轨道交通与地下工程韶 Track Traffic&Underground Engineering 承压水层地铁车站盖挖半逆作法施工关键技术 刘 泽 (中铁二局第四工程有限公司,四川成都610300) 摘要:天津地铁红旗南路站位于承压水、含水软弱地层,基坑开挖深度22.781 m且紧邻地面建筑物。基坑围护结构体系 选择与基坑防排水是该工程施工的主要技术难题。论述了承压水、深基坑、盖挖半逆作法车站施工围护结构体系的选择 及其渗漏水的处理方法;在基坑内设置疏干井、减压井、集水坑抽排水,基坑外施作双高压旋喷桩方法把地下水降至基坑 底面以下;车站盖挖半逆作法施工采用先探后挖、分区开挖方法降低了开挖风险,中板施工在侧墙位置下挖5O cm回填 中粗砂、在侧墙预留混凝土灌注孑L解决了防水板保护和钢筋连接、侧墙顶部混凝土浇筑不密实的难题:对地表})c降、建筑 物沉降、既有结构变形进行监测与分析并及时进行信息反馈调整施工方案和支护参数,保证了车站结构和地面建筑物的 安全。实践证明,复杂环境、承压水条件下,基坑开挖采用复合体系地下连续墙作为封闭止水帷幕,主体结构采.【}j盖挖半 逆作法施工是适宜的。 关键词:地铁车站;盖挖半逆作法;基坑开挖;地下连续墙;渗漏探测;监控量测 中图分类号:U455.452 文献标志码:B 文章编号:1009—7767(2015)02—0105—06 Key Technology of Half Top-down Construction for Subway Station in Artesian Aquifer LiuZe 1工程概况 天津地铁红旗南路站为T形换乘车站,车站长 ’n n顶板 rI r 146.050 m,地下3层。车站标准段主体结构基坑深 9 0I 100 o r 22.781 m.宽22.1 1"13,采用1 in厚地下连续墙围护结 第1层中板 构,标准段墙深37.803 m。车站基坑开挖土体从上往下 ‘ 抗浮梁1 格构柱 。 摭星粱 主要为填土、黏性土、淤泥质土、粉土、粉砂。地下水位 I抗浮粱3 4rJ2O0X24 —一 第2层中板 埋深1.2~3.0 ITI.微承压水赋存于第Ⅱ陆相层及以下 r 混凝土支撑 显 3 : 已 粉砂、粉土中,隔水顶板处于⑤。粉质黏土、⑥。粉质黏 [。8。。。0。。。。0。。。。x。。6。。。0—0— 土层,其稳定水位为2.58--2.80 m。标准段典型横断面 r 蒹醺 1. l— 见图1。 2地下连续墙体系及渗漏治理 《 \垫层 r 2.1围护结构体系选择 基础桩 8 地下连续墙 1 500 罱 承压水、含水软弱地层深基坑通常采用地下连续 牛 = 地下连续墙 墙作为封闭止水帷幕。围护结构体系对工程安全和质 _—— 量及造价至关重要。围护结构体系可分为叠合墙、复合 f D50 6 950 l 6100 【 6 950 1 D叩 【2I I 22 340 1 000 墙和单一墙体系。叠合墙体系将围护结构作为主体结 构侧墙的一部分,与内衬墙组成叠合结构,两墙合一 刚度大;但内外墙间约束大,温度裂缝多,裂缝导致墙 图1 车站标准段典型横断面图 体在腐蚀性地层易受侵蚀。围护结构与主体结构侧墙 法向压力,不能传递弯矩和剪力。单一墙体系结构整体 分离设置为复合体系,中间设防水层,墙面之间传递 性较弱,防水处理难,造价高,很少采用lll。 