地铁施工中深基坑涌水分析和处理措施研究

郭 水

(北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089)

0 引言

近年来，随着工业化、城市化进程的推进，我国在地下空间开发利用方面有了长足的发展，特别是以城市地下道路、综合管廊、地下商业、地下车站等为主导的城市地下空间开发进入到快速增长阶段。

明挖法是地下空间施工中的施工技术，例如城市地下工程及高层建筑的地下室工程，以明挖法为主。明挖法以其独特的优点被广泛地应用于地下工程施工建设当中，明挖基坑由于受地质、水文条件影响较大，存在着大量不可预见的施工质量影响因素。本文结合北京某标段地下工程，阐述了在承压水地层中，明挖法基坑施工过程中突发涌水时的处理措施。

本工程位于北京市通州区，明挖区间基坑位于待开发的土地内，施工环境较好。基坑总长度159.6 m，主要包含以下特点：1)基坑宽度较宽：标准段宽度为35.8 m；2)基坑深度较深：标准段深度22.49 m；3)基坑内设置2排格构柱，格构柱间距10.8 m。围护结构采用地下连续墙+内支撑形式，地下连续墙厚度800 mm，C30混凝土，地下连续墙之间采用工字钢接头。地连墙标准段墙深为28 m，墙底进入基坑底面下⑦-4粉质黏土层约为0.36 m～2.2 m。

内支撑体系采用竖向4道撑，第一、二、四道采用φ609×16 mm钢管撑；第三道采用φ800×20 mm钢管撑(斜撑第三道、四道φ800×20 mm钢管撑)，除第一道撑水平间距6 m，其余间距3 m；基坑内中间设两道临时格构柱，纵向间距6 m，临时立柱下为桩基础，直径1.2 m，长8 m。

土方开挖情况：基坑土方开挖严格按照“纵向分段、竖向分层、中部拉槽、先撑后挖、随挖随支”的原则进行。开挖主要以机械化作业进行开挖，每层土方开挖至钢支撑标高下500 mm时安装钢支撑，安装时间不得超过24 h，并施加预应力。中部拉槽土方开挖时，纵向分段长度不大于8 m，段间土坡比不大于1∶1，竖向分层的高度不大于6 m，中拉槽两侧的土台顶面宽度不小于2 m，放坡比不大于1∶1。

工程地质水文情况：基坑开挖范围内地层以素填土、砂质粉土、黏质粉土、粉细砂层为主[1]；地下水为潜水(二)、层间潜水～承压水(三)、承压水(四)、承压水(五)，实测承压水(五)细砂层水头标高为12.5 m，承压水(五)的测压水位位于结构底板以上约9 m。

地下连续墙施工情况：地下连续墙施工采用成槽机一槽三抓法施工，泥浆护壁，成槽后及时进行清孔和刷接头，然后进行钢筋笼下放和混凝土浇筑，钢筋笼下放完成至混凝土开始浇筑时间间隔不超过4 h，混凝土浇筑过程中未发生中断及下雨现象。基坑土方开挖前采用声波透射法进行地连墙桩身完整性检测，检测结果合格。

1 基坑的渗流稳定分析

基坑底部的渗流稳定性计算，包括以下三个方面：

1)当基坑底上部为不透水层，而基底下的透水层中有承压水时，应进行抗突涌和流土稳定性计算，保证透水层顶板以上到基坑底部之间土体重量大于水的浮托力Pw，安全系数为：

K=(γsat)/pw·t

(1)

其中，γsat为土的饱和重力密度，本工程取γsat=20 kN/m3；t为透水层顶板到坑底的厚度，t=7.75 m(承压水(五))；pw为承压水的浮托力，kN，pw=γhw，hw为透水层顶板以上的水头，m。一般要求K≥1.1～1.2。

pw=γhw=10 kN/m3×11.6 m=116 kN/m2。

K=(γsat)/pw·t=20 kN/m3×7.75 m/116 kN/m2=1.34≥1.1～1.2，满足要求。

2)当坑底以下为粉土和砂土时，需验算抗管涌稳定性，使该地基的渗透比降i小于该地层的允许渗透比降[i]。通常粉细砂地基约为[i]=0.2～0.3。

3)当基坑底部以下地基为黏性土与砂土层互层时，应进行上面两项渗流稳定核算，特别是当黏性土很薄时，应当核算该层土的渗透比降是否满足要求。在多数情况下，应把渗流计算出来的hd作为基坑地连墙入土(岩)深度的最小限值，以保证基坑不会发生渗透破坏事故。

