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        地鐵附屬基坑開挖策略研究

        2023-11-21 10:22:32田曉琳
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2023年22期
        關(guān)鍵詞:承壓水含水層基坑

        田曉琳

        (中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司,北京 100041)

        0 引言

        城市地鐵工程具有施工體積大、建筑單元多、地層及周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工程序多、技術(shù)要求高、施工時(shí)間緊張等特點(diǎn),要求施工過人員能夠準(zhǔn)確識(shí)別地鐵附屬基坑開采風(fēng)險(xiǎn),制訂相應(yīng)的防范措施,以防止對(duì)地鐵附屬基坑開采造成不良影響。所以,對(duì)地鐵基坑工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和控制有重要意義。

        1 工程概況

        該車站為天津地鐵8 號(hào)線一期工程起點(diǎn)站,位于資陽(yáng)路和羅平道交口西側(cè)綠水園內(nèi),車站主體沿綠水公園南北方向布置(如圖1)。

        圖1 基坑總平面布置圖

        該站有效站臺(tái)中心里程為DK16+779.638,設(shè)計(jì)起訖里程:左線為DK16+337.790—DK16+863.938,右線為DK16+343.110—DK16+863.938,車站范圍內(nèi)主線之間的距離為15.7m;為島嶼式終端平臺(tái),有效平臺(tái)寬度為12.5m,標(biāo)準(zhǔn)部分為地下兩個(gè)三柱延伸矩形框架結(jié)構(gòu),總寬度為21.6m;平臺(tái)中心面板底部約為16774m。該站設(shè)置四組風(fēng)亭,兩個(gè)出入口。其中,1 號(hào)、2 號(hào)風(fēng)亭為車站主體頂出、3 號(hào)風(fēng)亭和D 號(hào)出入口位于變電站東側(cè),4 號(hào)風(fēng)亭位于車站西側(cè)。所有子結(jié)構(gòu)均位于地下,且是在開鑿坑之前建造的?;涌偲矫娌贾脠D如圖1 所示。

        地鐵基坑附屬結(jié)構(gòu)的支撐體系是指用于支撐、穩(wěn)定、保護(hù)基坑四周土體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),常見的支撐形式一般包括以下幾種:

        第一,鋼支撐。利用鋼材組成的支撐系統(tǒng),常見的形式有鋼梁和鋼板樁等。鋼支撐具有較高的強(qiáng)度和剛度,適用于不同地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)[1]。第二,混凝土支撐。使用澆筑混凝土形成支撐體系,常見的形式有混凝土樁、梁、墻等。混凝土支撐具有剛性好、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn),比較合適長(zhǎng)期施工及持久使用的情況。第三,土工材料支撐:使用土工合成材料(如土工布、土工格柵)或灌漿加固土體形成的支撐結(jié)構(gòu)。這種支撐方式適用于較小規(guī)模的基坑。第四,綜合支撐系統(tǒng)。結(jié)合以上多種方式,通過組合設(shè)計(jì)、交叉施工等方式形成的綜合支撐體系。這種支撐系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能根據(jù)不同的地質(zhì)條件和工程要求,靈活選用合適的支撐形式。

        2 工程水文地質(zhì)情況

        在地鐵附屬基坑開挖工程中,進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查對(duì)設(shè)計(jì)和施工工作至關(guān)重要[2]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),可將該工程劃分為3 個(gè)水文地質(zhì)巖組:

        2.1 潛水含水巖組

        人工填土層(Qml)、全新統(tǒng)上組陸相沖積層(Q43al)及海相沉積層(Q42m)視為潛水含水層。含水介質(zhì)顆粒較細(xì),水力坡度小,地下水徑流十分緩慢。排泄方式主要有蒸發(fā)、人工開采和向下部承壓水、地表水體滲透。沼澤相沉積層(Q41h)粉質(zhì)黏土(地層編號(hào)⑦)及下組陸相沖積層(Q41al)粉質(zhì)黏土(地層編號(hào)⑧1)屬極微透水—微透水層,可視為潛水含水層與其下承壓含水層的相對(duì)隔水層。

        勘察期間測(cè)得場(chǎng)地地下潛水位如下:地下水深2.60~4.50m,相當(dāng)標(biāo)高0.26~0.34m。恒定水位深度1.30~3.70m,相當(dāng)于每年上升1.06~1.15m,地下水位波動(dòng)約0.50~1.00m。

