富水复合地层地铁深基坑开挖风险分析与对策

朱育宏，陈巨武，马 卉，翟利华

(1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510335；2.城市轨道交通系统安全与运维保障国家工程实验室，广东 广州 510335；3.广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

0 引言

随着我国城镇化的不断发展，城市轨道交通的重要性日益突出，与其密切相关的复杂大型深基坑工程也成为了国内学者研究的焦点。在风险控制方面，陈太红等[1]以南京地铁2号线基坑工程为背景，从车站基坑围护及支护结构工程风险、地下水风险、环境影响风险和基坑工程二次危害四方面对深基坑工程进行了风险识别和评估。刘楠等[2]分析了铁路明挖车站宽大基坑对周围建筑的不利影响，并应用二维数值分析方法对旋喷桩咬合形成地下隔离墙的加固效果进行试算。邵志国[3]采用SOKKIA SDL30M电子水准仪、LEICA TS30自动全站仪等仪器对深基坑开挖过程中引起的地表沉降进行了监测，分析了土岩复合地层深基坑变形规律及影响因素。冯龙飞等[4]为控制基坑开挖对地铁隧道变形的影响，提出了一系列有效的施工措施。冯龙飞[5]采用MIDAS/GTS软件建立三维数值模型，分析了基坑开挖对盾构隧道变形的影响，并提出风险控制建议。在复合地层研究方面，赵俊等[6]采用FLAC3D软件对南京地铁3号线基坑工程建立了数值分析模型，从基坑开挖宽度、复合土层模量变化2方面研究了复合地层条件下基坑开挖对周围土体及隧道变形的影响。李睿峰[7]采用现场调查、数值模拟等方法综合分析了复合地层基坑开挖对周围建(构)筑物沉降的影响。在富水地层研究方面，周予启等[8]采用了一种新型的组合式止水帷幕，有效地解决了北京地铁2号线金融街(月坛)中心附近富水地层深基坑开挖支护问题。通过对现有文献调查可知，单独针对复合地层或富水地层的深基坑工程已经有了一定的研究，但是针对富水和复合地层两者并存的情况，研究相对缺失，这导致针对富水复合地层深基坑施工风险控制的对策较少。

富水复合地层情况在广州较为普遍，广州作为我国重要的中心城市，截至2018年9月，共计有13条运营轨道交通线路，总长391 km；在建线路共15条，在建里程403 km。根据《广州市城市轨道交通近期建设规划(2016—2022年)》，近期还将陆续开工建设10条(段)线路，总长约259 km，总投资约2 198亿元。在如此大规模建设的形势下，如何有效应对及控制富水复合地层深基坑开挖带来的风险，是不可回避的重要问题。本文根据广州地铁二十余年相关工程经验的累积，分析在富水复合地层中开挖深基坑的特点及风险，归纳总结出“开挖评估、预先封缝、缺陷修复、科学降水、均足回灌、精准测量、及时支撑、快速回筑”的32字建议，以期为类似工程提供必要的应对思路和有益的案例参考。

1 富水复合地层深基坑开挖特点及风险分析

1.1 地下水丰富，高水位高水压

深基坑施工中关键的问题是控水。由于特殊的地形和复杂的成陆过程，珠江三角洲的整个水系呈现出密布的网状。地下水位高，基坑大多处于富水地区，水位高的地方地表下几十cm就有水，且降水影响半径可达几百m。广州地铁8号线某车站抽水试验统计见表1。

在此地层条件下开挖深基坑存在很大的风险。富水高压地层极易产生涌水现象，并可能进一步导致基坑局部失稳。事实上，深基坑事故大多是由于地下水控制失效造成的[9]。例如：在富水条件下的细粒径砂土层，一旦产生涌水，极可能因地层中产生水路通道在水的渗透力作用下使邻近细粒径泥砂被带出形成涌砂，甚至进一步形成地层空洞，造成地表塌陷及地下管线损坏(见图1)。

表1 广州地铁8号线某车站抽水试验统计表Table 1 Pumping test statistics of a station on Line No.8 of Guangzhou Metro