2 涌水处理原则

明挖基坑施工过程中出现涌水情况时，首先确认涌水位置、涌水范围；根据现场实际涌水量，判断涌水事故严重程度；及时掌握基坑内外地下水位变化情况，采取有效措施保证基坑安全稳定。

当涌水量较小，仅浸湿坑底表面土层，且未出现明显水流时，可根据现场水位情况，停止施工，采取坑内回填反压措施，控制初期涌水。

当涌水量较大，开挖面出现明显水流溢出时，立即停止施工，涌水范围内全部进行回填反压(回填高度至顶层不溢水)，加大降水力度，采取基坑降水明排措施。

当涌水量非常大，坑内土层出现水坑，且地下水不停向上翻涌时，立即停止施工，在涌水范围外加设堵水围堰，坑内采用碎石材料进场滤水反压，围堰内加设抽水泵进行抽水，基坑内外降水井增大降水功率，坑外增设减压井降低承压水水头，将地下水位控制在基坑底面以下1 m。

初期涌水得到有效控制之后，及时对涌水原因进行分析，对涌水部位进行注浆加固等处理措施，保证基坑安全稳定。

3 涌水发生及原因分析

3.1 涌水事故发生

根据基坑监测数据及施工资料显示，明挖区间开挖至距基底80 cm左右，现场在清理槽底土过程时，发生涌水现象，出现涌水基坑内的4道支撑已按设计图纸架设完毕，实测承压水(五)水位标高12 m，由于初期涌水量非常大，出现4个涌水点，施工现场立即启动应急预案，停止土方开挖并回填超挖土方，采用级配砂石进行滤水反压，并在周围设置拦水围堰，根据涌水量调集4台水泵进行抽水外排，加强基坑巡视、监测频率，检查钢支撑轴力变化，待坑内涌水水头稳定后，砂土流失造成地面沉降外侧采用注浆填充,如图1所示。

基坑发出涌水时基坑监测数据为：墙体最大位移26.53 mm，位于墙体h=15 m处；地表最大沉降为-25.55 mm。

3.2 基坑涌水原因分析

经过查阅地质资料以及根据多年的施工经验总结出涌水问题的原因如下：

1)基坑开挖范围内地质情况主要各层呈互层状分布，存在透镜体夹层，地质条件复杂。开挖范围内富含多层地下水，且比详勘时水位普遍抬升，地下水位高。涌水发生后，对区间地质水文情况进行补勘，实测承压水(五)水头标高12.5 m比详勘水头标高8.8 m上升3.7 m，水头压力增大。

2)基坑涌水初步判断水头增大、隔水层有起伏突变造成坑外水绕过地连墙从基坑内涌出。

3)在这种地质条件下，地下连续墙设计嵌固深度不足。

4)基坑围护结构地下连续墙接头形式为工字钢接头，接头处无加固、防渗水设计，在地质条件复杂的富水砂层地区易出现墙体接缝处渗漏水现象。

结合工程实际情况，此次涌水问题发生的主要原因在于地下连续墙设计深度不足，墙底未嵌入隔水层或嵌入深度过小，导致地下水绕过墙底进入基坑。

盾构井段基坑较深，地层情况复杂，存在地质断层，地连墙设计时根据初勘地质情况及水位进行设计，墙底嵌入隔水层仅2 m左右，隔水层⑦-4粉质黏土层较薄。工程施工阶段，地下水水位上涨3.7 m，透水层顶板以上到基坑底部之间的土体重量不足以抵抗水的浮托力，且地层存在局部断层现象，最终导致基坑发生涌水。

4 涌水处理方案

以地下工程实际情况为依据，根据分析意见，基坑坑底涌水主要处理方法可归纳为基坑内外侧同时处理，即基坑内侧堵水、排水、地层加固，基坑外侧降水、隔水、加强观测[2]。

4.1 初期涌水控制

对于高承压水下基坑涌水现象，在涌水初期首先要控制基底砂土的流失，发生涌水时，立即停止施工，将超挖土方回填至原位置，采用粒料砂石或无纺布水泥袋等材料进行滤水反压，削弱涌水流量(必要时可用低标号混凝土回填)；然后在涌水区域外围设置一道拦水土坝，土坝高度需高于涌水液面1 m以上，防止涌出的水扩散至基坑其他位置；最后控制土坝内涌水液面稳定不上涨，现场根据实际涌水量大小，设置多台水泵进行抽水作业，防止事态进一步扩大。阻水控制如图2所示。

4.2 基底土体加固

由于涌水造成基底土体流失、松散，高水头压力下开挖仍具有较大的风险，为保证基坑开挖顺利进行，需进行坑内土体加固处理。

在开挖至基底以上1.5 m后进行基底土体加固。加固范围为涌水区域的地下连续墙内侧，将突涌对墙体根部可能造成的扰动部分进行加固，加固部分形状为“L”形，长度为13.6 m，宽度为2 m。