        2.2 第一承壓含水巖組

        第一承壓含水層:全新統(tǒng)下組陸相沖積層(Q41al)砂質(zhì)粉土(地層編號(hào)⑧2)透水性好,為微承壓含水層。上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層(Q3eal)的粉質(zhì)黏土(地層編號(hào)⑨1)及上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層(Q3dmc,地層編號(hào)⑩1)透水性相對(duì)較差,可視為第一承壓含水層隔水底板。根據(jù)場(chǎng)地旁蘭坪路站抽水試驗(yàn)結(jié)果,該承壓水水頭大沽標(biāo)高約為-0.83~-0.79m。

        2.3 第二承壓含水巖組

        第二承壓含水層:上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層(Q3cal)粉砂(地層編號(hào)?1t、?4)透水性好,為微承壓含水層。上更新統(tǒng)第二組海相沉積層(Q3bm)粉質(zhì)黏土(地層編號(hào)?1)透水性相對(duì)較差,可視為第二承壓含水層隔水底板。根據(jù)場(chǎng)地旁蘭坪路站抽水試驗(yàn)結(jié)果,該承壓水水頭大沽標(biāo)高約為-1.29~-1.18m。

        3 地鐵附屬基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)分析

        地鐵附屬基坑工程的施工條件十分苛刻。地鐵一般是在較發(fā)達(dá)的市區(qū)修建的。這些地區(qū)建筑樓層高、密度大,交通相對(duì)堵塞,建筑工地相對(duì)較差且狹窄,給建筑施工帶來了很多不便。地鐵附屬基坑工程施工,需要提前對(duì)周圍環(huán)境地表水方面的問題進(jìn)行提前查看,明確坑周坑內(nèi)的明水排放情況,注意坑周邊的防護(hù)措施以及施工現(xiàn)場(chǎng)的地面硬化程度,對(duì)有可能排入施工現(xiàn)場(chǎng)的各種水源進(jìn)行調(diào)查,并制訂有效的堵截措施。在老黏土分布區(qū)域,更要禁止地表水滲入基坑內(nèi),避免給地鐵附屬基坑工程施工帶來麻煩。提前做好準(zhǔn)備工作,能夠有效避免上述問題,確保地鐵附屬基坑施工正常運(yùn)行。同時(shí),開展地鐵附屬基坑工程應(yīng)提前了解周圍建筑的埋置深度,充分了解高層建筑的上層結(jié)構(gòu),以及地鐵附屬基坑周圍的市政管網(wǎng)分布情況。對(duì)市政道路和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的考察,確保地鐵附屬基坑施工不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成威脅。

        3.1 邊坡(護(hù)壁)滲漏

        這種現(xiàn)象最常見于地下地鐵附屬基坑,主要發(fā)生在多變飽和土壤中,斜坡發(fā)生泄漏時(shí),斜坡會(huì)坍塌或局部不穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計(jì),大多數(shù)地鐵附屬基坑開挖事故的發(fā)生都與其有關(guān)。

        3.2 基坑邊滑移

        如果在無支撐的斜坡上開挖深層結(jié)構(gòu),會(huì)由于傾斜體承載力不足而形成斜坡,從而引發(fā)基坑邊滑移風(fēng)險(xiǎn)。

        3.3 地面開裂、坍塌

        邊坡發(fā)生位移,水、砂外泄,進(jìn)而導(dǎo)致地表結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與崩塌。為避免在地鐵附屬基坑挖掘時(shí)因水分損失而引起地表坍塌,必須在基坑內(nèi)采取排水措施。此外,局部層失水嚴(yán)重時(shí),上部軟土?xí)蚴a(chǎn)生較大的滑坡[3]。

        3.4 底隆起

        底部隆起通常發(fā)生在坡度較差的軟土上,主要是由于支撐結(jié)構(gòu)的淹沒端變形較大,結(jié)構(gòu)底部存在弱隔水層,地下水位上升或存在高水頭區(qū)域可能增加地下水的滲透壓力,導(dǎo)致基坑底部隆起。

        3.5 承壓水突涌

        承壓水突涌的原因是多方面的。

        第一,地下水位高。地下水位較高時(shí),地鐵附屬基坑開挖可能會(huì)遇到承壓水。這種情況通常發(fā)生在地質(zhì)條件復(fù)雜、地表附近有河流、湖泊或高含水層的地區(qū)。

        第二,深淺埋深過渡區(qū)。在地鐵施工過程中,如果基坑位于深淺埋深過渡區(qū)域,即從深埋段過渡到淺埋段或相反,由于地下水位急劇變化,可能會(huì)導(dǎo)致承壓水突涌。

        第三,施工未及時(shí)進(jìn)行排水控制。施工過程中若沒有采取有效的水文地質(zhì)調(diào)查和合理的排水控制措施,開挖過程中地下水無法得到及時(shí)排空,并持續(xù)積蓄壓力,可能導(dǎo)致承壓水突涌。

