地铁附属基坑开挖策略研究

田晓琳

（中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京 100041）

0 引言

城市地铁工程具有施工体积大、建筑单元多、地层及周围结构复杂、施工程序多、技术要求高、施工时间紧张等特点，要求施工过人员能够准确识别地铁附属基坑开采风险，制订相应的防范措施，以防止对地铁附属基坑开采造成不良影响。所以，对地铁基坑工程进行风险分析和控制有重要意义。

1 工程概况

该车站为天津地铁8 号线一期工程起点站，位于资阳路和罗平道交口西侧绿水园内，车站主体沿绿水公园南北方向布置（如图1）。

图1 基坑总平面布置图

该站有效站台中心里程为DK16+779.638，设计起讫里程：左线为DK16+337.790—DK16+863.938，右线为DK16+343.110—DK16+863.938，车站范围内主线之间的距离为15.7m；为岛屿式终端平台，有效平台宽度为12.5m，标准部分为地下两个三柱延伸矩形框架结构，总宽度为21.6m；平台中心面板底部约为16774m。该站设置四组风亭，两个出入口。其中，1 号、2 号风亭为车站主体顶出、3 号风亭和D 号出入口位于变电站东侧，4 号风亭位于车站西侧。所有子结构均位于地下，且是在开凿坑之前建造的。基坑总平面布置图如图1 所示。

地铁基坑附属结构的支撑体系是指用于支撑、稳定、保护基坑四周土体的结构系统，常见的支撑形式一般包括以下几种：

第一，钢支撑。利用钢材组成的支撑系统，常见的形式有钢梁和钢板桩等。钢支撑具有较高的强度和刚度，适用于不同地质条件下的基坑支护[1]。第二，混凝土支撑。使用浇筑混凝土形成支撑体系，常见的形式有混凝土桩、梁、墙等。混凝土支撑具有刚性好、耐久性强等特点，比较合适长期施工及持久使用的情况。第三，土工材料支撑：使用土工合成材料（如土工布、土工格栅）或灌浆加固土体形成的支撑结构。这种支撑方式适用于较小规模的基坑。第四，综合支撑系统。结合以上多种方式，通过组合设计、交叉施工等方式形成的综合支撑体系。这种支撑系统的优势在于能根据不同的地质条件和工程要求，灵活选用合适的支撑形式。

2 工程水文地质情况

在地铁附属基坑开挖工程中，进行水文地质调查对设计和施工工作至关重要[2]。根据相关数据，可将该工程划分为3 个水文地质岩组：

2.1 潜水含水岩组

人工填土层（Qml）、全新统上组陆相冲积层（Q43al）及海相沉积层（Q42m）视为潜水含水层。含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和向下部承压水、地表水体渗透。沼泽相沉积层（Q41h）粉质黏土（地层编号⑦）及下组陆相冲积层（Q41al）粉质黏土（地层编号⑧1）属极微透水—微透水层，可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层。

勘察期间测得场地地下潜水位如下：地下水深2.60～4.50m，相当标高0.26～0.34m。恒定水位深度1.30～3.70m，相当于每年上升1.06～1.15m，地下水位波动约0.50～1.00m。

2.2 第一承压含水岩组

第一承压含水层：全新统下组陆相冲积层（Q41al）砂质粉土（地层编号⑧2）透水性好，为微承压含水层。上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal）的粉质黏土（地层编号⑨1）及上更新统第四组滨海潮汐带沉积层（Q3dmc，地层编号⑩1）透水性相对较差，可视为第一承压含水层隔水底板。根据场地旁兰坪路站抽水试验结果，该承压水水头大沽标高约为-0.83～-0.79m。

2.3 第二承压含水岩组

第二承压含水层：上更新统第三组陆相冲积层（Q3cal）粉砂（地层编号⑪1t、⑪4）透水性好，为微承压含水层。上更新统第二组海相沉积层（Q3bm）粉质黏土（地层编号⑫1）透水性相对较差，可视为第二承压含水层隔水底板。根据场地旁兰坪路站抽水试验结果，该承压水水头大沽标高约为-1.29～-1.18m。

