑底部无渗漏水，只有少数部位侧壁存在不同程度的渗、漏和涌水，漏水部位已通过二次注浆进行封堵，最终达到整个开挖面无水作业效果。

6 结束语

北京市水资源现状：有计算表明，目前北京水资源储量为18.27亿立方米，外地入境水资源19.15亿立方米，合计北京水资源总量为年37.42亿立方米，人均拥有366.8立方米／年，仅占全国平均值的13.8%，在世界120个国家的首都中居百位之后。北京地表水出境水量经多年观测约占年降水总量的14.28%，即为14.38亿立方，各种损耗为3.32亿立方米，因此北京水资源为实际可用水量仅为19.72亿立方米。所以北京是一座水资源严重短缺的城市。

北京地铁建设规模：到2020年，北京地铁将形成线网由30条运营，总长1177公里的的轨道交通网络。

北京地铁多为地下工程，地下工程的建设势必会对北京市水资源造成影响。目前北京地铁施工比较成熟和适用的工艺多为降水和抽排，为最大程度的减少施工对地下水资源的影响，需要寻求更多的更加成熟工艺和方法，同时做到保证工程的安全作业，又要降低建设成本。