泉域富水地層復雜管線條件下深基坑綜合施工技術

劉康 LIU Kang

（中鐵十四局，濟南 250000）

0 引言

濟南市作為泉城馳名中外，獨特的地質條件形成獨特的城市。近年來隨著各城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，濟南市軌道交通起步較晚，獨特的地質條件更是增加了城市軌道交通的建設難度。城市軌道交通作為地下空間的開發(fā)的重要組成部分，對城市的地下空間建設具有探索指導意義。盡管濟南地區(qū)泉水成因各學術專業(yè)未達成共識，但濟南復雜的地質條件及獨特地形已是公認的事實。泉城地質條件富水且地下水流速快、補給快，地層地質既有過水通道又有隔水層。濟南有作為山東省省會城市，城市管線復雜，如各鐵路線電力線、通訊線、國防光纜、給水、燃氣等各種管線，地下空間開發(fā)必然面臨諸多問題。在濟南這種復雜的泉域地質條件下，深基坑工程必然面臨基坑涌水、常規(guī)圍護結構缺陷等技術難點，本文通過濟南地鐵R1線大楊站深基坑工程出現(xiàn)的相關問題及解決技術措施進行總結分析，希望對相關地質條件下深基坑施工提供一定的借鑒意義。

1 工程簡介

1.1 總體概況 大楊莊站總長514m，標準段寬22.7m，盾構井段寬27m，換乘節(jié)點段寬40.7m。車站標準段基坑深16.4m，坑底位于細砂層或卵石層，采用明挖順做法施工，圍護結構采用套管咬合樁；換乘節(jié)點段基坑深27m，坑底位于粉質粘土層，采用明挖順做法施工，圍護結構選用1000mm厚地下連續(xù)墻。

1.2 水文地質情況 大楊站處于濟南濟西水源地臘山片區(qū)，周圍地下水豐富，為濟南泉水補給地。大楊站地質情況揭露依次為①1雜填土①2素填土⑦黃土⑧粉質粘土⑧1卵石⑧2細砂⑧3粉土⑧4粘土⑩粉質粘土⑩1卵石⑩2細砂⑩4粘土1○粉質粘土1○1卵石1○2中砂11○4粘土；由于濟南巖溶水的頂托補給作用，在⑩粉質粘土中形成了一系列的水流通道，使得⑩粉質粘土孔隙比進一步增大，滲透性增強。在⑩粉質粘土原始結構未受擾動時，由于鐵質氧化物的膠結作用，⑩粉質粘土具有較高的力學強度和較低的壓縮性，力學性質相對較好，較適宜作為基礎持力層。然而一旦⑩粉質粘土的原始結構被擾動或受水浸泡軟化、膨脹，其力學性質會迅速降低。車站地下水位埋深4m-8m。

1.3 復雜管線 大楊站南端頭位于經十路與齊魯大道交叉口，管線錯綜復雜，主要管線有110kV電力管溝、1000mm給水管、400mm給水管（共計5條）、1000mm雨水管等若干；1號風亭基坑平面面積3000m2，異形超大基坑，管線有220kV電力拉管（京滬高鐵線），橫跨基坑，埋深3.5m-7.1m，無法遷改。

2 特殊泉域條件下深基坑技術難題及處理措施

面對以上復雜條件，針對泉城的保泉要求，提出了總體采用“排、灌、堵、疏、導、凍、平”的綜合保泉處理技術。排：基坑降排水，基坑盡量采用淺埋方式，減少基坑降水排水量；

灌：采用回灌技術，基坑降水采用一體化回灌，保證回灌率80%以上；

堵：采用注漿封堵基底等，保障基坑安全開挖，減少抽排水；

導：基底碎石+土工布換填，保障結構完成后基底泉水流動疏導暢通；

凍：采用液氮凍結、鹽水凍結技術處理關鍵部位（聯(lián)絡通道、盾構接收、1號風亭圍護結構止水帷幕缺口），保障盾構安全接收及基坑安全開挖，降低對泉水水質的污染；

