地铁超深基坑水下混凝土封底施工技术

刘建伟卢致强付 波许 洋廖静宇

地铁超深基坑水下混凝土封底施工技术

刘建伟1卢致强1付 波1许 洋1廖静宇2

（1.中铁隆工程集团有限公司，610046，成都；2.西南石油大学，610500，成都∥第一作者，高级工程师）

地铁基坑采用水下开挖及水下混凝土封底施工是一项技术难题。结合北京地铁8号线永定门外站工程实例,对水下封底混凝土分别采用加固土和混凝土换撑来模拟围护结构计算,验算施工期间封底结构抗浮稳定性和承载力，并针对施工重难点提出针对性措施，确保施工质量和安全持续可控。该研究对于以后类似工程的设计施工有较好的参考价值和借鉴意义。

地铁；基坑；水下混凝土；水下开挖；承压水

地铁基坑施工采用水下开挖和水下混凝土封底施工是一项技术难题。该技术在北京永定门外站中首次采用。结合永定门外站工程实例，研究卵石地层地铁超深基坑水下混凝土封底的设计及施工关键技术，对于今后类似工程的设计有较好的参考价值和借鉴意义。

1 工程概况

永定门外站为北京地铁8号线与14号线换乘车站，车站主体为地下4层框架结构，顶板覆土约3.9 m，底板埋深约31.4～33.5 m，采用明挖法施工。车站底板以下均为强透水卵石层，地下水位埋深23.2～23.7 m。车站周边建筑物密集，主要为时代窗帘广场、居民小区、在建14号线永定门外站工地以及京津城际铁路桥，车站总平面布置如图1所示。

车站所处地层主要以黏性土、粉土及砂卵石层为主，主要赋存1层层间潜水（三），埋深23.2～23.7 m，含水层岩性以砂卵石为主。车站底板主要位于卵石7层（亚圆形，级配连续，磨圆度中等，一般粒径2～8 cm，最大粒径大于11 cm，中粗砂充填约35%～40%，渗透系数220 m/d），基坑涌水量约20.1万m3/ d。地质纵剖面见图2。岩土参数见表1。

图1 车站总平面图

图2 地质纵剖面图

表1 岩土参数表

2 工程重点及难点

2.1 基坑风险高

车站标准段基坑深36.1 m，盾构井段深38.5 m，为目前北京最深地铁基坑，周边建筑物众多，管线密集，道路交通流量大。

2.2 地下水极为丰富

地下水水位埋深23.2～23.7 m，水位以下基本全为透水性非常强的卵石层，基坑涌水量约20.1万m3/d，如采用降水，费用高、施工难度大，市政管道无法满足排水需求，资源浪费严重。

2.3 施工难度大

车站地层主要为卵石地层，注浆深度大，常规基坑封底注浆方式（如旋喷桩、搅拌桩、袖阀管注浆）都无法保证注浆效果，施工难度也极大。此外，由于基坑较深，地下连续墙墙底埋深最大有47 m，对于施工机械和施工工艺要求较高。

3 基坑支护设计

3.1 围护结构方案

标准段基坑深约36.1 m（坑底按封底混凝土底考虑），基坑宽度24.9 m。地连墙厚度为1.2 m，墙底埋深43.6 m，嵌固深度为7.5 m。竖向设三道800 mm×1 200 mm混凝土支撑（支撑水平间距第一道为9 m，第二、三道为4.5 m）。

基底水下封底混凝土厚度为4 m，中间设置1 000 mm厚分仓墙，嵌固深度7.5 m，总长12 m。为防止封底混凝土与地连墙的界面渗水以及地连墙的幅间渗水，在封底混凝土顶部与垫层之间预留500 mm厚碎石层铺设盲管及集水坑，以保证车站底板防水层的无水作业。标准段围护结构支护见图3。