2015 ̄¥2期(3一)第33卷啼荭故东105 器轨道交通与地下-r程 Track Traffic袋Underground Engineering 天津为沿海城市地下水具有腐蚀性,地铁车站开 墙无刚性连接,其抵抗弯矩、抗剪和连接应力差,冈其 挖深度多大于15 m,围护结构采用复合体系。 流水路线短,在承压水地层易出现渗漏,且安装容易出 2.2地下连续墙槽段接头形式 现偏斜.起拔比较困难,当其作为结构外墙时能够体现 地下连续墙槽段问的接缝是薄弱部分,槽段接头应 加工方便的优点:主要有预制接头、模具接头、柔性隔 满足传递应力、止水、抗剪切要求,有刚性和柔性接头 板式接头形式。刚性接头止水效果好,相邻槽段衔接紧 两种形式。槽段接头应选择最大限度重叠两单元槽段和 密,不易出现开又及错台,对较大深度的地下连续墙具 较长流水线路的刚性连接,它是保证地下连续墙具有传 有较好的适应性;常用的有十字钢板、工字钢、V型钢 递应力、防漏抗渗的前提[2]。柔性接头因为与地下连续 板接头形式。刚性接头见图2 a)十字钢板接头 b)工字钢接头 c)V型钢板接头 图2刚性接头 3种刚性接头截面渗水通道较长,止水效果好。十 原始记录,分析是否会导致地下连续墙夹泥、错缝、开 字钢板接头需特制锁13管和刷壁器,渗水通道最长.: 叉等质量缺陷。用该方法判断出车站北基坑15号地下 2期槽段与先行段衔接较好:工字钢接头翼缘板易外 连续墙接缝偏移,在基坑开挖内部土方卸载过程中接 露,翼缘板与槽壁易产生吸附力制约钢筋笼下放,渗水 缝可能渗漏水。 通道较长,2期槽段与先行槽可较好衔接:V型钢板接 3)基坑坑内抽水基坑外注颜料法。在前述分析可 头折线位置不易刷壁,渗水通道较长,易拔出锁口管。 能渗漏或有缺陷的地下连续墙接缝外侧钻孑L注入彩 该工程采用十字钢板接头,在外侧设置止浆铁皮.防止 色颜料,在对应接缝基坑内抽水或挖探坑,当探坑或基 地下连续墙混凝土绕流。 2.3地下连续墙渗漏水探测 坑抽水出现注入颜料颜色时,说明该接缝存在渗漏风 险。用该方法检测出车站北基坑15号地连墙对应基坑 4)移动渗漏探测法。该方法整合了密封系统探测 地下连续墙施工受施工方法、地质条件、接头、工 内抽水出现颜色,存在渗漏风险。 期、机具等多种因素制约,处理不当容易导致接缝墙 体缺陷和渗漏,对含水地层基坑开挖安全影响较大。 的移动电流追踪技术和电化学反应多感应器技术,可 为提前预判围护结构是否渗漏,采用抽水试验、分 在基坑外降水井、基坑内布设电极,能量通过地下连 析地连墙施工记录、移动渗漏水探测、基坑外注颜料 续墙渗漏处和基坑底部进入基坑。电极接收渗漏传递 等综合方法,判断地下连续墙接缝和墙体是否渗漏 。 的异常能量,判断地下连续墙墙体和接缝的渗漏位置。 1)抽水试验法。在基坑外设置浅层观察井和承压 用该方法判断出北侧基坑有2处较大渗漏点,5处需 水观察井,观测含水层水位变化,综合分析判断承压水 加强观察。 基底补给、接缝渗漏情况。用该方法结合地质勘查资 2.4地下连续墙渗漏处治技术 料分析,判断出基底承压水对基坑内地下水存在一定 2.4.1接缝渗漏处治 ] 的补给。 通过上述渗漏水探测分析,针对基坑底部隔水层 2)地下连续墙施工记录分析。