富水砂层深基坑施工管控技术

沈钢

中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司 上海市 200000

1. 工程概况

1.1 工程简介

5号线金山站为地下三层岛式车站，与2号线金山站十字交叉、T型换乘设置。车站位于金洲南路与金祥路交叉口，沿金洲南路南北向敷设。交叉口东北侧为采菊苑，东南侧为待开发地块，西南侧为摘仙苑，西北侧为金山小学。基坑开挖深度23.1～24.8m，基坑长304.0m，标准段宽23.1m，端头井27.2m。主体结构分3个基坑。

图1.1-1金山站周边环境图

车站采用二道砼支撑（水平间距约6m）+三道∅800钢支撑（水平间距约3m）+一道倒换∅609钢支撑的内支撑形式（中庭段二道换撑）。

表1-1 金山站围护、基坑工程性质一览表

1.2水文地质

根据勘察报告金山站有3类地下水，主要为潜水、承压水和基岩裂隙水：

① 潜水：水位埋深1.30～4.50m，水位标高3.37～6.28m，含水层主要为粉细砂<2-5-1>层、粗中砂（稍密）<2-5-2>层、粗中砂（中密）<2-5-2>层，含水层底板主要为淤泥质土<2-4-2>层隔水层，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。

② 承压水：埋深7.80m，水位标高0.00m，承压水头约29.54～42.95m，含水层主要为粉细砂<3-2>层、中粗砂<3-3>层和卵石<3-8>层，含水层顶板为淤泥夹砂<2-4-4>层和粉质粘土<3-1-1>层隔水层。主要接受侧向径流补给，以侧向径流方式排泄。拟建场地地下水水位随降水量不同年变化幅度约2.5～3m。

③ 基岩裂隙水：基岩裂隙水赋存于深部花岗岩的碎块状强风化及中等风化带中，由于裂隙张开和密集程度、连通及充填情况都很不均匀，所以裂隙水的埋藏、分布及水动力特征非常不均匀，主要受岩性和地质构造控制，透水性及富水性一般较弱，补给来源主要为含水层侧向补给和上部含水层垂直补给，具弱承压性。标段所经地区的地表水发育，沟渠纵横，水位受季节影响较大。地下水类型主要有孔隙潜水、岩溶水，主要靠大气降水补给。典型断面位置地质横剖面图如下：

图1.2-1 横断面地质剖面图

1.4 环境风险

1.4.1 周边环境风险

（1）周边建筑物

车站东北侧为采菊苑，为6～7层住宅，基础为管桩，距离车站主体基坑约10m；西南侧为摘仙苑，为6～7层住宅，距离车站主体基坑约146m；车站小里程端为横江渡河，河宽14m，深4m,距离主体基坑最近距离约39m；西北侧为在金山小学地块，主教学楼5层，距离车站主体基坑约41.5m。

（2）与运营2号线十字交叉

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013,新建车站为既有线运营线路强烈影响区(A)的重大风险工程，接近程度为非常接近，作业影响等级为特级，保护要求高、安全风险大。

图1.4-1 5号线金山站与2号线金山站位置示意图

1.4.2 地质水文风险

（1）地质复杂

本工程开挖范围内主要分布潜水含水层及第<2-4-2>层淤泥质土，潜水含水层主要为中粗砂，地下水量丰富。围护结构漏水不易控制，会导致周边建筑物沉降过大。

底板位于淤泥质土。淤泥质土含水量高、孔隙比大，土质软弱，具有高压缩性、高灵敏度、低强度的特点。基坑变形不易控制。

（2）水文复杂，潜水含水量大，承压水水头高

潜水位埋深1.30～3.80m，水位标高3.57～6.28m；承压水水头埋深7.80m,在地面以下37.0～50.1m，坑底以下为承压含水层，包括3-2层粉细砂及3-8层卵石。承压水头基坑承压水突涌风险大。

1.4.3 施工技术风险

（1）超深地连墙入岩隔水效果

围护已理论上将承压含水层隔断，但地墙深近70m，处于粗中砂、淤泥质土、粉细砂、卵石层及强风化花岗岩层，地质条件复杂。围护止水效果存在不确定因素，则易在坑内外巨大水头差下，形成侧向管涌现象，造成坑外水土流失，可能造成坑外沉降或基坑失稳。