为保证水下封底混凝土和地连墙共同抗浮，需保证二者之间有可靠的连接，为此在封底混凝土与围护墙结合处设置抗剪槽。抗剪槽为预埋在地连墙内的凹形钢板槽，通过焊接在主筋上进行固定，抗剪槽内填充泡沫板。当水下开挖完成后，采用刷壁器配合高压水枪清除凹槽中的泡沫板和泥浆，并由潜水员进行辅助清理和检查，以确保水下封底混凝土与地连墙的有效承载搭接。抗剪槽大样图见图4。

考虑到坑内降水后坑内外水头差较高，水下混凝土浇筑难以保证新旧混凝土结合均能满足设计要求，封底混凝土与地连墙界面不可避免会出现渗漏，在界面处设置Φ42 mm@1 500 mm注浆钢花管，以便在界面出现渗漏后补充注浆封堵处理。

施工步序见图5，从第二步结束，即架设第三道支撑后进行水下开挖。具体施工程序描述如下：

第一步，施工围挡，对场地进行整平，施工导墙、地下连续墙及墙顶冠梁，施工分仓墙并回填分仓墙上部空槽部分。

图3 标准段围护结构剖面图

图4 封底混凝土与地连墙节点大样图

第二步，基坑分别干开挖至第一到三道支撑，如施工过程中地下水位上升至第三道腰梁底部以上，应采取坑内降水措施以保证在无水的情况下施做腰梁及第三道支撑。

图5 施工步序图

第三步，采用水下开挖方式开挖至基坑底部，开挖过程中，当基坑分别开挖至每道抗剪槽底部500 mm时，应清理抗剪槽中的泡沫板及残留泥渣，在开挖完成后应对地连墙及分仓墙的内壁进行清理，并采取有效的措施对清理效果进行检测，以确保抗剪槽及墙壁的清理效果。

第四步，水下开挖完成后应对基坑底部的平整度进行检测，达到设计要求后进行水下混凝土浇筑封底。全车站范围的封底混凝土浇筑完毕并达到强度后，方可进行坑内抽排水，抽排水时应加强对围护墙的监测，当围护墙的变形或内力达到橙色报警时，应立即停止抽水并向坑内回灌水体，及时通知各方到现场进行确认是否水上架设标准段第四道，盾构段第四/五道钢支撑。坑内水体抽排完成后，清理坑底淤泥及浮渣，然后铺设500 mm级配碎石层以及根据基坑渗漏水情况设置盲管及集水坑，以确保底板及防水层的无水作业环境。

第五步，施作垫层、防水层、底板、中板和侧墙至第三道支撑底，待负三层中板达到强度后，拆除第三道支撑。

第六步，继续施作防水层、各层中板和侧墙至第二道支撑底，待负二层中板达到强度后，拆除第二道支撑。

第七步，继续向上施工防水层，浇筑侧墙、顶板，待顶板达到强度后，将第一道支撑拆除，施作压顶梁膨胀混凝土。

第八步，凿除地面下导塘，分层回填顶板覆土，回填碾压密实度值为95%（重锤击实标准），并埋设市政管线及恢复路面。

3.2 围护结构计算

3.2.1 加固土等效模型

采用同济启明星深基坑支护结构分析计算软件FRWS 4.0进行计算，用加固土模拟水下混凝土，由于工况和软件功能的原因，需分别按开挖工况和回筑工况进行计算。两种工况计算稿图及计算机结果见图6～图9。

3.2.2 换撑等效模型

采用换撑等效模型模拟水下混凝土，具体方法同3.2.1。计算稿图和计算结果见图10和图11。

根据两个模型的计算结果，取内、外侧最大内力结果进行配筋计算,地下连续墙厚度1 200 mm，内、外侧纵筋均取为Φ32并筋，间距135 mm。

3.3 施工阶段抗浮验算

为避免大体积水下混凝土浇筑产生大量水化热，导致水下混凝土出现裂缝或者空洞，基坑共分16仓进行封底混凝土浇筑施工，分仓内净空尺寸为16.5 m×11.9 m。封底混凝土与地下连续墙设置两道抗剪槽，每道抗剪槽高500 mm，深200 mm，中心间距1 500mm。

