城市地铁深基坑施工渗漏水原因分析与预防

赵云非，王晓琳

(1.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009;2.洛阳理工学院，河南洛阳 471023)

0 引言

随着城市地铁基坑施工深度的增加，深基坑施工中坑内降水深度也随之加深，这样就形成了基坑内外较大的水头差，给基坑施工带来巨大风险。2009年天津地铁某基坑发生透水事故，仅几分钟基坑就被淹没一半，附近一栋建筑物十几分钟内开裂、变形、倒塌，整个透水事故损失近亿元。图1为天津地区近些年统计的地铁施工中事故比例图。地铁施工中围护结构漏水占44%，基底涌水占12%，仅这2项就占整个地铁施工事故的56%，渗漏水已经成为地铁深基坑施工中发生最大的施工风险源。文献［1－3］主要介绍通过提高围护结构质量来减少渗漏水的发生;文献［4］主要就降水过程中如何防止渗漏提出了一些意见;文献［5－8］主要介绍了物探法和温度示踪法在及时发现渗漏水方面的优势，但以上文献未从根本上找到渗漏水事故高发的根源。本文从水文地质因素、施工因素、水位监测等方面综合分析了渗漏水高发的原因，并提出预防基坑渗漏水的措施。

图1 地铁施工事故发生比例图Fig.1 Proportions of accidents in construction of Metro works

1 基坑渗漏的原因

1.1 水文地质因素

在沿海和东南地区，地下水丰富，水位高，基坑降水后，基坑内外形成较大的水头差。以天津地区为例，图2为天津西站地区水文地质剖面图，初见水位0.5～1.0 m，图2中深色阴影部分为微承压水层，水头高度5～8 m，这样基坑开挖到底板标高时，就有约20 m的水头作用在围护结构上。根据以往监测数据，围护结构在开挖面上下5～8 m变形最大，围护结构一旦在大变形的情况下产生裂缝，基坑就会出现渗漏水。

图2 水文地质剖面图(单位:m)Fig.2 Profile of hydrogeology conditions(m)

1.2 施工因素

本文涉及的施工因素主要是围护结构施工和基坑土方开挖施工。

1.2.1 围护结构施工

当前城市地铁深基坑施工中主要采用地连墙作为围护结构，围护结构施工水平参差不齐，如果管理人员在现场管理不力，容易造成地连墙施工出现质量瑕疵，从而诱发地连墙出现渗漏水的风险。地连墙施工中经常出现的主要问题及形成原因如下:

1)混凝土本身质量不好，造成地下连续墙墙体混凝土开裂漏水;

2)地连墙接头管绕灰致使接头处漏水;

3)地下连续墙施作深度不够，不足以隔断透水层;

4)护壁泥浆欠佳，土体塌落于混凝土内，使地下连续墙形成孔洞引起漏水;

5)地下连续墙钢筋笼内设置的接驳器数量过多，间距较小，并且集中在一个层面上，容易形成一个隔断面，使混凝土的骨料难以充填至2层接驳器间，导致混凝土不密实而产生渗漏水;

6)地下连续墙竖直度超标、接缝加固不到位、墙体不均匀沉降，造成接头缝位置开裂。

1.2.2 基坑开挖

关于地铁基坑开挖和结构施作，现在还没有适用于全国的规范性文件，但在地铁施工较早的城市主要就开挖方法、开挖深度、架设钢支撑等内容出台了相关地铁基坑土方开挖规程。

1.2.2.1 基坑施工

地铁施工主要步序如下:1)施作地连墙—桩基础—格构柱—坑内降水;2)开挖土体至第1道支撑，施作该支撑;3)开挖土体至第2道支撑下0.5 m，施作第2道支撑;4)依次开挖至坑底，施作垫层、结构底板;5)待底板达到设计强度，拆除支撑。从施工步序可以很明显地看到基坑开挖的基本要求就是先撑后挖，施工到支撑下0.5 m后就要架设支撑，然后才能继续开挖。但现实中由于钢支撑的架设干扰挖机挖土，影响施工效率，很多施工单位为抢工期不顾安全，最终导致事故发生。

1.2.2.2 现场施工存在的隐患

图3为某基坑土方施工现场，在基坑端头，土方已经开挖至第2道支撑下5 m多，但第2道钢支撑却一直未架设。根据以往监测数据，围护结构在开挖12 h内变形最大，变形最大位置集中在基坑底板标高上下5 m范围内。如果在基坑开挖到规定深度不及时架设支撑，围护结构很可能会出现大变形，致使围护结构变形过大而开裂，给主体结构施工和基坑开挖带来安全隐患。

