关键词：地铁施工 富水深基坑 涌水涌砂 逆作法
一、引言
明挖顺做法是地铁车站施工的一种常见方法。在地铁车站的主体及出入口一般常采用地下连续墙、围护桩加三轴搅拌桩等基础插入隔水层，阻断内外水系连通，采用坑内降水后再进行明挖顺做法。在这种情况下，降水效果的好坏对深基坑工程的整个安全、质量、工期等起到决定性的作用。太原市轨道交通2号线一期工程晋阳街站，为太原城市轨道交通2号线与3号线同期施工T形换乘车站。该工程在施工2号出入口时发现集水坑（基坑最深处）距离基底1m处有涌水涌砂现象，经过反复研究，最终采用集水坑逆作法施工，即先施工主体结构边墙与顶板，再注浆施工集水坑。在不影响结构总体施工进度的情况下，高效快捷、安全可靠地完成了施工任务。不仅保证了工期，而且未对周边建筑物、道路、管线产生任何影响，取得了很好的社会和经济效益。
二、工程概况
2.1工程简介
太原市轨道交通2号线一期工程晋阳街站，位于长治路和晋阳街交叉口，2号线车站沿长治路南北方向布置，3号线位于路口东侧沿晋阳街东西向布置。2号线车站主体为明挖地下两层(换乘节点处地下三层)岛式车站，为双柱三跨箱型框架结构，总长231.30m，标准段总宽23.1m，总高14.99m。2号出入口位于晋阳街站2号线主体结构西侧，出入口基坑面积约为372㎡，地面整平标高777.490m～777.230m。通道孔径形式1-6m，净高3.3m，基坑开挖最深为集水坑处深度16.5m。
围护结构采用?800@1200钻孔灌注桩；桩间土应随基坑开挖进行网喷保护，喷射混凝土为C20。围护桩外侧设置单排咬合搅拌桩止水帷幕，止水帷幕与主体围护相接处设置旋喷桩，止水帷幕采用?850@600三轴搅拌桩止水帷幕。施工采用明挖顺做法施工。
基坑开挖深度其中2-2、3-3断面所在的区域约为12.3m，该部分不存在局部深坑，止水帷幕位于基底以下约为6.8m；1-1断面所在区域基坑开挖深度约为14~16m，存在局部深坑，最深开挖深度16.6m，止水帷幕位于基底以下6.792~9.564m，基底位于2-3-1粘质粉土层，止水帷幕底部位于2-4粉细砂层。
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图1.1-2 基坑纵断面图
在1-1断面区域基坑开挖呈一定的坡度，从放坡开挖深度3m，逐渐加深到14m左右，止水帷幕底部由浅及深分别位于2-3-1粘质粉土层及2-4粉细砂层中。
2.2周边环境及危险源辨识
车站周边建筑集中在站位处西侧，2号出入口在车站西南侧，周边有22层砼建筑。结构最小距离为15.4m。
2.3地质及水文情况
2.3.1地层为第四系全新统、上更新统地层，共3个大层，10个亚层。广泛分布于表层，主要有人工填土、粉质黏土、粉土及粉细砂、中砂等，总厚度17～35m。
2.3.2地下水类型主要为浅层孔隙潜水，局部存在上层滞水，以2-4、3-5粉细砂及2-5、3-6中砂为主要含水层，含水层渗透系数为5～20m/d，该站点富水性中等。
地下水主要受大气降水及汾河侧向径流和城市供水、排水渗漏补给。地下水排泄方式以蒸发、人工抽取地下水及侧向径流补给汾河为主。实测场地地下水位埋深5.1～6.9m。常年地下水位埋深3m。每年12月至次年1月为枯水期，7月～9月为丰水期，地下水位变幅0.8～1.4m。
三、施工方案
2号出入口的集水坑为结构最低处，比平直段低2.6m。现场开挖到集水坑设计基底标高+1m处时，突发点状涌水涌砂现象，涌水量在100-120方/小时，涌水带出黑褐色泥砂。水位升高2m后涌水涌砂量逐渐减弱。考虑到周边都是重要高大建筑物，为确保其地基稳定安全，采取立即进行混凝土回填反压、注浆加固后再进行开挖的施工方案。