地下连续墙施工期 不连续、地下水和承压水位高的特殊性,地下连续墙 间应做好施工原始记录,重点查阅钢筋笼安装、锁13 接缝渗漏水处治方案主要有以下7种:①接缝外侧双 管、钢板安装、偏位、沉渣、混凝土绕流、混凝土浇筑等 管旋喷桩加固+接缝内侧钢板封堵;②接缝外侧水泥水 106,;}荭投求2015No.2<Mar.)Vo1.33 轨道交通与地下工程器 Track Traffic&Underground Engineering 玻璃双液浆十接缝内侧钢板封堵;③接缝外侧双高压旋 喷桩+接缝内侧钢板封堵;④外侧双高压旋喷桩+接缝 外注双液浆+接缝内侧钢板封堵;⑤接缝外侧三轴水泥 路面 一 路面 i El 60( 0 厂]顶板 厂] { } L 双液浆 { { 搅拌桩+内侧封堵钢板;⑥接缝外侧双轮铣深搅防渗 墙+双高压旋喷桩止水:⑦接缝外侧冷冻固结,纵横向 外侧1.6 m。 结合基坑地质和承压水特点,尽可能减少对周边环 { 第1层中板 注浆孔 双高压 旋喷桩、 一 … 抗浮梁1 抗浮梁3 格构柱 4L200x24 第2层中板 混凝土支撑 扰浮梁 境影响。降低成本,从有利于施工角度分析,采用方案④, 即:接缝外环形布置相互咬合40 cm的 ̄8oomm双高压 ^ f I』 /600x600 隧 旋喷桩.深度至基坑底以下隔水层,并在外侧设置双液注 浆孑L,基坑开挖过程中在接缝位置施做止水封堵钢板。 1)双高压旋喷桩施工。旋喷桩施作深度至基底黏 土隔水层,深34 in.该位置有致密砂层。传统高压旋喷 桩在致密砂层成桩常存在桩体不完整、含泥量大、半径 小等缺陷。为此采用双高压旋喷桩施工工艺,先用地质 钻机成孑L,再用双高压喷射机从下往上喷射浆液,其 水压可达35 MPa左右,水泥浆压力可达28 MPa。为防 止路面隆起,在附近施作泄压孔;为保证成桩质量,粉 质土层双高压喷射机提升速度控制在9 cm/min,砂层 提升速度控制在6 cm/min。 2)双液浆止水。在基坑外双高压旋喷桩加固接缝 附近设置双液注浆孔,深度与地下连续墙同深。基坑 内降水井抽水时对靠近接缝的注浆孔压人双液浆,如 接缝存在渗漏,浆液随抽水流水通道进入缝隙内,快速 凝固后封堵缝隙。备用注浆孔距接缝稍远,基坑开挖过 程中出现渗漏立即启动应急响应,注浆封堵。采用水灰 比(质量比)1:1的水泥浆液和水玻璃双液浆。 双高压旋喷桩和双液注浆剖面见图3。 3)止水钢板封堵。地下连续墙接缝夹泥在基坑开 挖卸载和坑外承压水作用下,原有的平衡被破坏,极 易导致接缝渗漏。为此,在基坑负3层分层开挖和探 挖时,对地下连续墙接缝从上往下分层施作止水钢板, 钢板上焊接注浆管,用膨胀螺栓固定在地下连续墙墙 体上。当出现微小渗漏时清理接缝两侧松散土体,可用 快硬水泥封堵:当出现渗漏明水并带压力时从预埋注 浆管压入聚氨酯临时封堵,避免渗漏位置进一步扩大。 2.4.2墙体缺陷治理 当车站地下连续墙内部存在夹泥等缺陷时,在基 坑开挖前内外土压平衡情况下不会出现明显渗漏或 变形破坏,但在基坑内土方开挖卸载并受到基坑外承 压水作用时,墙体内外压力失去平衡会导致地下连续 墙变形或渗漏。可采取墙体内侧加固、施作该处侧墙 \垫层 + 基础桩 o 8 _ 地下连续墙 1 500 = 地下连续墙 1 050 6 g50 I 61∞ _—。 6 950 1 05012 1 n0 22 340 图3 双高压旋喷桩和双液注浆剖面图 结构、施作临时支撑、地下连续墙外侧注双液浆、双高 压旋喷桩加固等措施。 