平：基坑中板采用水中接收、平衡內外水頭，減少抽排水量；凍結基坑采用分層分步降水，有效保護泉水水質、平衡降水量與凍結壁消融關系。

2.1 泉域富水地層及復雜管線條件下深基坑施工技術問題及解決方法

技術難題1：粉質黏土層透水性強、隔水效果差，造成基坑降水難度大基底大量涌水。

解決方法及不足：傳統(tǒng)鉆孔灌注樁+旋噴樁止水帷幕變更為全套管咬合樁或地下連續(xù)墻形式。采用咬合樁、地下連續(xù)墻所取得一定效果，但須重點關注樁身插入比與基坑降水內在聯(lián)系。例如：換乘點地下連續(xù)墻插入比較大、基坑深26.5m，基坑降水較少；標準段咬合樁插入比不足，未有效隔離承壓水，基坑降水量大且降水困難。

技術難題2：盾構接收加固區(qū)地質條件復雜，存在砂卵石層，由于管線等環(huán)境條件無法有效加固接收區(qū)，盾構接收安全風險大。

解決方法：液氮垂直凍結+車站水下接收綜合方法；液氮垂直凍結解決洞門破除安全性及時效性優(yōu)點；車站中板水下接收解決接收安全風險，但注意車站結構支撐體系、防水體系處理。

技術難題3：重要管線原位保護對富水地層深基坑圍護結構止水結構影響，圍護結構不能全封閉，基坑止水結構封閉困難，存在基坑圍護結構缺口，存在基坑涌水涌沙基坑坍塌風險。

解決方法：整體圍護結構采用地下連續(xù)墻，管線缺口采用高配筋鉆孔灌注樁+地表深孔注漿、缺口鹽水垂直凍結止水技術解決問題。

2.2 特殊地質基底涌水問題及解決方法

大楊莊站基坑底部位于砂卵石地層，為透水層，砂卵石層上層、下層均為粉質粘土層，土層物力性質較好，在傳統(tǒng)意義上為隔水層。但在實際基坑開挖過程中，粉質粘土層在地下承壓水作用下，形成豎向過水通道，無法有效阻隔下部承壓水，基底出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。且粉質粘土在地下水浸泡和施工擾動作用下性質變差，呈泥漿狀態(tài)，給基坑土方開挖、外運造成較大困難。

鉆孔灌注樁在砂卵石地層施工難度大，且易產生塌孔、縮頸等問題。

高壓旋噴在砂卵石地層易產生流漿、串漿的現(xiàn)象，浪費大量原材且難以連接成整體，孔隙較多，無法發(fā)揮止水的效果。

例如：大楊莊站某出入口圍護結構采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁施工。基底設計有1個局部深2m集水坑，位于砂卵石地層，在開挖過程中出現(xiàn)涌水，且水中夾雜泥沙，因涌水量大，且水具有承壓性，造成工期多次延后；后增加基底旋噴樁封底或袖閥管，取得較好效果，順利完成結構施工，但工期比計劃延期6個月。

同區(qū)域位置采用鉆孔灌注樁圍護結構基底出現(xiàn)大面積涌水現(xiàn)象。經過先期對大楊站水文地質的深入了解和勘測，大楊站圍護結構換乘點采用地下連續(xù)墻，標準段個全套管咬合樁，基本解決基底大面積涌水現(xiàn)象。

大楊莊站換乘點基坑深27m，采用地下連續(xù)墻作為圍護結構，插入比為17/27=0.63，基坑封閉性較好，止水效果明顯，降水量較少；標準段采用咬合樁作為圍護結構，插入比為8/17=0.53，基坑封閉效果較好，但由于樁身插入比不足，粉質黏土透水性強存在豎向過水通道等原因導致不能有效隔離卵石層承壓水，基坑降水量大且降水困難，降水成本加大。

對比發(fā)現(xiàn)，在濟南泉域地層中設計插入比適當增加有助于減少施工成本進而減少項目總成本。

3 關鍵施工技術應用

3.1 復雜管線條件下液氮垂直凍結、車站中板盾構水中接收綜合施工技術

大楊莊站接收加固區(qū)地質條件復雜，存在砂卵石層，旋噴樁加固效果不理想，現(xiàn)場對區(qū)間接收端頭兩個洞門進行水平探孔檢查，洞門出現(xiàn)涌水涌沙現(xiàn)象；

大楊莊站盾構接收端上方管線眾多，錯綜復雜，有①2.1*2.0m電力管溝，埋深2m，內有110kV高壓線3根，10kV高壓線20根；②直徑1000mm高壓供水管，埋深1.5m；③直徑1000mm雨水管，埋深1.5m；④通信管線，埋深1.2m，不滿足地面重新施做樁墻等加固條件。