（2）与2号线地墙接缝止水效果

金山站南区二期和北区地连墙施工中发现换乘节点处地墙接头混凝土绕流严重，扰流深度从地面下10m至45m，最大绕流宽度达1.2m，虽然我方已采取冲击钻、旋挖钻配合成槽机处理，但仍存在较大的接缝渗漏水风险。

（3）承压井井壁突涌风险

坑内承压井穿透隔水层至承压水层，降压井施工及井壁回填质量控制不到位会导致承压水顺井壁突涌的风险。根据调查福州仓山区域此类事故出现较多。

2. 基坑施工方案

2.1 总体施工流程

车站深基坑施工顺序为：围护结构施工→基坑加固→降水→第一层土方开挖及砼支撑、圈梁施工→基坑开挖条件验收→第二层土方开挖及钢支撑架设→第三层土方开挖及砼支撑、腰梁施工→第四、五层土方开挖及钢支撑架设→第六层土方开挖及人工接地网施工→垫层浇筑→底板施工。

2.2降水方案

2.2.1潜水含水层降水

（1）采用管井对开挖范围内的含水层进行疏干降水，并提前10天进行预抽水。

（2）为加强井点保护及延长抽水时间，将部分疏干井靠近支撑搭设辅助平台进行管理。

（3）在坑外针对水量较丰富的<2-5-2>层中粗砂设单独的观测井，实时观测坑内抽水时坑外的水位变化，并在基坑开挖前进行预抽水试验，检验基坑开挖段地墙的整体封闭性。

2.2.2承压含水层思路

（1）为避免过早开始降承压水位，在坑内单独对承压含水层设置降压井，进行降压。

（2）根据按需降水的原则，随着开挖深度的增大，逐步降低承压水位，在坑内设置独立观测兼备用井。

（3）在坑外针对承压含水层设单独的观测井，实时观测坑内抽水时坑外的水位变化，并在基坑开挖前进行预抽水试验，检验基坑承压含水层段地墙的整体封闭性。

2.3开挖方案

2.3.1 开挖顺序

根据本车站交通组织及施工环境情况，金山站分南北区，且金山站南区设一道封堵墙，主体结构形成3个基坑先后进行施工。其中基坑A位于南区封堵墙南侧，长94.4m，分4个结构段施工。

图2.2-1 金山站主体结构分段图

竖向区域划分

第一层土为冠梁支撑底部，基坑开挖前已完成施工。

图2.2-2 基坑A土方分层土

2.3.2 基坑开挖方法

（1）第二层土方开挖

第二层土方开挖需等到开挖条件验收合格后开始开挖。

至第二层土方，此时由于挖掘深度逐渐加深，需采用长臂挖机开挖或小挖机倒土配合施工。在基坑东西两侧设置两台长臂挖机，基底堆土采用2台小型挖掘机配合。其中因第二层（第一道混凝土支撑到第二到钢支撑）之间土层厚度为6.5m，为保证施工安全，本层土方分两层施工，因中间无支撑阻碍，挖机在上层开挖出一定工作面后，行驶至下层开挖出钢支撑位置，保证两层土放坡面台阶宽度不小于6m。

（2）第三层土方开挖

待第二层土方开挖出一定工作面，且已开挖部分钢支撑已施工完成。调配其中一台长臂挖机和小型挖机开始第三层土方开挖，另一台继续开挖第二层土方。

第三层土方开挖出一定工作立即施工腰梁及第三道混凝土支撑。

（5）第四～六层土方开挖

待三道混凝土支撑达到设计强度，开始开挖第四层土方。开挖方式同上层土方开挖。第六层土方深度约20-25m，超出长臂挖机能力范围，采用两台小挖机配合抓斗开挖运输土方。根据设计图纸，端头井第五道钢支撑底部至开挖面底部距离为3m，为确保施工安全，挖机顶部至钢支撑底部需预留一定距离，故第六层土体开挖时挖机仅能沿钢支撑间隙开挖。基坑开挖至基底以上30cm时，采用人工配合挖掘机清底，避免超挖扰动基底。

2.4支撑施工方案

2.4.1钢支撑施工

（1）土层开挖至支撑架设位置后，焊接三角托架。

（2）本工程钢支撑最重9t，基坑宽23.1m，选用80t履带吊。

（3）钢支撑吊装到位后，先不松开吊钩，将一端的活络头拉出顶住钢板，再将2台液压千斤顶放入顶压位置，为方便施工并保持千斤顶加力一致，2台千斤顶用托架固定。千斤顶一端顶在钢板上，一端顶在底座上，接通油管后即可开泵施加预应力，预应力施加到位后，用钢楔块撑紧端头处的缝隙并焊牢。然后回油松开千斤顶，解开起吊钢丝绳，完成这根支撑的安装。