3基坑降水 通常封闭止水帷幕基坑降水仅需抽排基坑内部 水,但该车站基底隔水层厚度变化频繁,地下连续墙 仅隔断第1层承压含水层,未能隔断第2层⑨ 、⑨ 粉 砂含水层,抽水试验判断2层含水层间存在水力联系, 同时还需要考虑基底下承压水突涌风险,这时基坑内 疏干井和减压井减压降低水头高度对基坑施工至关 重要。基坑内降水井位置应充分考虑盖挖半逆作法土 方开挖设备转动半径,应尽量设置在格构柱附近,以减 小对基坑开挖的影响。 3.1降水疏干井设置 基坑内潜水疏干井口数计算采用公式(1)。 n=A/a。 (1) 式中:a为单井疏干面积,m ,取250m2;A为疏干面积,In 。 通过计算,北侧基坑1 090ITI 布置5口疏干井,南 侧基坑1 453 In 布置7 1:3疏干井,井底为基底以下6ITI。 鉴于基底下承压水存在垂直补给,在基坑内设置进入 基底第2承压水⑨:、⑨ 层的减压井,南侧4口、北侧 2口。 3.2基坑底板抗突涌【 】 基坑开挖过程中承压含水层上部土体厚度逐步减 小.土压力减小,当基坑开挖至一定深度后,承压含水层 2015 ̄2期(3一)第33卷,事荭技术107 器轨道交通与地下工程 Track Trafic& ndergrO nd Engifneering 上覆土压力可能小于承压水顶托力.极易导致基底突涌。 应通过计算确定承压水降低水位高度,并按需要降压。 1)基坑底板抗突涌计算。对基底第2承压水层进 行抗突涌计算,并布置减压井。基坑底部2层粉土和 粉砂作为同一层承压水计算。计算见公式(2)。 Zh × ≥ XTwxH。 . (2) 式中: 为承压含水层顶板至基底各层土的重度,kN/m。; h 为承压含水层顶板至基底各土层的厚度,131;H为承 压含水层顶板至承压水头的高度,m; 为水的重度, kN/ms; 为安全系数,取1.O5。 北侧基坑承压水按最浅顶板埋深一33.9 m计算。承 压水上覆土压力 = xT =(33.9—24.4)x19.6=186.2 kPa; 承压水顶托压力 = xh :10.0x(33.9—4.5)=294 kPa。 Pz<Pw,需减压降水,所以在基坑外设4口减压井。 2)基坑底板抗突涌措施。基坑紧邻建筑物、地下管 线繁多,与已运营地铁3号线T形换乘,一旦启动坑 外承压水降水井,必将导致地表和建构筑物出现较大 沉降。通过在基坑外多次注浆并施作双高压旋喷桩、 基坑内布设6 ISl浅层减压井,对基底第1层⑨ 、⑨ 粉 土和粉砂含水层抽水减压,间接降低基底承压水直接 压力;基坑标准段和盾构井分块开挖分段施作结构底 板。采取上述措施未启动基坑外承压水降水井,实现了 安全封底。 4土方开挖及结构施工 4.1土方开挖 盖挖半逆作法先施作基坑内格构柱,然后分层开 挖施作顶板、中板、临时支撑和底板。基坑内的格构柱、 降水井、中板、混凝土支撑对基坑土方开挖设备利用 制约较大,尤其是减压井、疏干井均进入承压水地层, 一旦扰动基坑内降水井井管,将导致承压水沿管壁渗 透进入基坑内,极易出现基底突涌风险。为此采取先 探后挖措施.即:先对地下连续墙接缝掏槽判断围护 结构是否渗漏,并在负3层及时施作封堵钢板;同时先 开挖标准段.施作结构底板后再开挖盾构井段,逐步减 小基底风险。 北侧基坑负3层下部开挖顺序见图4。 4.2中板施工 盖挖半逆作法分层开挖后施作中板,以此作为盖挖 基坑内的水平支撑。中板施工对侧墙防水层保护、侧墙 钢筋预留及搭接是施工的难点。