图3 基坑施工图Fig.3 Construction of foundation pit

地铁深基坑土方开挖过程中，另一个常见安全隐患是在围护结构外侧大量堆载。常常堆放大量钢支撑、开挖的土方、机具设备等，大大增加了围护结构的附加荷载，使得围护结构变形过大，导致与其相接的墙体错动开裂，造成围护结构漏水。

1.3 水位监测中存在的问题

施工监测作为深基坑施工的一部分，是确保工程安全的重要环节。监测的主要作用就是及时发现施工中的风险，提醒施工单位采取措施将事故消灭在萌芽之中。然而在深基坑施工过程中，地下水监测却存在诸多问题。

1.3.1 埋设时间不及时

用于指导基坑监测工作的GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》对水位监测有如下规定:潜水水位管应在基坑施工前埋设，滤管长度应满足测量要求。

什么是“基坑施工前”?一般理解基坑施工前就是基坑开挖之前，许多施工单位都是这时候才开始埋设水位管。水位管的埋设流程如下:1)用地质钻机钻孔，钻孔深度根据所测区域水位决定。2)将装好滤管的水位管下到孔内。由于钻孔时孔内有大量泥浆用于护壁，所以材质较轻的PVC管下不去，只能在管内大量注水，才能将管埋设到设计位置。3)回填土体。因为泥浆密度较大，水位管在浮力作用下会上浮错位，致使虑管不能安设在含水层内，所以需要回填土体固定管体。从水位管的埋设过程可以看到，由于下管过程中管内注有大量清水，水位管埋设后并不能立即开始测量，需要2～3周时间，待到管内水位与地层水位恢复一致时才能开始测量，而且前3天要测量3次值，取平均值作为初始值，之后才能开始水位的正式测量。由此可见，从埋设水位管到真正开始水位测量，周期为17～24 d，如果在土方开挖时才开始埋设水位管，可能会出现水位监测不及时，影响基坑安全。

如果是基坑开挖后才开始埋设水位管，往往还会错过基坑开挖前的降水阶段监测。基坑降水也是水位监测的重点，因为根据开挖前基坑降水过程中基坑外水位变化的情况，就可以初步分析基坑的渗漏水情况。

综上所述，水位管埋设的最佳时间应该是围护结构完成后基坑降水施工前，将水位管埋设好，并测量初始值。

1.3.2 各隔水层隔水措施不力

承压水由于其水量一般较大，而且有一定的压力，一旦渗漏往往会造成严重的工程事故，所以承压水是水位监测中的重点。规范中要求承压水位监测时，被测含水层与其他含水层之间应采取有效的隔水措施。规范的隔水层是采用高质量的黏土球回填到孔内，回填高度要大于原地层隔水层高度。但现场施工时，很多单位为图方便，在承压水埋管回填土时都是直接就地取土，使各含水层联通，致使水位监测的数据失去指导意义。

1.3.3 监测预警较难

规范中水位监测报警值规定地下水位变化绝对值为1 000 mm，速率为500 mm/d。

地层中由于地下水联通性强，当局部发生渗漏，其他区域水很快补给过来，监测显示水位变化不明显，难以评估水位下降带来的施工风险。由于水位监测的非连续性，一旦水位监测出现明显下降，可能已经发生大的渗漏水事故。目前的水位监测方法在实际施工中很难达到预警要求，基坑水位监测仍有大量基础工作需要各方人员不断总结与完善，并最终形成规范性文件，指导水位监测工作，保障基坑施工安全。

2 渗漏水的预防处理

预防基坑渗漏水事故的发生，不仅需要加强施工管理提高围护结构的施工质量，截断封堵渗漏水发生的通道，更应该加强基坑土方开挖过程的管理，严格按规范施工。但即使施工中严格按规范操作，在围护结构和土方施工中也难免会出现问题，当这种不利情况出现时，及时发现渗漏水并采取措施显得尤为重要，这样就可以用较少的成本，将风险消灭在萌芽之中。

2.1 及早发现渗漏

根据上文的介绍，现有的水位监测手段无法满足，只能完善和提高基坑施工中的水位监测手段。常用的有如下几种:

1)近似计算方法及室内的模型或模拟试验分析方法。该方法主要是通过现场采集数据，并根据流体力学解析解法、水力学法、图解法等进行分析判断。该方法对监测人员要求较高，而且理论计算与选取的计算方法、计算参数关系很大，预测结果只能定性反映水位变化情况。

2)同位素示踪法。该方法是通过在地层中放入同位素示踪剂，利用示踪仪进行跟踪测量，找到渗漏通道和渗漏点。可以在渗漏水发生时，对水源进行确定，预测目的不易达到。

3)高密度电法［5－6］。它是以岩土体的电性差异为基础的一种探测方法，根据在施加电场作用下的地层的传导电流分布规律，推断地下具有不同电阻率的地质体赋存状态。该方法对山区和采空区等不良地质探测较为准确，但易受电力设施和地下管线干扰，在探测渗漏水方面不具优势，而且也只能是定性的，无法定量监测。