1.2 工程地质条件复杂

复合地层指的是在基坑开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由2种或2种以上不同地层组成，且这些地层岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊。如广州地铁9号线2#风井场地(见图2(a))范围内基岩为中微风化灰岩，上覆盖粉细砂、淤泥质、砾砂、杂填土等，不同土层相互交互。又如广州地铁14号线太和站开挖范围内地层(见图2(b))主要为人工填土层、粉细砂、中粗砂层、可塑状的粉质黏土层、硬塑状的粉质黏土层、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩，基坑底主要位于强风化、中风化、微风化粉砂岩层中，覆盖土层有6种以上。这样复杂的地层情况，容易带来以下2种风险：

1)工程地质勘察准确度(可靠度)降低。基坑施工技术方案选取的正确性，极大地依赖于准确的工程地勘结果。而复合地层中由于各种地质情况交杂混合，容易使得勘探结果准确度不足，导致设计和施工上的误差和误判。

2)施工效果与预期不符。在实际工程中，设计和施工一般只能选择某种折中的最优方案。但是单一的施工方法是无法百分百地应对复合地层中复杂的地质情况，再加上勘探准确度的下降，施工效果未能达到预期在现实应用中是相当普遍的现象。

2 施工风险的对应措施

结合上面分析的富水复合地层深基坑开挖的特点和风险，并根据广州地铁建设相关的工程经验，提出“开挖评估、预先封缝、缺陷修复、科学降水、均足回灌、精准测量、及时支撑、快速回筑”的32字建议总结。

(a) 基坑涌水

(b) 基底土层软化

(c) 接缝涌砂引起坍塌

2.1 开挖评估

对围护结构施工记录进行分析统计，对施工过程中存在的刷壁不到位、混凝土浇筑方量不足、导管拔空等渗漏水风险点进行全面排查。对潜在的问题墙可分级管理，对有疑似质量缺陷的，要制定勘察确定方法；对基本可确定有问题的，要制定修复方案，采取加固止水补救措施。

开挖评估是防突涌风险的核心，而防渗漏是开挖评估的核心。在实际操作中，渗漏水可采取抽水试验来判断。基坑开挖前，坑外降水井保持静态不抽水状态，坑内水泵全部开启，抽水24 h后，监测坑外水位变化情况。若坑外水位有明显上下波动则说明该井位附近围护结构存在渗漏水现象，需对该井位附近地下连续墙施工记录进行排查，确定问题位置后采取加固止水措施；若坑外无变化，可先将坑内全部水泵开启，然后逐一停止其中1个并观测对应降水井内回水速度，回水速度明显较快的说明该井位附近围护结构存在渗漏水情况。例如：某车站开挖降水情况统计结果如图3所示，单井抽水过程中观测井水位下降速率较缓慢，抽水12 h后水位逐步趋于稳定，观测井水位降深明显，说明围护结构具有较好的隔水效果。群井抽水过程中，观测井水位下降迅速，2 h后水位基本趋于稳定，说明该处水位基本降至含水层底板，进一步说明围护结构具有较好的隔水效果。

(a) 9号线2#风井地质情况

(b) 14号线太和站地质情况

2.2 预先封缝，缺陷修复

在基坑开挖前，如若确定要进行加固补救，一般可采取基坑外旋喷加固的方法，保证基坑开挖安全。

对每段每层土开挖时，应由挖机配合人工采用洛阳铲对开挖范围内所有地下连续墙接缝进行探槽，每次探槽深度不超过3 m，探槽总深度以超过该层土方开挖深度为准，探挖后放置4～6 h，以确认地下连续墙接缝位置是否存在空洞或渗漏水情况，减少基坑开挖过程中因地下连续墙接缝处理不好而造成的涌水涌砂事故。同时，对每条接缝做好探挖记录表。有涌水涌砂现象时立即进行反压，坑外进行引孔注浆处理，避免基坑开挖时出现大的险情。