（4）钢支撑在施工过程中要求对每道钢支撑施加预应力，对支撑施加压力的千斤顶应有可靠、准确的计量装置。为控制墙体水平位移，钢支撑必须有附加预应力的装置，每道支撑设置后需对所有支撑从上往下附加预应力。在第一次加预应力后12小时内观测预应力损失及墙体水平位移，并复加预应力设计值。

钢支撑固定端环节后，在钢支撑活动端安装千斤顶，施加设计预加轴力的50%后暂停，检查钢支撑及各部件的情况，若出现不正常位移或变形，应及时采取有效措施处理。若保持正常状态，可继续施工预加力，现不正常情况，及时处理。

2.4.2混凝土支撑施工

（1）使用挖掘机进行土方开挖至第三道支撑面，机械开挖底标高为第三道支撑底，人工将混凝土支撑范围内土方开挖至支撑底以下5cm，并进行场地整平。

（2）人工将连续墙面渣土进行清理，对预埋钢筋位置定位，人工采用风镐将地下连续墙内预埋钢筋凿出。凿出预留钢筋后将钢筋调直， 进行下道工序。

（3）使用挖掘机配合人工平整底面并浇注 5cm厚砼胎膜，宽度 1.2m，然后铺设油毛毡。油毛毡铺设前必须拉线放出斜撑中心线位置，保证油毛毡位置不偏移。

（4）地墙预埋钢筋凿出后，调直，锚入腰梁上排主筋下侧，绑扎腰梁和支撑钢筋，立模板浇筑混凝土。

3、关键管控要点及实施效果

3.1对基坑降水实行施工及运营的全过程管理

①在降水井施工过程中，由工程部部长全面负责降水井施工质量，现场技术人员对降水井施工各道工序均需严格把控，成孔深度、入卵石层深度、井管焊接、滤网安装、回填滤料、回填止水材料、洗井等各工序均直接影响后续降水效果。

②开挖前,做好降水试验。通过现场抽水试验测定承压含水层的初始水头，并判断临界开挖深度；判定已施工的围护结构（地连墙）对含水层的隔水效果；测定降压井的单井实际涌水量，并合理配置水泵型号指导今后降压深井的运行。

③在基坑开挖过程中，由总工牵头，过程部长负责，每天对降水运营情况进行监控及数据的总结分析。现场实行24小时值班制，值班人员应认真做好观测水位变化的记录，做到准确齐全。降水运行过程中对降水运行的记录，对停抽的井应及时测量水位，每天1～2次，对于水位出现的异常应及时分析整理。同时针对金山站水文地质的复杂性和保证深基坑开挖的安全性，引进了水位自动检测系统和停电报警系统，实时监控。

其中金山站南一区基坑由于降水井施工质量较差，在开挖中发现，承压井水位降不到安全水位。项目部立即停止开挖，保证开挖面在承压水头之上。邀请专家研讨，后重新招专业队伍进行补井施工，共补充5口降压井，并抽水试验成功后继续开挖。此后安全开挖到底。北区及南二区降水井施工及运营质量都得到有效管控，基坑安全封底。

3.2围护结构施工质量及预处理措施

①要严格控制围护结构施工质量，并做好施工原始记录，为预处理提供准确依据，尤其是地墙接缝位置，有较大的渗漏水风险。

②换乘节点新旧地墙接缝位置，通过超声波检测发现原2号线施工地墙H型钢接头从地下8m位置开始到地下40m位置混凝土绕流现象严重。针对绕流混凝土采用李旋挖钻和冲击钻配合处理。并对地墙接缝止水优化。将原设计5根Φ800@600三重管旋喷桩，加强为采用4根，桩径3.5m的MJS工法桩，加固深度增加到深入卵石层，桩长42m。

③根据地墙施工记录，开挖前对存在问题部位进行预处理，根据记录情况对存在问题地墙外侧采用mjs桩或者后退式注浆工艺。开挖时，严控地墙接缝位置，观察是否有渗漏水情况。针对金山站的地质特点，在开挖后发现地墙墙缝具有通长渗水和轻微漏水情况下，就立即安排相应位置坑外进行垂直注浆，采用后退式注浆工艺。通过以上措施，金山站主体结构在开挖过程中未出现一起漏水应急情况。