图6 开挖工况计算简图

图7 回筑工况计算简图

图8 开挖工况计算结果

图9 回筑工况计算结果

图10 换撑模型计算简图

图11 换撑模型计算结果

分仓墙顶至导墙底的空槽部分采用自凝灰浆墙回填，自凝灰浆墙的无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，渗透系数不小于1×10-5cm/s。

水下开挖至分仓墙顶时应合理安排开挖顺序，采用跳仓开挖及浇筑水下混凝土，待一仓水下封底混凝土的强度达到设计强度的85%时再开挖相邻仓室。主体施工与常规明挖地铁车站无异，待水下混凝土封底完成，具备无水作业条件，即可进行车站主体浇筑，无需进行分仓。

考虑到基底分成若干个独立仓室，施工期间只需每个独立仓室抗浮满足要求，则水下封底混凝土整体抗浮均能满足要求，施工阶段抗浮按单个仓室进行验算。施工阶段抗浮稳定性安全系数（Fd+Fq+Fw）/Ff=1.255 ＞ 1.05，满足规范要求。其中：Ff为仓库水浮力，Fd为水下封底混凝土自重，Fq为分仓墙自重，Fw为围护墙自重。3.4 封底混凝土强度计算

采用Midas Gen软件建立三维模型进行封底混凝土的内力计算，考虑到分仓墙为相邻两仓共用，单仓建模计算时分仓墙厚度取总厚度的一半，标准段水下封底混凝土板的支座反力见图12，弯矩见图13。

从内力图可以看出，抗剪槽需提供的最大每延米剪力为486 kN/m，封底混凝土的每延米最大弯矩为1 260.3 kN·m/m。

根据《混凝土结构设计规范》6.3.3，不配置箍筋和弯起钢筋的一般板类受弯构件，其斜截面受剪承载力应符合下列规定：

式中：

图12 支座反力图

图13 封底混凝土每延米弯矩图

V——每米宽度最大剪力的设计值，kN；

h0——截面有效高度，取1 000 mm；

βh——截面高度影响系数，当h0＜800 mm时，取800 mm；当h0＞2 000 mm时，取2 000 mm；

b——计算宽度，取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉强度设计值，N/mm2。

V=1.25×486=607.5 kN/m

0.7 βh·ft·b·h0=0.7 ×（800/1 000）×

0.25 ×1.57×1 000×1 000/1 000=1 039.37 kN/m。

V=607.5 kN/m＜1 039.37 kN/m，斜截面受剪承载力满足规范要求。

根据《混凝土结构设计规范》附录D.3.1，素混凝土受弯构件的受弯承载力应符合下列规定：

M=1 260.3× 1.25=1 575.4 kN·m

M=1 575.4 kN·m ＜ 3 876.03 kN·m，受弯承载力满足规范要求。式中：

γ——截面抵抗矩塑性影响系数，取为1.201；

M——每米宽度最大弯矩的设计值，N·mm；

b——计算宽度，取1 000 mm；

fct——素混凝土轴心抗拉强度设计，N/mm2，按混凝土轴心抗拉强度设计值ft乘以系数0.55取用；

h——截面高度，mm。

根据CECS 137—2002《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》6.1.13条，水下封底混凝土的厚度按下式计算：

式中：

ht——水下封底混凝土厚度，mm；

M——每米宽度最大弯矩的设计值，N·mm；b——计算宽度，取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉强度设计值，N/mm2；

hu——附加厚度，可取300mm。

封底混凝土所选取的厚度为4 000 mm＞3 341 mm，满足规范要求。

4 施工难点及对策

水下开挖和水下混凝土封底技术常应用在平面尺寸较小的沉井工程中，在规模较大的地铁工程中应用在国内还是首例，特别是施工方面尚无成熟经验可循。通过分析，对施工难点及对策归纳如下：

（1）方案难点是地下连续墙施工质量、封水措施、混凝土封底质量及围护结构变形控制。

（2）地铁领域基坑水下开挖施工工艺不成熟，需通过现场试验优化施工工艺，提前做好水下开挖方法的试验工作以确定设备选型及配置。水下开挖时，基坑内水位需高出坑外地下水位标高，并做好地下连续墙变形及内力监测工作。

