地鐵附屬基坑開挖策略研究

田曉琳

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100041）

0 引言

城市地鐵工程具有施工體積大、建筑單元多、地層及周圍結構復雜、施工程序多、技術要求高、施工時間緊張等特點，要求施工過人員能夠準確識別地鐵附屬基坑開采風險，制訂相應的防范措施，以防止對地鐵附屬基坑開采造成不良影響。所以，對地鐵基坑工程進行風險分析和控制有重要意義。

1 工程概況

該車站為天津地鐵8 號線一期工程起點站，位于資陽路和羅平道交口西側綠水園內，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

該站有效站臺中心里程為DK16+779.638，設計起訖里程：左線為DK16+337.790—DK16+863.938，右線為DK16+343.110—DK16+863.938，車站范圍內主線之間的距離為15.7m；為島嶼式終端平臺，有效平臺寬度為12.5m，標準部分為地下兩個三柱延伸矩形框架結構，總寬度為21.6m；平臺中心面板底部約為16774m。該站設置四組風亭，兩個出入口。其中，1 號、2 號風亭為車站主體頂出、3 號風亭和D 號出入口位于變電站東側，4 號風亭位于車站西側。所有子結構均位于地下，且是在開鑿坑之前建造的。基坑總平面布置圖如圖1 所示。

地鐵基坑附屬結構的支撐體系是指用于支撐、穩定、保護基坑四周土體的結構系統，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，常見的形式有鋼梁和鋼板樁等。鋼支撐具有較高的強度和剛度，適用于不同地質條件下的基坑支護[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、耐久性強等特點，比較合適長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構。這種支撐方式適用于較小規模的基坑。第四，綜合支撐系統。結合以上多種方式，通過組合設計、交叉施工等方式形成的綜合支撐體系。這種支撐系統的優勢在于能根據不同的地質條件和工程要求，靈活選用合適的支撐形式。

2 工程水文地質情況

在地鐵附屬基坑開挖工程中，進行水文地質調查對設計和施工工作至關重要[2]。根據相關數據，可將該工程劃分為3 個水文地質巖組：

2.1 潛水含水巖組

人工填土層（Qml）、全新統上組陸相沖積層（Q43al）及海相沉積層（Q42m）視為潛水含水層。含水介質顆粒較細，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。排泄方式主要有蒸發、人工開采和向下部承壓水、地表水體滲透。沼澤相沉積層（Q41h）粉質黏土（地層編號⑦）及下組陸相沖積層（Q41al）粉質黏土（地層編號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隔水層。

勘察期間測得場地地下潛水位如下：地下水深2.60～4.50m，相當標高0.26～0.34m。恒定水位深度1.30～3.70m，相當于每年上升1.06～1.15m，地下水位波動約0.50～1.00m。

2.2 第一承壓含水巖組

第一承壓含水層：全新統下組陸相沖積層（Q41al）砂質粉土（地層編號⑧2）透水性好，為微承壓含水層。上更新統第五組陸相沖積層（Q3eal）的粉質黏土（地層編號⑨1）及上更新統第四組濱海潮汐帶沉積層（Q3dmc，地層編號⑩1）透水性相對較差，可視為第一承壓含水層隔水底板。根據場地旁蘭坪路站抽水試驗結果，該承壓水水頭大沽標高約為-0.83～-0.79m。

2.3 第二承壓含水巖組

第二承壓含水層：上更新統第三組陸相沖積層（Q3cal）粉砂（地層編號?1t、?4）透水性好，為微承壓含水層。上更新統第二組海相沉積層（Q3bm）粉質黏土（地層編號?1）透水性相對較差，可視為第二承壓含水層隔水底板。根據場地旁蘭坪路站抽水試驗結果，該承壓水水頭大沽標高約為-1.29～-1.18m。