(a) 单井抽水s-t曲线图

(b) 群井抽水坑内s-t曲线图

开挖后，对存在质量缺陷的地方，可采取对地下连续墙接头进行注浆加固或旋喷注浆的方法进行修复。

1)当裂隙、蜂窝、孔眼处、接缝处有微量渗水且渗水面积不大时，采用填堵法。先将漏水部位凿出,凿出深度为5～10 cm,冲洗干净后将细麻丝用扁錾子塞入缝内，然后用掺入防渗剂的水泥浆或速凝型(堵漏剂)水不漏腻子对凿出部位进行封堵。

2)如漏水位置出现可见的表面水流或面积较大时，采用先排后堵法。先将漏水部位凿出,及时安装排水管，用软管引流(见图4)，将水汇集于排水管内排除,减小墙内部渗流水压，这时再将除引流管外的其他部位使用掺入防渗透剂的水泥浆进行封堵,使渗漏面积逐渐缩小,最后再堵塞排水管。

3)如漏水部位较为严重，漏水出口较大、存在较大的明水水流且有一定的水压力时，漏水洞眼有可能产生大量土砂进入出水口，无法封堵，这时应先清理漏水孔，及时用木楔堵住，并在漏水口安装引流管，并用快速水泥封堵其他部分，然后采用打孔注浆法堵漏，用电锤在漏水处周围钻孔，安装针头，压注化学胶水封堵，使得化学胶水迅速发泡填充渗流通道直至堵住漏水点。

图4 地下连续墙接缝处引流管Fig.4 Drainage pipe at underground diaphragm wall joint

4)如漏水部位出现较大通缝，水流量及水压力大到无法简单地采用木楔棉絮等处理封堵而现场又无现成黏土等进行反压时(岩层漏水)，则首先采用木楔与棉絮进行首步封堵，防止险情进一步扩大，然后堆砌沙袋制造围堰，形成空腔，于空腔中将水引流出来，采用混凝土反压后，在地下连续墙迎土面用水泥或化学浆液灌浆封堵。如现场有条件进行黏土回填反压时，首先进行黏土反压，堆砌至水压有明显减小的高度，然后在漏水处沿墙面并垂直地面插入钢板至原状土面下2 m，最后在地下连续墙迎土面用水泥或化学浆液灌浆封堵。若采取连续墙背后WSS注浆处理，应注意以下几点：

①浆液应为双液浆，因为单液浆扩散范围大，容易造成基坑变形，渗漏水处止水效果也较差；

②注浆范围取漏水处上下3 m；

③注浆管提杆压力为0.4 MPa，若压力过大，基坑监测容易报警，基坑容易变形。

特别应注意的是，如漏水处在接缝处，完成堵塞后应立即贴钢板。事实上，对于采用工字钢接头形式的地下连续墙，可能开挖时地下连续墙接头不漏水，但基坑开挖到底后发生渗漏水或涌水涌沙，而且此种风险一旦发生处理难度非常大。针对上述风险，为确保基坑开挖安全，在地下连续墙接头位置实施封钢板的处理。广州地铁在建线路采取此措施后有效避免了开挖过程中可能出现的险情(见图5)。

2.3 科学降水

在富水复合地层深基坑开挖过程中，除采用上述地下连续墙的止水法外，做好排水(降水)也至关重要，尤其是开挖范围内有砂层、淤泥、花岗岩残积土等软弱土层的基坑，做好基坑降水更是开挖的必要前提。由于复合地层的复杂性，对于不同的基坑工程，降水要求会有不同，但一般应考虑到下面几个主要因素的影响[10-11]。

(a) 封缝前

(b) 封缝后

1) 明确含水层的分布(正分布、逆分布等)、相关地下水运动的规律、不同流向及补给条件、潮汐影响等。

2)井点应尽量靠近基础边线布置，由于基坑底面对地下水位降深要求是一定的(一般降水井深度应至少能保证降水漏斗顶部在基底下0.5 m)，如果降水井中心到降水控制点水平距离减小，单井出水量也可相应减少。将井点近距离布置在基础边线附近，可有效减少所需降水量和费用。在条件不齐全时，可统一初定井深为深入基底5 m。

3)降水井间距以10 m左右为宜，降水井采用钻孔法成孔，不建议采用冲孔法(回旋钻成孔，不会对周边的地层产生击实挤密的效果，可以保证周边土体的原始渗透系数不会降低)。