        第四,施工或支護(hù)結(jié)構(gòu)破損。在施工過程中,如未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和施工規(guī)范進(jìn)行操作,或者施工過程中發(fā)生了意外事故,如管道因受侵蝕破裂、承壓層破裂等,可能導(dǎo)致承壓水突涌現(xiàn)象。因此,進(jìn)行地鐵基坑開挖工程前,必須進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)調(diào)查,并制訂相應(yīng)的防控措施,預(yù)防和應(yīng)對(duì)承壓水突涌現(xiàn)象。

        3.6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)涌水涌砂

        在地鐵附屬基坑深部開挖過程中,其圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接影響支撐系統(tǒng)的質(zhì)量與安全。若圍護(hù)結(jié)構(gòu)不良,會(huì)造成地鐵附屬基坑基礎(chǔ)質(zhì)量差。在地鐵基坑挖掘過程中,許多涌水涌砂現(xiàn)象是水對(duì)屏障壁的影響增加引發(fā)的,如公共屏障壁出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)致地下水大量積聚。

        4 地鐵附屬基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

        4.1 邊坡(護(hù)壁)滲漏控制措施

        第一,盡可能快地確定和斷開水源。

        第二,出現(xiàn)砂子(流)且趨勢(shì)變大的時(shí)候,應(yīng)立刻將涌砂通道(預(yù)埋導(dǎo)流管)封閉起來,之后對(duì)涌砂區(qū)域進(jìn)行加固,用水泥漿等方法進(jìn)行回填。

        第三,在挖掘過程中,如果因局部邊坡滲漏造成了土層崩塌,一定要將松散的土層清理干凈,用砂袋將塌陷的坑洞填滿,并在坑洞底部埋入包網(wǎng)的引水管,再用水泥砂漿進(jìn)行抹面,同時(shí)可以放置少量的鋼筋對(duì)砂袋進(jìn)行固定。如果塌方范圍很廣,應(yīng)立即停止開挖,然后將土推出施工面,防止土壤進(jìn)入塌方現(xiàn)場(chǎng),然后將多余的土分塊移除,將管道埋在水循環(huán)中,填充砂袋,將鋼絲網(wǎng)和鋼板掛在表層,然后在表層噴灑混凝土。

        第四,在樁之間發(fā)生泄漏的情況下,必須埋設(shè)管道以轉(zhuǎn)移水,并加強(qiáng)樁之間的土壤支撐[4]。

        第五,合理選擇材料和施工方式。選用適當(dāng)?shù)倪吰拢ㄗo(hù)壁)材料,并確保其具備良好的防水性能。根據(jù)地質(zhì)條件和施工要求,選擇合適的施工技術(shù),如水泥漿墻、加固土擋墻等。

        第六,嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和及時(shí)修復(fù)。對(duì)邊坡(護(hù)壁)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),包括滲漏、開裂、變形等指標(biāo),一旦發(fā)現(xiàn)滲漏問題,應(yīng)及時(shí)采取修復(fù)措施,如注漿、堵漏等。此外,在施工過程中,必須加強(qiáng)對(duì)周圍環(huán)境和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè),若支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形的情況,應(yīng)及時(shí)召開專家會(huì)議,制訂加固方案,并對(duì)基坑邊坡進(jìn)行加固。

        第七,若深基坑施工正處在雨季,地鐵附屬基坑工程排水條件不佳,或者對(duì)坡腳處造成干擾,極易因滲漏造成滑坡災(zāi)害。因此,為防止?jié)B漏引發(fā)滑坡災(zāi)害,需要采用下列方法:在地基上建立適當(dāng)?shù)呐潘?,以降低土壤的含水率,避免地表水流入基坑;?yán)格控制開挖位置和開挖坡度等;在施工作業(yè)地面設(shè)置露天水渠,并設(shè)置專人定時(shí)抽排施工范圍內(nèi)的水。如果遇到暴雨,需要在斜坡上鋪設(shè)塑料薄膜,以免雨水對(duì)斜坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

        4.2 支撐失穩(wěn)基坑崩塌的控制對(duì)策

        鋼支撐是建造該地鐵附屬基坑開挖項(xiàng)目基礎(chǔ)最重要的支持系統(tǒng)。當(dāng)局部不穩(wěn)定或變形發(fā)生時(shí),會(huì)對(duì)整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響,可能會(huì)發(fā)生坑崩塌等事故。為避免此類問題,可采取以下措施:

        第一,合理選擇支撐方式。常見的支撐方法包括鋼支撐、混凝土支撐、土工材料支撐等,需根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求(如穩(wěn)定性和承載能力等)選擇適當(dāng)?shù)闹畏绞?。第二,?duì)基坑支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),包括溫度、應(yīng)力、變形等,一旦發(fā)現(xiàn)基坑支撐失穩(wěn)或崩塌跡象,應(yīng)立即采取緊急處置措施,減少損失和風(fēng)險(xiǎn)。

        4.3 基底隆起控制對(duì)策

        第一,基底隆起嚴(yán)重時(shí)立即停止開采,堆放材料或充填壓力;第二,及時(shí)在基坑內(nèi)部設(shè)置移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),并做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控;第三,底坑進(jìn)行焊接加固,但不應(yīng)使用對(duì)各層干擾較大的技術(shù),同時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮和監(jiān)測(cè)減少干擾的方法;第四,加強(qiáng)地下水排水,并監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境。

        4.4 坑底承壓水突涌控制對(duì)策

        第一,準(zhǔn)備足夠的砂石和蛇皮袋,若是基礎(chǔ)井突然升起,應(yīng)使用蛇皮袋進(jìn)行填充,然后在基礎(chǔ)井開挖面以下使用砂漿進(jìn)行澆筑。第二,根據(jù)地質(zhì)情況和水文特征,合理設(shè)置排水系統(tǒng),確保及時(shí)有效地排除坑底積水。第三,基坑開挖前,進(jìn)行充分的水文地質(zhì)勘察和分析,了解地下水位、水文特征等,為后續(xù)施工做好準(zhǔn)備。第四,在基坑施工過程中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位,設(shè)立預(yù)警機(jī)制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理水位上升的情況,防止承壓水突涌。對(duì)于坑底承壓水突涌的情況,可以采用降水措施,如設(shè)置抽水井、使用水封法等,將坑底的承壓水分流排除,有效控制地下水位上升,降低承壓水突涌發(fā)生率[5]。

        4.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)涌水涌砂控制對(duì)策

        根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在地鐵附屬基坑開挖過程中,應(yīng)注意采取以下控制對(duì)策:第一,如果泄漏面積小,泄漏率小,可以通過快速泵送聚氨酯或水泥來密封泄漏區(qū)域。第二,如果泄漏區(qū)域有較大的裂縫面積和大量泄漏,需要將排水管埋在泄漏點(diǎn),使用鋼板和快速水泥防止排水管邊緣滲漏,并在密封材料達(dá)到強(qiáng)度后關(guān)閉排水管。

        4.6 嚴(yán)格管理和培訓(xùn)

        第一,制訂明確的管理責(zé)任和制度。確定各級(jí)管理人員和工作人員的責(zé)任,明確工作流程和標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程,確保工作規(guī)范、有序進(jìn)行。第二,加強(qiáng)培訓(xùn),促進(jìn)技能提升。根據(jù)崗位需求,制訂培訓(xùn)計(jì)劃并組織培訓(xùn),提高施工人員專業(yè)知識(shí)和技能水平的提升,使其具備應(yīng)對(duì)工作中的挑戰(zhàn)和任務(wù)的能力。第三,強(qiáng)化安全意識(shí)和文化建設(shè)。通過培訓(xùn)和宣傳,提高施工人員的安全意識(shí),使其養(yǎng)成遵守安全規(guī)范的良好習(xí)慣。第四,定期進(jìn)行安全檢查和評(píng)估:建立定期的安全檢查機(jī)制,對(duì)施工操作流程等進(jìn)行檢查和評(píng)估,發(fā)現(xiàn)并糾正潛在的安全隱患和問題,確保工作環(huán)境安全。第五,持續(xù)改進(jìn)。倡導(dǎo)持續(xù)改進(jìn)和學(xué)習(xí)的理念,定期開展經(jīng)驗(yàn)交流和總結(jié)會(huì)議,分享成功經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),推動(dòng)地鐵附屬基坑開挖施工水平的持續(xù)優(yōu)化和提升。

        5 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,通過合理選擇開挖策略和采取相應(yīng)的措施,可以減少施工風(fēng)險(xiǎn)、縮短工期、降低成本,并最大限度地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的安全和環(huán)境。然而,需要注意的是,每個(gè)工程都具有其獨(dú)特性和特定要求,因此在實(shí)踐中還需根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合評(píng)估和調(diào)整。未來通過對(duì)相關(guān)施工技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新,可以更有效地提高基坑開挖的效率、質(zhì)量和安全性,為城市地鐵擴(kuò)建工程的順利推進(jìn)提供保障。

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