（3） 抗剪槽的施工效果对本方案的坑底抗浮影响较大，因此施工中，需重视对抗剪槽的清理效果，清理时应采用水下摄像或物探的方式对清理效果进行检查。需组织具备水下剪力槽施工能力及经验的队伍施工，做好详细的施工组织安排以及应急预案。

（4）由于多道分仓墙的实施，围护墙与封底混凝土的界面较长，后期存在界面出现渗水的风险。应加强水下封底前地下连续墙界面清洗检查工作，高度重视对围护墙与封底混凝土间的截面刷壁清理效果，封底混凝土与连续墙界面如出现较严重的渗漏水，需及时对预埋的注浆管进行补充注浆。

（5）封底混凝土分仓浇筑为水下大体积混凝土浇筑，需施工单位做好现场的场地布置以及混凝土泵车的运输组织，以保证每仓混凝土的一次性浇筑，另大体积混凝土浇筑后将产生较高的水化热温升，形成不均匀非稳定温度场，产生非均匀的温度变形，温度变形在下部结构和自身的约束之下将产生较大的温度应力，温度应力往往超过混凝土的抗拉强度，导致混凝土开裂。施工过程中需严格控制混凝土中胶凝材料水化热总量以及混凝土拌合及浇筑温度，以控制混凝土内外温差产生的裂缝。

5 结语

通过对地铁超深基坑水下混凝土封底设计及施工技术的分析研究，理论上该技术在地铁超深基坑工程上应用基本可行，但在施工过程中还应高度重视试验、科研和监测工作的指导反馈作用，严格按应急预案要求做好应急准备，以保证施工质量和安全持续可控。

（1）为确保施工安全，除了需要监控量测信息的及时反馈外，更应加强试验及科研工作的投入。如：针对施工中存在较高风险或对工程质量有重大影响的施工工序技术攻关，通过试验和虚拟建造等技术手段对关键施工工序进行预演，对施工效果进行预测，保证设计方案的成功实施。

（2）施工过程中应重点关注地铁施工对周边建筑物的影响，应充分利用信息化监测成果指导施工，编制周全实用的应急预案并做好充分准备，保证施工过程中的事中可控和事后可调。

［1］ 吴成三.地铁施工不降水开挖基础的先进经验［J］.铁道工程学报，1991，6（2）：61

［2］ 高平原.上海长江大桥基础工程承台水下封底混凝土施工技术［J］.水运工程，2009，5（5）：143

［3］ 韩建勇，何拥军.海洋深水试验池深基坑施工技术［J］.地下工程与隧道，2008，1（1）：31

［4］ 吴洁妹，刘加峰，张国磊，等.超深地下连续墙预埋剪力槽制作、安装施工方法［P］.中国专利：CN103924616A，2014-07-16.

［5］ 樊玲，陈俊，尹小波，等.强富水厚层砂卵石深基坑突水三道防线技术研究［J］.交通科学与工程，2012，6（2）：1

［6］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

On Underwater Concrete Bottom Sealing Technology in Subway Deep Foundation Pit Construction

LIU Jianwei，LU Zhiqiang，FU Bo，XU Yang，LIAO Jingyu

Underwater excavation and concrete bottom sealing technology in subway foundation pit construction is a key technical challenge.Taking the Yongding Gate Station project on Beijing subway Line 8 as an example，the reinforced soil and concrete support replacement are used to simulate underwater concrete bottom sealing for the retaining structure calculation，the anti-floating stability and bearing capacity checking for the sealing structure during construction period.According to the construction difficulties，specific measures are put forward to ensure the sustainable control of construction quality and safety.This research has good reference value and significance for future design and construction of similar projects.

subway；foundation pit；underwater concrete；underwater excavation；confined water

TU94+2：TU473.2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.019

First-author′s address Ranken Railway Construction Group Co.,Ltd.，610046，Chengdu，China

2016-02-25）