3.3开挖过程中探挖及渗漏水处理

开挖过程要求先挖出地墙接缝位置，第一时间对开挖面地墙表面进行观测，尤其是地墙接缝位置观察是否有渗漏水情况。在金山站整个基坑开挖过程中出现以下几种渗漏水情况。

①轻微渗水，无明显压力

墙缝或墙体出现轻微渗流情况，不具备明显水压力，可以用聚氨酯进行处理。或对渗漏位置墙身进行适当剔凿，利用双快水泥进行抹面封闭。 依靠巡视发现，及时处理，避免扩大。

②整条接缝渗水，一直有湿渍。

在开挖到腰梁支撑位置（约12m）深位置，发现墙缝通长渗水，我们立即采用注浆机在坑外墙缝位置进行注浆，注浆深度至基坑底下3m至开挖面。浆液采用双液浆。整个金山站共处理过15条墙缝，下层开挖后，墙缝未出现过渗漏水。

③ 点漏水，周边无夹泥夹

金山站北区开挖过程中，在开挖到底后，有一点位置漏水，水有一定压力，原计划采取坑外注浆措施，但由于此位置坑外位置有电力管线，不易取孔注浆。后采取了水平注浆，浆液先采用双液浆，待水堵住后，继续注入水泥浆。后续此处不再漏水。

3.4土方开挖及支撑管控

（1）基坑开挖必须在围护结构封闭且地墙、冠梁和第一道混凝土撑达到设计强度后进行。围护结构周围10m地面超载不得大于20Kpa，基坑周边2m范围内不得堆载。

（2）基坑开挖时，其纵横向放坡应根据地质、环境条件取开挖时的安全坡度。必须分段、分层、分区、对称进行，不得超挖。每次开挖至钢支撑顶面后，再对支撑位置进行掏槽，及时施作钢支撑，严禁超挖。底纵梁两侧采用45度放坡。

（3）纵向放坡开挖时，应在坡顶外设置截水沟或挡水土堤，防止地表水冲刷坡面和基坑外排水再回流渗入坑内。当施工期较长，特别在冬季和雨季施工停歇时间较长时，开挖边坡面宜及时采取钢筋网喷混凝土或采用毡布覆盖，坡顶设置挡水堤、平台面设置截水沟等措施护坡。

（4）基坑开挖后，应及时设置坑内排水沟和集水井，防止坑内积水。

（5）土方开挖的顺序、方法必须与设计工况一致，开挖第一层土时每一段的开挖长度一般不超过12m；其他各道支撑开挖时，每小段长度一般不超过6m（一幅地墙宽度），每幅地墙上2根钢支撑需连续架设和加力，防止地墙不均匀受力导致接缝变形，开挖时间和钢支撑的安装时间在12小时和8小时。

（6）基坑开挖时严禁大锅底开挖，开挖至基底以上0.3m时改用人工开挖至基底，及时封底，尽量减少对基底土的扰动。

（7）施工时严禁挖土机械碰撞支撑、立柱，严禁施工机械在支撑上行走，作用在支撑表面的荷载不得大于2kPa。第一道混凝土斜撑不得作为施工栈桥使用。

（8）支撑应力复加以环境监测数据检查为主，以人工检查为辅。环境监测主要是测量支撑轴力变化，假若轴力值减小，应及时复加预应力。人工检查的目的是控制支撑每一单位控制范围内单根松动的支撑轴力（以榔头敲击无控制点的支撑活络头塞铁，视其松动与否决定是否复加）。复加位置应主要针对正在施加预应力的支撑之上的一道支撑及暴露时间过长的支撑，监测数据支撑轴力低于预应力值的支撑应复加预应力。根据支撑轴力监测数据检查须复加预应力的，复加应力的值应控制在预加应力值的110%之内。

3.5 监测预警情况

5、结语

深基坑工程必须要提前正确并全面的预判各种分险并制定措施，包括周边环境风险、作业环境风险，技术环境风险等。金山站通过施工前的施工调查及方案研讨，明确了各项风险源，并通过针对性的管控措施，围护结构预处理、降水、渗漏水等管控措施，保证了整个基坑安全封底。

对类似此类水文地质的深基坑施工中，施工单位要重视降水方案设计、降水井施工及降水运营的全过程管理。同时要通过施工记录及谈挖等措施提前预判风险，提前处理。