先进行主体底板及边墙顶板施工，预留集水坑及集水坑上顶板最后施工。工艺原理为：根据规范要求在集水坑以外1m的底板及侧墙处设置施工缝，先施工主体结构部分侧墙及顶板起到“二衬”作用，施工主体结构底板、侧墙及顶板后注浆加固集水坑范围内土体，当开挖集水坑土方时同时施工结构爬梯及无障碍竖井，实行流水作业，减少等待时间，从而快速施工出入口，达到保证工期、保证深基坑施工安全及节约人工、机械成本的目的。
施工工艺流程为：混凝土反压封底→抽水及封闭基坑→设置减压降水井→主体底板、边墙及顶板施工→注浆固化土体→分层开挖→集水坑施工→顶板封口。
3.1混凝土封底
设计图显示基坑开挖深度范围内主要为潜水含水层，开挖面以下存在承压水。实际开挖中遇到的涌水涌砂现象说明已经挖到承压水层，如果长时间不封堵反压，泥沙量流失不断增大则将会影响周边建筑物、管线及道路沉降及安全。原因分析为：设计止水帷幕为根据阶梯型布置，爬坡段止水帷幕未深入含水层，未阻断坑内外水系连通，造成基坑最深处水层出现涌水涌砂。
出现大量涌水涌砂现象时，及时采取应急混凝土封底反压措施。挖掘机对基底大致整平后，浇筑C30水下混凝土进行封底，采取导管水下灌注法施工。导管直径为0.3m，混凝土厚度不小于0.5m。
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图2.1集水坑封底断面图
3.2抽水及封闭基坑
封底混凝土完成后及时进行抽水，检查是否还有漏水涌砂点，如有及时进行二次封堵。
为方便后续注浆施工，需将基坑回填至与主体底板基底持平。回填采用水泥稳定级配碎石，回填厚度为1.2m，挖掘机进行碾压密实，以保证基底全部封闭，为后续保持注浆压力提供保证。水稳级配碎石采用分层填筑法，分层厚度不大于0.2m。采用蛙式打夯机碾压密实。回填顶标高略高于爬坡段底板垫层标高，保证施工期间不积水，不浸泡。
3.3设置减压降水井
3.3.1减压降水深井
减压降水深井特点：降低承压含水层的承压水水头，将其控制在安全埋深以内，以防止基坑底部发生突涌，确保施工时基坑底板的稳定性。尽量减少由于减压降水引起的地表沉降以及降水对周边建（构）筑物的不利影响。控制降水引起地面沉降，避免产生较大差异沉降；控制降水对坑内坑底土体变形的影响，减少在坑内梁、柱等围护、支护结构体内产生的附加应力。
3.3.2过滤器
目前降水工程中主要用的降水井过滤器类型，有缠丝过滤器、桥式过滤器、圆孔过滤器以及无砂砼管井。桥式过滤器是50年代从德国引进的技术，桥式，顾名思义，钢管上凸出的小桥，桥高1mm左右，孔隙率约为15%，优点是强度较高，抽水过程中，地下水由桥孔侧向进入井管，对于水压力大、长时间抽水的基坑工程是较好的选择。
3.3.3滤网
滤网的主要目的是挡砂过水，40目滤网的筛孔尺寸0.425mm；60目滤网筛孔尺寸为0.250mm；100目滤网筛孔尺寸为0.180mm。滤网需要与使用的过滤器相匹配，网太密，则挡水挡砂，网太稀，则造成抽水过程中地层砂涌入降水井，死井的同时造成不利的环境影响。 本工程选用100目滤网。
3.3.4设置技术要求
为了减小集水坑范围内涌水压力，观测注浆压力效果设置两口减压观测井。减压井设置在集水坑南侧3m处，即爬坡段坡底部。减压井设置8m深，过滤器6m长，井底深入2-3-1隔水层中。两口井间距为5m，分别设置出入口中轴线两侧。井口标高高于底板顶面0.5m。
3.4主体底板、边墙及顶板施工
为不影响总体施工进度，防止注浆引起降水井堵塞，造成大的安全隐患。经研究决定先进行主体底板及边墙顶板施工，预留集水坑及集水坑上顶板最后施工。为避免施工缝处同一连接区段接头面积百分率过大，施工缝处钢筋应采用机械连接方式且应采用Ⅰ级接头，接头使用胶带缠裹后插入聚苯乙烯泡沫板保护。同时考虑后续结构防水施工应预埋钢边橡胶止水带及注浆管。