3 地铁附属基坑开挖风险分析

地铁附属基坑工程的施工条件十分苛刻。地铁一般是在较发达的市区修建的。这些地区建筑楼层高、密度大，交通相对堵塞，建筑工地相对较差且狭窄，给建筑施工带来了很多不便。地铁附属基坑工程施工，需要提前对周围环境地表水方面的问题进行提前查看，明确坑周坑内的明水排放情况，注意坑周边的防护措施以及施工现场的地面硬化程度，对有可能排入施工现场的各种水源进行调查，并制订有效的堵截措施。在老黏土分布区域，更要禁止地表水渗入基坑内，避免给地铁附属基坑工程施工带来麻烦。提前做好准备工作，能够有效避免上述问题，确保地铁附属基坑施工正常运行。同时，开展地铁附属基坑工程应提前了解周围建筑的埋置深度，充分了解高层建筑的上层结构，以及地铁附属基坑周围的市政管网分布情况。对市政道路和生态环境进行详细的考察，确保地铁附属基坑施工不会对周围环境造成威胁。

3.1 边坡（护壁）渗漏

这种现象最常见于地下地铁附属基坑，主要发生在多变饱和土壤中，斜坡发生泄漏时，斜坡会坍塌或局部不稳定。据统计，大多数地铁附属基坑开挖事故的发生都与其有关。

3.2 基坑边滑移

如果在无支撑的斜坡上开挖深层结构，会由于倾斜体承载力不足而形成斜坡，从而引发基坑边滑移风险。

3.3 地面开裂、坍塌

边坡发生位移，水、砂外泄，进而导致地表结构失稳与崩塌。为避免在地铁附属基坑挖掘时因水分损失而引起地表坍塌，必须在基坑内采取排水措施。此外，局部层失水严重时，上部软土会因失水而产生较大的滑坡[3]。

3.4 底隆起

底部隆起通常发生在坡度较差的软土上，主要是由于支撑结构的淹没端变形较大，结构底部存在弱隔水层，地下水位上升或存在高水头区域可能增加地下水的渗透压力，导致基坑底部隆起。

3.5 承压水突涌

承压水突涌的原因是多方面的。

第一，地下水位高。地下水位较高时，地铁附属基坑开挖可能会遇到承压水。这种情况通常发生在地质条件复杂、地表附近有河流、湖泊或高含水层的地区。

第二，深浅埋深过渡区。在地铁施工过程中，如果基坑位于深浅埋深过渡区域，即从深埋段过渡到浅埋段或相反，由于地下水位急剧变化，可能会导致承压水突涌。

第三，施工未及时进行排水控制。施工过程中若没有采取有效的水文地质调查和合理的排水控制措施，开挖过程中地下水无法得到及时排空，并持续积蓄压力，可能导致承压水突涌。

第四，施工或支护结构破损。在施工过程中，如未严格按照设计和施工规范进行操作，或者施工过程中发生了意外事故，如管道因受侵蚀破裂、承压层破裂等，可能导致承压水突涌现象。因此，进行地铁基坑开挖工程前，必须进行详细的地质勘察和水文地质调查，并制订相应的防控措施，预防和应对承压水突涌现象。

3.6 围护结构涌水涌砂

在地铁附属基坑深部开挖过程中，其围护结构直接影响支撑系统的质量与安全。若围护结构不良，会造成地铁附属基坑基础质量差。在地铁基坑挖掘过程中，许多涌水涌砂现象是水对屏障壁的影响增加引发的，如公共屏障壁出现裂缝，导致地下水大量积聚。

4 地铁附属基坑开挖风险控制对策

4.1 边坡（护壁）渗漏控制措施

第一，尽可能快地确定和断开水源。

第二，出现砂子（流）且趋势变大的时候，应立刻将涌砂通道（预埋导流管）封闭起来，之后对涌砂区域进行加固，用水泥浆等方法进行回填。

第三，在挖掘过程中，如果因局部边坡渗漏造成了土层崩塌，一定要将松散的土层清理干净，用砂袋将塌陷的坑洞填满，并在坑洞底部埋入包网的引水管，再用水泥砂浆进行抹面，同时可以放置少量的钢筋对砂袋进行固定。如果塌方范围很广，应立即停止开挖，然后将土推出施工面，防止土壤进入塌方现场，然后将多余的土分块移除，将管道埋在水循环中，填充砂袋，将钢丝网和钢板挂在表层，然后在表层喷洒混凝土。

第四，在桩之间发生泄漏的情况下，必须埋设管道以转移水，并加强桩之间的土壤支撑[4]。

第五，合理选择材料和施工方式。选用适当的边坡（护壁）材料，并确保其具备良好的防水性能。根据地质条件和施工要求，选择合适的施工技术，如水泥浆墙、加固土挡墙等。

第六，严密监测和及时修复。对边坡（护壁）进行连续监测，包括渗漏、开裂、变形等指标，一旦发现渗漏问题，应及时采取修复措施，如注浆、堵漏等。此外，在施工过程中，必须加强对周围环境和基坑支护结构的监测，若支护结构发生大变形的情况，应及时召开专家会议，制订加固方案，并对基坑边坡进行加固。