大楊莊站位于濟西水源地，地下水異常豐富為保障盾構安全順利接收，經各參建方論證采用液氮垂直凍結、車站中板水中接收綜合施工技術。預先對工作井基坑連續(xù)墻外側一定范圍內的含水地層進行加固，使之具有一定的強度和封水性，且具有一定承載作用。洞門破除時可確保地層穩(wěn)固，降低地層涌水涌沙、坍塌等風險。

因盾構機接收位于中板上方，在車站中板結構上增加一圈擋水墻作為蓄水池，為水中接收提供條件。為增加中板承載力，在中板下施做14根1000mm*1000mm方形支撐柱，保證接收時車站結構安全。盾構機在出洞過程中，及時調整蓄水池液位，保持端頭內外水土平衡，避免涌水涌沙，為盾構安全接收提供保障。盾構機車站中板接收結構斷面如圖1所示。

圖1 盾構機中板接收斷面圖

3.2 圍護結構缺口處理施工技術

3.2.1 圍護結構缺口問題

大楊站水文地質條件復雜，周邊管線及其重要，涉及全市60%以上供水、京滬高鐵供電、區(qū)域干線光纜、周邊軍用光纜。更重要的是基坑深度27m，基坑距運營的京滬高鐵不足80m，幾乎在本地區(qū)無類似深度基坑經驗可循。

例如：2017年9月21日，基坑發(fā)生涌水事故，造成大量財產損失。發(fā)生的原因為砂卵石及粉砂地層咬合樁與地下連續(xù)墻接縫存在10cm縫隙，開挖后造成涌水。

3.2.2 圍護結構缺口采用垂直凍結解決電力管線原位保護施工技術

大楊莊附屬結構1號風亭上方管線橫跨基坑，且埋深較深，深度7.1m。圍護結構不能全封閉，極易導致開挖過程中出現(xiàn)涌水涌沙、基坑坍塌的風險，威脅京滬高鐵運行安全；采取方案為整體圍護采用地下連續(xù)墻，管線缺口采用高配筋鉆孔灌注樁+地表深孔注漿、鹽水垂直凍結技術解決止水問題。設計平面布置如圖2所示，現(xiàn)場電力保護套管安裝實景如圖3所示。

圖2 圍護結構缺口處平面設計

圖3 圍護結構缺口處管線原位保護

每側將3根1.2m樁基護筒及12根200mm冷凍管預埋管位置挖出，深度要超過管線底50cm，4根200mm注漿管護筒以及2根觀測管埋設。凍結壁未達到實際要求前基坑內禁止降水，以免造成溫度損失，影響凍結效果；凍結進尺23m，凍結施工周期40d。凍結壁達到實際要求且穩(wěn)定后進行基坑降水，基坑降水量與對凍結溫度影響如表1所示：基坑降水一周后隨著降水量的減少凍結消融與補充基本平衡，凍結壁深度維持在17.5m左右，累計消融5.5m。

表1 基坑降水量與對凍結溫度影響

4 結束語

濟南素有泉城之稱，地質條件較為復雜，含砂層、卵石層較多，并有地下溶洞碎巖等地質情況，地下水系發(fā)達，流動性較大并具有一定的承壓性；單一的基坑圍護形式不能很好的起到基坑封閉止水的作用，易導致基坑降水量大、降水難和基底涌水涌沙現(xiàn)象的發(fā)生，進而導致深基坑面臨較大坍塌安全風險，或增加深基坑過程基坑降水、基底清淤工程量，增加工程風險和施工成本，或過度降水對濟南泉域地下水破壞及污染嚴重。泉水是濟南的名片，泉城地下水尤為珍貴深基坑建設尤要注意基坑圍護方案做到全封閉、深插入、少降水。結合本工程實際施工經驗，濟南地區(qū)水文地質條件的特殊性，做好保泉保水工作。地下工程施工必須采用多種形式結合的圍護結構+基坑降水回灌+特殊位置凍結等綜合施工技術，能有效增強基坑封閉性、減少基坑降水量，降低基坑降水造成的地下水資源的浪費，降水回灌對補充地下水資源、減少地下水流失效果明顯，是保水保泉的重要方式。