主体结构施工按照正常的从下到上，底板边墙顶板的施工顺序。预留集水坑处及以外3m范围的顶板，方便吊运注浆设备，开挖的土方及其他材料。施工缝拆模后，严格按要求进行凿毛处理。
3.5注浆固化土体
3.5.1注浆工艺及注浆范围
注浆采用水泥+水玻璃双液压力注浆工艺，采用水灰比为W/C＝1∶0.8的水泥浆。先配置好水泥浆，再配置水玻璃浆：在高浓度浓水玻璃溶液中加入水，边加水边搅拌，边用波美计测试其浓度，到达所需要的施工中采用的水玻璃浓度35~38°Bé。水泥浆与水玻璃浆配比为1:1，浆液的凝固时间控制在30~40S。注浆范围为集水坑及集水坑侧壁以外4m范围，深度为集水坑基底以下4m，注浆孔布置间距0.8m。
表2.5.1双液浆配合比表
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3.5.2注浆孔施工
首先按要注浆影响半径在封底混凝土上放样，孔位设置要求注浆范围覆盖整个集水坑且每个注浆孔所注浆液能产生一定长度的搭接。采用钻头钻穿封底混凝土，钻至集水坑设计基底以下4m深度。钻孔过程中，应保证钻头内部持续加压注入低浓度高水灰比水泥浆液，否则泥渣会堵塞钻头，以至于钻头报废且影响施工速度。注浆采用“开一个孔注一个孔”的原则进行施工，防止邻孔跑浆压力骤减而达不到注浆效果。
3.5.3注浆作业
注浆采取后退式分段注浆工艺。钻杆钻至设计深度后，接上双液浆注浆管路向孔内注浆，钻杆每次提升提0.5m，待注浆压力达到设计压力时进行第二段注浆，如此下去，直到将整个注浆段完成。注浆过程中要适当调整浆液配比，防止注浆管堵塞，造成停工；另外在钻孔、注浆施工中，我们采取由两端到中间，由下到上的钻孔、注浆顺序。从而通过钻孔判定地层的实际地质状况，以减少多余的工作量；形成由易到难的施工顺序，最终钻孔、注浆的得以顺利进行。
在集水坑基底下4m时，注浆压力控制在1.0-1.2MPa,待注浆压力超过设计值时再进行提升，每次提升高度为0.5m，；在集水坑基底以上时将注浆压力控制在0.4-0.5MPa，每次提升高度为0.5m，直至注浆钻杆提升至地面。注浆时注浆钻杆应匀速缓慢提升，注浆机档位提升控制在1挡，提升速度不得过快。
3.5.4检查注浆效果
在注浆施工全部完成且固化7天后采取钻眼取芯的方法，在注浆四角及中心部位取5个孔，看取芯的加固效果。采用水电钻进行取芯施工，钻头直径为8cm，取芯深度比基底标高深2m。取芯中不含未固化的夹层为合格，表示达到注浆效果。如有夹层则在取芯部位重新注浆，注浆工艺与首次注浆相同。直至取芯合格后方可开挖。同时查看减压观测井的状况是否有浆液注满井内，如果井筒内有浆液挂在内壁甚至注满井孔，井内积水水位1天内不再升高时，方可认定达到注浆效果，可以进行开挖作业。
3.6分层开挖
为保证周边注浆固化强度，在注浆完成至少7天后进行基坑开挖。采用风镐破碎，全人工辅助开挖作业，将废渣装入吊料斗，吊机从预留顶板口垂直吊出基坑。人工开挖可以最大限度地减小对基坑周边固化土体的扰动。基坑开挖尺寸按照设计结构外边线外放5cm控制开挖。
3.7集水坑施工
3.7.1垫层施工
基坑开挖完成后应及时开始施做垫层，垫层采用C20混凝土，垫层厚度为15cm。采用商品混凝土，吊机吊送至工作面，人工摊平终凝前抹压，抹面时按宽3.0m分幅放线分格施工，终凝前进行抹压，确保表面清洁平整。
垫层混凝土施工完必须保证其表面平顺、干净、干燥，浇注前如基坑内有水，在坑内开挖排水沟、集水井，抽干基底积水；若有渗水现象则在其表面进行防水砂浆找平层施工。
3.7.2防水层施工