第七，若深基坑施工正处在雨季，地铁附属基坑工程排水条件不佳，或者对坡脚处造成干扰，极易因渗漏造成滑坡灾害。因此，为防止渗漏引发滑坡灾害，需要采用下列方法：在地基上建立适当的排水口，以降低土壤的含水率，避免地表水流入基坑；严格控制开挖位置和开挖坡度等；在施工作业地面设置露天水渠，并设置专人定时抽排施工范围内的水。如果遇到暴雨，需要在斜坡上铺设塑料薄膜，以免雨水对斜坡结构产生不利影响。

4.2 支撑失稳基坑崩塌的控制对策

钢支撑是建造该地铁附属基坑开挖项目基础最重要的支持系统。当局部不稳定或变形发生时，会对整个支撑结构的性能产生负面影响，可能会发生坑崩塌等事故。为避免此类问题，可采取以下措施：

第一，合理选择支撑方式。常见的支撑方法包括钢支撑、混凝土支撑、土工材料支撑等，需根据地质条件和工程要求（如稳定性和承载能力等）选择适当的支撑方式。第二，对基坑支撑结构进行连续监测，包括温度、应力、变形等，一旦发现基坑支撑失稳或崩塌迹象，应立即采取紧急处置措施，减少损失和风险。

4.3 基底隆起控制对策

第一，基底隆起严重时立即停止开采，堆放材料或充填压力；第二，及时在基坑内部设置移动监测点，并做好现场监控；第三，底坑进行焊接加固，但不应使用对各层干扰较大的技术，同时应仔细考虑和监测减少干扰的方法；第四，加强地下水排水，并监测周围环境。

4.4 坑底承压水突涌控制对策

第一，准备足够的砂石和蛇皮袋，若是基础井突然升起，应使用蛇皮袋进行填充，然后在基础井开挖面以下使用砂浆进行浇筑。第二，根据地质情况和水文特征，合理设置排水系统，确保及时有效地排除坑底积水。第三，基坑开挖前，进行充分的水文地质勘察和分析，了解地下水位、水文特征等，为后续施工做好准备。第四，在基坑施工过程中，实时监测水位，设立预警机制，及时发现和处理水位上升的情况，防止承压水突涌。对于坑底承压水突涌的情况，可以采用降水措施，如设置抽水井、使用水封法等，将坑底的承压水分流排除，有效控制地下水位上升，降低承压水突涌发生率[5]。

4.5 围护结构涌水涌砂控制对策

根据经验，在地铁附属基坑开挖过程中，应注意采取以下控制对策：第一，如果泄漏面积小，泄漏率小，可以通过快速泵送聚氨酯或水泥来密封泄漏区域。第二，如果泄漏区域有较大的裂缝面积和大量泄漏，需要将排水管埋在泄漏点，使用钢板和快速水泥防止排水管边缘渗漏，并在密封材料达到强度后关闭排水管。

4.6 严格管理和培训

第一，制订明确的管理责任和制度。确定各级管理人员和工作人员的责任，明确工作流程和标准操作规程，确保工作规范、有序进行。第二，加强培训，促进技能提升。根据岗位需求，制订培训计划并组织培训，提高施工人员专业知识和技能水平的提升，使其具备应对工作中的挑战和任务的能力。第三，强化安全意识和文化建设。通过培训和宣传，提高施工人员的安全意识，使其养成遵守安全规范的良好习惯。第四，定期进行安全检查和评估：建立定期的安全检查机制，对施工操作流程等进行检查和评估，发现并纠正潜在的安全隐患和问题，确保工作环境安全。第五，持续改进。倡导持续改进和学习的理念，定期开展经验交流和总结会议，分享成功经验和教训，推动地铁附属基坑开挖施工水平的持续优化和提升。

5 结语

综上所述，通过合理选择开挖策略和采取相应的措施，可以减少施工风险、缩短工期、降低成本，并最大限度地保护现场的安全和环境。然而，需要注意的是，每个工程都具有其独特性和特定要求，因此在实践中还需根据具体情况进行综合评估和调整。未来通过对相关施工技术的不断研究和创新，可以更有效地提高基坑开挖的效率、质量和安全性，为城市地铁扩建工程的顺利推进提供保障。