注浆范围内采用速凝的浆液即A液(水泥浆采用普通硅酸盐P.O42.5水泥,配合比为水∶水泥=1∶1)和B液(水玻璃采用浓度42 Be′，配合比为水玻璃=1∶1)及C液(速凝剂)的混合浆液注入地层[3]。注浆压力:注浆终压为0.8 MPa～1.0 MPa。扩散半径:浆液扩散半径为500 mm。注浆加固范围如图3所示。

4.3 减压降水措施

由于承压水水头较详勘时高，坑内土体厚度不足以抵抗来自基底的水压力，从而造成涌水现象。基坑外减压降水是防止基坑涌水问题最有效的措施之一，根据工程水文、地质条件及减压降水深度，计算基坑涌水量(见表1)，确定减压降水井数量及布置方式。

表1 涌水量计算参数表

根据基坑涌水量确定减压降水井需配备24眼，在东西两侧应急设置，设计井深均为37.0 m，穿过⑦-2细砂层进入⑦-4粉质黏土层，井间距6.0 m，降水井均采用无砂混凝土滤管井，降水井上部5 m用黏土封填，下部32 m用1 mm～3 mm滤料填充，具体布置如图4所示。

4.4 坑外补充注浆

基坑内涌水量较大，导致围护结构外侧土体松散，局部出现空洞，硬化地面出现不同程度的沉降，为保证下一步施工正常进行，需进行地面补充注浆加固。

在涌水位置外侧，基坑周边上打设注浆孔，通过地面注浆孔向围护结构外侧土体进行注浆加固，此部分与坑内土体注浆加固同步进行，注浆时要保证浆液扩散充分，注浆压力不得过大，注浆终压控制在0.8 MPa～1.0 MPa，防止因注浆压力过大造成地下连续墙位移或开裂。

4.5 支撑轴力补加

对涌水区域周围的地下连续墙钢支撑体系节点进行系统的检查，检查区域内外格构柱、连系梁的位移变化情况，对连接关键位置进行焊接补强。

4.6 打设观测井

在基坑南北两侧分别打设一眼水位观测井，加强基坑周边的水位观测，委派专职人员每天三次对水位情况进行观测，随时掌握地下水位变化情况，收集整理水位观测数据作为基坑稳定的一项重要依据。

5 基坑监测

涌水发生后立即安排监测小组对基坑及硬化路面进行监测，主要监测项目包括：地下连续墙倾斜状况、地下连续墙墙顶位移、钢支撑轴力变化、硬化路面沉降、基坑内外观测井水位变化情况等内容，施工过程中加强监控量测及现场巡视，并及时对监测数据进行分析，各项数据均处于稳定状态且满足设计允许范围内，基坑及周边路面处于安全可控状态[4-5]。

6 结语

根据进一步基坑监测数据显示，经过涌水处理后，基坑涌水现象得到迅速缓解，并为后续施工创造了有利条件。基坑涌水处理要注重对围护结构内外侧同时进行处理，采取多项处理措施，并保证每项处理措施均得到切实有效的落实，堵水、排水、加固、降水相结合，共同保证基坑施工的安全质量。

对于深基坑来说，宜首先采用地下连续墙做支护，深基坑主要防渗的预控措施有：

1)结构底部加长。

2)底部或在坑外(内)侧采用水泥帷幕灌浆或高压喷射灌浆(土层)。

3)坑内降水(承压水或潜水)。

4)坑外降水(承压水或潜水)。

5)基坑坑底加固(高压旋喷灌浆或水泥搅拌桩)。

另外地连墙作为支护结构时，其结构强度(配筋)所需要的入土深度常常较小，所以为了防渗需要而接长的那段外，一般不必配置钢筋。

对于解决基坑涌水问题需从多方面入手，在勘察阶段要保证勘查数据的准确性，并在地层复杂区域加密勘察点；在设计阶段需要充分考虑隔水层厚度与地下水水头高度，保证地连墙嵌入隔水层深度满足要求；在施工阶段要严格按照规定进行开挖，不得超挖，及时记录地层实际情况，发现问题，及时处理。基坑发生涌水时，若不及时进行有效处理，轻则致使基坑浸水，影响地基强度，重则造成基坑坍塌，危及人员生命安全并造成重大经济损失。

本次基坑涌水处理过程中采取的各项处理措施及时有效，为解决高承压水下深基坑开挖涌水问题处理提供了依据，在地下工程明挖基坑施工过程中起到了较好的效果。