预铺防水卷材采用双层自粘聚合物改性沥青（聚酯毡胎）防水卷材（单层厚度不小于3mm）。卷材防水层铺设范围超出钢筋接头不小于30cm，要做好施工缝处的防水保护措施，防止破坏。集水坑防水卷材与已施工完的侧墙及底板防水卷材按规范要求搭接牢固。防水验收后施工防水保护层，底板保护层采用5cm厚的细石商砼，使用吊机自预留顶板孔吊入。
3.7.3钢筋施工
钢筋骨架制作，加工必须按图纸配筋下料，使每根钢筋尺寸和外形准确，组装应牢固、准确、整体性好。钢筋骨架歪斜、扭曲、变形时，要及时进行校正，然后将其绑扣牢固，适当增加十字绑扣。为增强抵抗变形能力，应增设斜向拉结钢筋和增加点焊，提高骨“网”架的强度和整体性。预留钢筋接头均采用套筒机械连接，同一个断面接头数量为50%，接头相错量需满足规范要求。特别是在集水坑高跨的侧墙施工时要注意，为保证混凝土振捣密实，侧墙钢筋绑扎过程预留15cm*15cm的振捣洞。
3.7.4模板施工
模板施工质量是保证混凝土结构尺寸、表面质量的关键，施工中根据工程结构特点切实做好模板施工。模板采用15mm厚多层竹胶板，内撑体系为满堂红碗扣式脚手架。
模板和支撑按分区进行流水施工在制作安装结构模板时，应特别注意模板接缝必须严密，接缝处须用胶纸粘贴。保证位置、垂直度和几何尺寸准确，因此模板安装后，应再认真复核和加固。浇注混凝土前模板应满涂隔离剂。
在集水坑与高跨段封口处采用模板斜支的方法。如下图所示。斜支起点位于已浇筑混凝土面一下0.5m，与垂直面角度为45°。
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图2.7集水坑倒挂施工断面图
3.7.5混凝土施工
集水坑结构分两次浇筑完成。第一次先浇筑底板及以上0.4m范围，第二次浇筑侧墙。低跨端侧墙从底板钢筋空隙浇灌混凝土并振捣，高跨端侧墙从斜支模喇叭口灌入并振捣。在浇筑混凝土前，宜在施工缝处铺一层与混凝土成分相同的减石子水泥砂浆，接浆厚度控制在3cm以内，接浆工作时间不宜过早，宜在砼浇捣之前五分钟左右进行。
混凝土分层浇筑，每层厚度不宜超过30cm。模板有对撑体系加固的浇注时要尽量对称浇注避免偏压。混凝土的振捣应设专人振捣，一般采用6m插入式振捣棒；同时用小锤轻敲模板。保证振捣密实。
3.7.6拆模及后期处理
待混凝土强度达到2.5Mpa后开始拆除模板。拆模要注意保护混凝土棱角完成。混凝土强度达到10Mpa后，采用风镐将斜支模处的混凝土凿除，凿除面控制比设计面高1-3cm，再采用角磨机人工打磨平整。
3.8顶板封口
集水坑施工完成，将废料吊出后进行顶板预留口的封闭施工。顶板封闭施工采用的支撑体系和施工方法与其他顶板相同。
四、结束语
2019年5月～2019年7月，由中铁六局集团晋阳街地铁项目部承建的太原地铁2号线一期工程，晋阳街与长治路的2号、3号换乘节点车站，2号出入口采用集水坑逆做的施工方法，取得了很好的效果。本施工方法主要解决了富水深基坑坑底涌水涌砂现象、确保施工工期的技术难题，保证了现场的施工安全，大大提高了工作效率，加快了施工进度，缩短了施工工期，经济效益和社会效益显著，为同类问题的富水深基坑施工提供了科学合理的施工技术方法和工艺。
五、参考文献
[1] 张云，殷宗泽.软土压力问题的研究与综述[J].水利水电科技进展，1999。
[2] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖法技术[M]，2014。
[3]李治国，周明发，王海.软土地层盾构过河端头加固水平注浆的应用[J].建设科技，2009
[4]分段前进时式超前深孔注浆加固施工技术[D].市政技术，2009.
论文作者:任鹏鹏
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第6期
论文发表时间:2020/5/9