3 地鐵附屬基坑開挖風險分析

地鐵附屬基坑工程的施工條件十分苛刻。地鐵一般是在較發達的市區修建的。這些地區建筑樓層高、密度大，交通相對堵塞，建筑工地相對較差且狹窄，給建筑施工帶來了很多不便。地鐵附屬基坑工程施工，需要提前對周圍環境地表水方面的問題進行提前查看，明確坑周坑內的明水排放情況，注意坑周邊的防護措施以及施工現場的地面硬化程度，對有可能排入施工現場的各種水源進行調查，并制訂有效的堵截措施。在老黏土分布區域，更要禁止地表水滲入基坑內，避免給地鐵附屬基坑工程施工帶來麻煩。提前做好準備工作，能夠有效避免上述問題，確保地鐵附屬基坑施工正常運行。同時，開展地鐵附屬基坑工程應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構，以及地鐵附屬基坑周圍的市政管網分布情況。對市政道路和生態環境進行詳細的考察，確保地鐵附屬基坑施工不會對周圍環境造成威脅。

3.1 邊坡（護壁）滲漏

這種現象最常見于地下地鐵附屬基坑，主要發生在多變飽和土壤中，斜坡發生泄漏時，斜坡會坍塌或局部不穩定。據統計，大多數地鐵附屬基坑開挖事故的發生都與其有關。

3.2 基坑邊滑移

如果在無支撐的斜坡上開挖深層結構，會由于傾斜體承載力不足而形成斜坡，從而引發基坑邊滑移風險。

3.3 地面開裂、坍塌

邊坡發生位移，水、砂外泄，進而導致地表結構失穩與崩塌。為避免在地鐵附屬基坑挖掘時因水分損失而引起地表坍塌，必須在基坑內采取排水措施。此外，局部層失水嚴重時，上部軟土會因失水而產生較大的滑坡[3]。

3.4 底隆起

底部隆起通常發生在坡度較差的軟土上，主要是由于支撐結構的淹沒端變形較大，結構底部存在弱隔水層，地下水位上升或存在高水頭區域可能增加地下水的滲透壓力，導致基坑底部隆起。

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，地鐵附屬基坑開挖可能會遇到承壓水。這種情況通常發生在地質條件復雜、地表附近有河流、湖泊或高含水層的地區。

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

第三，施工未及時進行排水控制。施工過程中若沒有采取有效的水文地質調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排空，并持續積蓄壓力，可能導致承壓水突涌。

第四，施工或支護結構破損。在施工過程中，如未嚴格按照設計和施工規范進行操作，或者施工過程中發生了意外事故，如管道因受侵蝕破裂、承壓層破裂等，可能導致承壓水突涌現象。因此，進行地鐵基坑開挖工程前，必須進行詳細的地質勘察和水文地質調查，并制訂相應的防控措施，預防和應對承壓水突涌現象。

3.6 圍護結構涌水涌砂

在地鐵附屬基坑深部開挖過程中，其圍護結構直接影響支撐系統的質量與安全。若圍護結構不良，會造成地鐵附屬基坑基礎質量差。在地鐵基坑挖掘過程中，許多涌水涌砂現象是水對屏障壁的影響增加引發的，如公共屏障壁出現裂縫，導致地下水大量積聚。

4 地鐵附屬基坑開挖風險控制對策

4.1 邊坡（護壁）滲漏控制措施

第一，盡可能快地確定和斷開水源。

第二，出現砂子（流）且趨勢變大的時候，應立刻將涌砂通道（預埋導流管）封閉起來，之后對涌砂區域進行加固，用水泥漿等方法進行回填。

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的引水管，再用水泥砂漿進行抹面，同時可以放置少量的鋼筋對砂袋進行固定。如果塌方范圍很廣，應立即停止開挖，然后將土推出施工面，防止土壤進入塌方現場，然后將多余的土分塊移除，將管道埋在水循環中，填充砂袋，將鋼絲網和鋼板掛在表層，然后在表層噴灑混凝土。

第四，在樁之間發生泄漏的情況下，必須埋設管道以轉移水，并加強樁之間的土壤支撐[4]。

第五，合理選擇材料和施工方式。選用適當的邊坡（護壁）材料，并確保其具備良好的防水性能。根據地質條件和施工要求，選擇合適的施工技術，如水泥漿墻、加固土擋墻等。

第六，嚴密監測和及時修復。對邊坡（護壁）進行連續監測，包括滲漏、開裂、變形等指標，一旦發現滲漏問題，應及時采取修復措施，如注漿、堵漏等。此外，在施工過程中，必須加強對周圍環境和基坑支護結構的監測，若支護結構發生大變形的情況，應及時召開專家會議，制訂加固方案，并對基坑邊坡進行加固。