如遇到深厚淤泥层，从降水来看，淤泥层采用真空降水往往能达到较好的效果。如在广州地铁4号南沙客运线站，经过真空降水井降水，淤泥地层含水量降低，土体收缩下沉固结，土质明显密实、整体性好。需要强调的是，为确保地下连续墙变形不超限，应在第1道混凝土支撑施工完成且达到要求强度后启动真空降水工作，真空降水宜降水25 d以上，时间越长效果越好，但应结合后续施工需要做出适当调整。

2.4 均足回灌

当基底基岩裂隙发育、具有承压性，与外部水系连通，且基坑周边存在敏感建(构)筑物，基坑开挖过程中降水易导致周边建(构)筑物基础失水沉降。此时可在基坑外设置回灌井，及时观测基坑外地下水位情况，发现地下水位变化异常应及时回灌。压力回灌井的作用是将基底涌上来的水，通过抽水系统及回灌系统回灌到基坑外进行补充，使涌水量与回灌量相等，以达到整个水系平衡[12]，回灌系统见图6。

(a) 示意图

(b) 布置图

回灌井布设主要原则为：

1)基坑降水可能引起较大面积沉降时，宜布置地下水回灌井；

2)回灌井布设应满足水文地质条件、回灌水源水量与水质要求等条件；

3)回灌井与降水井宜保持6 m以上间距；

4)回灌井设计时应设有水位观测井；

5)对于水文地质条件复杂、环境保护要求严格的承压水降水工程，施工过程中应根据现场监测结果不断调整优化。

按笔者经验，回灌井深度至岩面可有效防止因坑内降水或坑外水流失而造成的地表下沉风险。要达到预期的效果，施工时应注意以下几点：

1)回灌井上安装压力表及流量表，灌水量与压力要由小到大，逐步调节到适宜压力。

2)回灌井口要求密封，确保回灌时不漏水。

3)回灌压力不宜过大。在保持一定的回灌量与满足回灌效果的前提下，渗透性好的含水层中，回灌井中回灌等量的水所需的回灌压力较小；反之渗透性愈差，回灌井中所需的回灌井压力越大。当回灌流量不明显增加时，回灌压力最好不要增加，否则回灌井周围易产生突涌，进而破坏回灌井的结构。

4)回灌水体必须干净，不能是污染水体，否则会污染地下水。

5)回灌水体内不能有固体物质(如砂、土及其他杂质等)，否则会影响回灌效果。

2.5 精准测量

由于富水地层水位的变化会引起周边地层变形及沉降，因此，应做好对支护结构、周围岩土体及周边环境的监测。

在围护结构施工前，要求施工单位和第三方单位对基坑周边2倍基坑深度范围内的建(构)筑物、管线、路面进行监测并取得初始值，测初始值应不少于2次。建(构)筑物的监测内容包括水位、地面沉降、测斜、周边房屋建筑物沉降等。当支撑轴力、围护结构变形、地下水位达到设计给定的监测报警值(见表2)时，及时通知参建各方，从工程地质、现场施工情况等方面讨论分析监测值报警原因、存在的风险以及应对的措施。

在监控量测方面，可大量采用最新的信息技术和自动化技术，以采集施工中各种水文地质工程信息，如地下水位、水质、岩土体变形、土压力变化等数据，由计算机收集汇总，并及时反馈到施工中，保证施工安全[13]。

表2 一级基坑施工监测报警值Table 2 Construction monitoring alarm values for Grade Ⅰ foundation pit

2.6 及时支撑

通过20多年施工经验的积累和总结，广州地铁基坑第1道支撑和所有角撑均采用钢筋混凝土支撑，当基坑宽度超过20 m时，宜设置中立柱，以提高支撑的稳定性。位于岩溶发育区的地铁车站基坑，必须采用2道钢筋混凝土支撑以保证支护系统的稳定和平衡。在基坑开挖过程中，要时刻关注基坑监测数据的变化，并预留应急方案备用,如额外钢支撑预先放在基坑附近，当监测数据报警时及时施加。