4)温度示踪法。随着国内外对于温度示踪法和反分析研究的发展，渗流监测领域出现了新的研究理论和方法，并发展成为一种新的理论，即渗流热监测理论，在此理论基础上发展了渗流热监测技术，它不仅能更准确、有效地反映土体内部的渗流状态，而且能加深对渗流状态发展变化过程的认识，能够准确发现早期渗漏情况和渗漏点。

温度示踪法在基坑渗漏监测中主要有以下优点:①监测仪器价格低廉，现场操作简单;②可以实现长时间连续监测;③现场一般技术工人就能进行监测。

温度示踪法检测原理:地层表面的温度与环境温度有关，随季节发生周期变化。这主要是因为地层表面的温度不仅受地表附近的大气温度影响，还受到太阳照射的影响，因此地表的温度是有季节性的。由于地表水的温度是随着地表大气环境温度变化的，地表水补给到地下后，将影响地层中的温度，影响的程度与补给量和距离等因素有关。在季节温度影响点(如钻孔温度曲线上的拐点)以下深部地层的温度将随着深度的增加而上升。所以根据地层中温度的变化就可以准确地判定地层渗流的分布情况，从而确定地层的渗透性以及集中渗漏等［7－8］。

当钻孔穿过裂隙或渗漏带时，由于受地下水水平流动的影响，温度分布曲线会出现“尖峰状”异常，如图4所示。图4(a)为地层中无强渗漏带时，钻孔中温度分布的正常曲线，此时温度曲线分布只与深度有关，随深度增加而线性增加，反映正常的地层温度分布。图4(b)为钻孔穿过地层中的强渗漏带，且渗漏水的温度较高时，导致温度分布曲线出现异常，根据曲线发生异常的变化进行分析。

温度示踪法现场操作也较为简单，使用测温仪器测量水位管内不同深度水的温度，绘制曲线，根据曲线的变换规律分析渗漏水情况。这一方法与传统的方法相结合，在成本投入不大的情况下，可以较准确地预报渗漏水地点，预防涌水事故的发生。

2.2 渗漏封堵措施

对于地下连续墙的接头轻微渗漏，可采用先引后堵方式进行封堵。首先，沿地下连续墙竖向接头的混凝土表面开凿出一条约3 cm×3 cm的凹槽，放入半圆形的PVC管，此时渗水沿半圆槽向下流动，表面用速效水泥进行封堵，形成渗水暗道。其次，进行混凝土衬砌施工，当衬砌混凝土达到设计强度后，再对渗水暗道自下而上反向注双液浆，快速填充渗水通道。

当渗漏水较大时，就需要对地连墙外侧土体进行处理，常用的处理措施为高压旋喷法和袖阀管注浆法。

1)高压旋喷。高压旋喷灌浆是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层后，从喷嘴喷射固化剂，冲击破坏土体，同时提升钻杆，强制搅拌，使固化剂与土体充分混合形成一体，经固化后形成一定强度、互相咬合的地下防渗漏帷幕，从而封堵地连墙裂缝，达到阻止泥砂从裂缝处流失的目的。该方法既经济、快速、安全可靠，又不影响后续施工。

2)袖阀管注浆。用钻机进行套管钻孔，钻到规定的深度，安设袖阀管。通过袖阀管可实现定点、定位注浆，封堵地下水并对周边土体进行加固。袖阀管注浆工艺具有以下优点:①可实现定点、定位注浆;②可进行多次重复注浆;③注浆时范围较容易控制;④钻孔和注浆作业可平行作业;⑤可根据地层特点选择不同的注浆段长和注浆压力。一般渗漏水，通过上述措施基本可以实现封堵。袖阀管结构如图5所示。

3 结论与建议

基坑渗漏水防治是一项系统工程，对于施工的各个环节都十分重要。在当前的施工现状下，及时发现早期渗漏并采取有效措施是最为重要的。针对渗漏水事故的预防，有如下建议:

1)对围护结构施工过程中出现的问题进行详细记录，结合工况科学分析水位监测数据，准确分析判断渗漏水原因。

2)选择科学、有效的水位监测方法，提高水位监测的灵敏性，积极预测基坑渗漏水状况。

3)根据水位、围护结构、周边环境对渗漏水发生的风险及危害进行准确评估。

4)一旦局部发生渗漏水，应该采取积极有效、快速高效的封堵措施，预防渗漏水事故发生。

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