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，或者對坡腳處造成干擾，極易因滲漏造成滑坡災害。因此，為防止滲漏引發滑坡災害，需要采用下列方法：在地基上建立適當的排水口，以降低土壤的含水率，避免地表水流入基坑；嚴格控制開挖位置和開挖坡度等；在施工作業地面設置露天水渠，并設置專人定時抽排施工范圍內的水。如果遇到暴雨，需要在斜坡上鋪設塑料薄膜，以免雨水對斜坡結構產生不利影響。

4.2 支撐失穩基坑崩塌的控制對策

鋼支撐是建造該地鐵附屬基坑開挖項目基礎最重要的支持系統。當局部不穩定或變形發生時，會對整個支撐結構的性能產生負面影響，可能會發生坑崩塌等事故。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，需根據地質條件和工程要求（如穩定性和承載能力等）選擇適當的支撐方式。第二，對基坑支撐結構進行連續監測，包括溫度、應力、變形等，一旦發現基坑支撐失穩或崩塌跡象，應立即采取緊急處置措施，減少損失和風險。

4.3 基底隆起控制對策

第一，基底隆起嚴重時立即停止開采，堆放材料或充填壓力；第二，及時在基坑內部設置移動監測點，并做好現場監控；第三，底坑進行焊接加固，但不應使用對各層干擾較大的技術，同時應仔細考慮和監測減少干擾的方法；第四，加強地下水排水，并監測周圍環境。

4.4 坑底承壓水突涌控制對策

第一，準備足夠的砂石和蛇皮袋，若是基礎井突然升起，應使用蛇皮袋進行填充，然后在基礎井開挖面以下使用砂漿進行澆筑。第二，根據地質情況和水文特征，合理設置排水系統，確保及時有效地排除坑底積水。第三，基坑開挖前，進行充分的水文地質勘察和分析，了解地下水位、水文特征等，為后續施工做好準備。第四，在基坑施工過程中，實時監測水位，設立預警機制，及時發現和處理水位上升的情況，防止承壓水突涌。對于坑底承壓水突涌的情況，可以采用降水措施，如設置抽水井、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，降低承壓水突涌發生率[5]。

4.5 圍護結構涌水涌砂控制對策

根據經驗，在地鐵附屬基坑開挖過程中，應注意采取以下控制對策：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域。第二，如果泄漏區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，使用鋼板和快速水泥防止排水管邊緣滲漏，并在密封材料達到強度后關閉排水管。

4.6 嚴格管理和培訓

第一，制訂明確的管理責任和制度。確定各級管理人員和工作人員的責任，明確工作流程和標準操作規程，確保工作規范、有序進行。第二，加強培訓，促進技能提升。根據崗位需求，制訂培訓計劃并組織培訓，提高施工人員專業知識和技能水平的提升，使其具備應對工作中的挑戰和任務的能力。第三，強化安全意識和文化建設。通過培訓和宣傳，提高施工人員的安全意識，使其養成遵守安全規范的良好習慣。第四，定期進行安全檢查和評估：建立定期的安全檢查機制，對施工操作流程等進行檢查和評估，發現并糾正潛在的安全隱患和問題，確保工作環境安全。第五，持續改進。倡導持續改進和學習的理念，定期開展經驗交流和總結會議，分享成功經驗和教訓，推動地鐵附屬基坑開挖施工水平的持續優化和提升。

5 結語

綜上所述，通過合理選擇開挖策略和采取相應的措施，可以減少施工風險、縮短工期、降低成本，并最大限度地保護現場的安全和環境。然而，需要注意的是，每個工程都具有其獨特性和特定要求，因此在實踐中還需根據具體情況進行綜合評估和調整。未來通過對相關施工技術的不斷研究和創新，可以更有效地提高基坑開挖的效率、質量和安全性，為城市地鐵擴建工程的順利推進提供保障。