支撑体系的设计和施工是基坑安全的关键环节。设计上应确保设计的正确性和安全性，而施工方面的重点则是严格按图施工和及时安装支撑。支撑体系应及时安装的问题在施工中很容易被忽视，会导致支撑构件超载失效的严重后果。某车站位于从化大道与从城大道交叉路口东侧，沿从化大道东西向布置。车站为地下2层岛式站台车站，总长度为240.7 m，标准段宽度为19.7 m。标准段基坑深约16.69 m，采用连续墙+3道内支撑的支护方式，其中地下连续墙为800 mm厚，标准段幅宽6 m。支撑系统采用至上而下2道混凝土支撑和1道钢支撑。车站上覆地层由上至下分别是人工填土层〈1〉、淤泥质土层〈4-2B〉、中粗砂层〈3-2〉、砾砂层〈3-3〉、粉细砂层〈3-1〉。当基坑开挖至底板基底时，发现第2道混凝土支撑部分轴力值有明显增大的趋势，支撑轴力监测值超过报警值。现场抢险分析原因为：相邻段地质情况与本段差异明显，土方超挖较大同时钢支撑安装滞后。当时相邻底板正进行钢筋制作安装与防水铺装工作，基坑侧向土压力作用至地下连续墙并传递至混凝土支撑，致使第2道混凝土支撑轴力明显增大。现场采取停止土方开挖、加密监测、加快第3道钢支撑的架设、在轴力增大的第2道混凝土支撑旁增加临时钢支撑(见图7)等措施，确保了基坑安全，使得后续工序施工能够顺利进行。

2.7 快速回筑

基坑开挖至基底后，快速浇注混凝土垫层对基底进行封闭(见图8)，以缩短基底暴露的时间，防止大气降水等不利因素对基底的影响，特别是花岗岩残积土地层，因其遇水会快速软化崩解[14]，更要做到快速封底，以避免支护结构踢脚破坏或基底隆起破坏。此后快速施工各楼层板形成永久横向水平内支撑，使地下结构形成一体达到稳定。

基坑在开挖到基底时采用机械与人工相配合的施工方法。机械开挖到距设计底板底面以上300 mm时停止开挖，人工清除剩余土体并平整场地，这样做可严格按照设计图纸施工，避免超欠挖。

基坑开挖到位后，进行开挖工作面验槽，验槽合格后方可进行下道工序施工。防水施工在垫层混凝土强度达到设计值的75%后进行，防水保护层在防水施作完成后进行，防水保护层厚150 mm。底板混凝土浇筑属于大体积混凝土浇筑范畴，按照大体积混凝土施工要求做好混凝土振捣和养护工作。

(a) 一般情况

(b) 加临时支撑

图8 快速绑扎钢筋浇注底板混凝土Fig.8 Rapidly rebar binding and baseboard concreting

3 结论与讨论

通过对广州地铁深基坑施工经验总结，提出“开挖评估、预先封缝、缺陷修复、科学降水、均足回灌、精准测量、及时支撑、快速回筑”的32字施工步序和对策，其中：

1)“开挖评估、预先封缝、缺陷修复”强调围护结构自身的完整性及止水能力，使围护结构具备设计预期应对各种复杂地质情况的能力。

2)“科学降水、均足回灌、精准测量”集中应对富水情况带来的风险并将其极小化。

3)“及时支撑、快速回筑”也适用于一般的深基坑工程，是整个32字逻辑体系不可缺少的部分，确保了有序迅速地完成(相对于结构完成状态)高风险的施工过程。

上述32字建议层层相扣，强调风险预估和分析及风险控制措施的前置，为富水复合地层深基坑的安全施工提供了必要的安全储备。如开挖前进行质量评估、降水试验，预先布置缺陷修复措施等，无不是围绕着开挖时防渗漏突涌这个中心问题。

针对富水复合地层深基坑开挖风险分析与控制的问题还有很多方面需要继续研究和深化，如施工工程管理和抢险应急方案的优化等。系统化地研究这些问题可有效降低同类工程的施工风险，确保基坑安全的同时降低对周边环境的影响，并起到指导施工和工程管理的作用。