施工中采取了在中板开 挖对应侧墙位置下挖50 cm,把侧墙防水板和侧墙竖向 钢筋伸人中板下挖部位,并回填中粗砂(防止下层开挖 108啼 故术2015 No.2(Mar.)Vo1.33 图4北侧基坑负3层下部开挖顺序 时破坏防水板和钢筋接头);钢筋采用套筒连接(有利于 钢筋连接并可避免焊接接头损伤防水板)等保护措施。 侧墙顶部混凝土灌注 盖挖半逆作法施工,基坑开挖后从下往上浇筑侧 墙混凝土。侧墙顶部与中板之间受混凝土灌注条件、混 凝土收缩影响,容易出现灌注不饱满、不密实的缺陷, 通常采用直接法、填充法、注入法进行处理。该工程盖 挖半逆作法分层开挖分层施工中板时,在侧墙对应位 置预埋直径150mm的PVC管,间距为1 m,用于侧墙 顶部混凝土振捣、排出混凝土中的气体、观察混凝土 灌注是否饱满。有效解决了侧墙混凝土灌注不饱满的 难题。 5监测分析 基坑开挖时.坑外土体将发生水平位移和竖向沉 降。研究显示,地表沉降曲线为三角形或凹槽形l 7l。通 过对地表沉降、建筑物沉降、既有结构变形等进行监测 分析,判断基坑和结构的稳定性.及时进行信息反馈调 整施工方案和支护参数,确保基坑和环境安全。 1)地表沉降分析。基坑开挖地表沉降变形平均值 一13.8 mm,处于安全状态,但位于红旗南路上的测点 受车辆荷载影响出现波动,最大沉降值达~20.28 mm, 尚未出现地层塌陷;在基坑负3层开挖过程中地表沉 降出现上浮趋势,注浆后趋于稳定。车站基坑开挖地表 沉降变形曲线见图5。 2)建筑物沉降分析。迎水东里3号楼距基坑最小 距离l1 m,由于在地下连续墙外侧已施作双高压旋喷 桩加固地层并注入水泥水玻璃双液浆.浆液扩散有利 于地层稳定。房屋沉降可控。基坑开挖过程中距基坑 最近的YSDL3—8测点最大沉降值达一22.88 mm.并在 基坑负3层开挖过程中出现较大波动.但基坑抽水正 常后趋于稳定,其变形曲线见图6。 4.3轨道交通与地下工程器 Track Traffic&Underground Engineering 并定期检查其完好性和有效性,确保在应急状态下消 发生就有输出,因此控制地铁工程建设火灾事故发生 防设备能起到应有作用。制定完善的应急消防救援预 的关键是控制人的因素与强化管理。 案,并定期演练,不断完善、提高作业人员的消防安全 意识和应急处置能力。 2)通过对地铁工程建设火灾事故进行原因分析. 运用结构重要度的概念分析各基本事件对顶上事件 发生所产生的影响,结构重要度越大,它对顶上事件 3.3管理缺陷预防措施 管理涉及施工的各个环节,制定行之有效的管理 的影响就越大,在制定安全措施时就越值得重视。_一- 措施并严格落实。是规范施工作业、避免事故发生的 重要保证。 参考文献: 1)建立有效运行的安全体系,对作业人员的培训、 [1]游鹏飞,谢华.事故树分析法在地铁盾构施工地表沉陷事故 物料的状态以及消防设施的好坏,必须安排专人进行 中的应用IJ】.沈阳航空工业学院学报,2009,26(4):65—67. 落实,只有将这些措施落实到位,才能保证不发生事故。 【2]佟瑞鹏.常用安全评价方法及其应用【M】.北京:中国劳动社 2)制定施工作业现场动火审批制度.按照动火时 会保障出版社.2010:82—83. 间、动火部位、动火等级的不同采取相应措施,动火过 [3]滕洪辉,王继库.基于事故树的二次供水水量水压不足风险 程中设动火监护人进行现场监护,动火作业后应对现 分析【J】.工业安全与环保,2013,39(11):36—38. 场进行检查,确认无火灾危险后方可离开[8J。 [4]北京交通大学.地铁工程施工安全管理与技术【M】.北京:中 3)加大安全检查力度,除进行每日、每周、每月检 国建筑工业出版社.2012:1. [5]张军,周晶,卢振勇.事故树分析方法在建筑施工模板坍塌 查外.还要特别重视季节性检查以及节假日检查,加强 中的应用[J].辽宁工程技术大学学报,2007,26(5):706—708. 隐患排查的力度。编制火灾事故专项应急预案,成立 [6】谢飞.事故树分析法在地铁火灾评价中的应用【JJ.成都航空 应急机构和应急队伍,并定期组织演练。 职业技术学院学报,2012,28(3):63—66. 4)在施工管理过程中不断发现管理制度的缺陷, [7】徐亨成,张建国.基于BDD技术下的故障树重要度分析『J]. 运用PDCA循环改进过程,完善管理制度,强化施工 电子机械工程,2003,19(6):1—3,2O. 过程管理。 [8】中国建筑第五工程局有限公司,中国建筑股份有限公司.GB 4结论 50720—201l建设工程施1二现场消防安全技术规范『S1.北京: 笔者采用故障树对地铁工程建设火灾事故进行 中国计划出版社,2011. 分析和评价。较为全面的找出了基本事件,并提出相 应的预防措施。分析过程中得出的结论如下: 收稿日期:2014—10—29 作者简介:刘攀宇,男,工程师,学士,主要从事城市地下铁道安全质 1)根据“或”门的定义,只要有任意一个基本事件 量管理工作。 (上接第109页) [3】刘泽.承压水地层中施工换乘车站盖挖半逆作法的关键技 4)承压水地层盖挖半逆作法施工.采用先探后挖方 术研究[D】.成都:西南交通大学,2014:34—37. 法有利于降低开挖风险;中板施工时对应侧墙位置下挖 『4】严融.地铁工程结构渗漏水的治理施工技术【J].市政技术, 50 cm回填中粗砂,有利于防水板保护和钢筋的连接。 2009,27(5):495—497. 5)盖挖半逆作法基坑上部第2层土方开挖过程中, 【5]黄绍潮.浅谈工程结构渗漏水的防与治[J】1中国科技信息, 2013(17):48—49. 地表及换乘结构呈现下沉趋势,基坑负3层开挖过程 [6]Troughton V M.The design and performance of foundations for 中既有结构呈现上升趋势,通过基坑内抽水减压措施 the canary wharf--development in london docklands[J].Geotech— 使结构趋于稳定。囊 nique,1992,43(3):381-393. [7]Chang Y 0,Hsieh P G,Chiou D C.Characteristic of ground sur- 参考文献: face settlement during excavation[J1.Canadian Geotechnical [11顾洪源.大跨度大深度地下结构盖挖逆筑法施工关键技术 ]Journal,1993,30:758—767. 研究【D】.成都:西南交通大学,2010:52—55. 收稿日期:2014一lO一29 [2】付军,杜峰.地下连续墙接头形式及其在上海4号线修复工 作者简介:刘泽,男,高级工程师,硕士,主要从事隧道及地下工程施工 程中的应用【JJ.隧道建设,2010,30(6):678-682. 管理工作。 eo15 ̄2期(3.f)第33巷,;}荭技术113