对承压水层泵房施工的风险及变形规律分析

陈永彬

摘要：本文以北京地区某位于承压水层的盾构区间废水泵房施工为例，计算了承压水出现突涌的可能性，分析了承压水突涌的主要原因，对承压水突涌后泵房所在联络通道拱顶沉降规律、侧墙收敛规律及泵房上方地表沉降规律进行了简要分析，并根据本次施工经验总结了位于承压水层泵房施工过程中控制承压水突涌的关键工序。

Abstract： This paper takes the construction of a wastewater pumping station located in confined water layer of shield zone in Beijing for example， calculates the possibility of the confined water inrushing and analyzes the principal reasons of the confined water inrushing and the rules of crown settlement of contact channel， sidewall convergence and surface subsidence after the confined water inrushing. According to the experience of this construction， this paper summarizes the key processes of controlling the confined water inrushing in the course of constructing the wastewater pumping stations.

关键词：承压水;泵房;风险;变形

Key words： confined water;pumping stations;risk;distortion

中图分类号：TU991.35                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0151-03

0  引言

深基坑施工中承压水损害是各种地下工程中，最直接、最广泛的危害之一[1]，现在城市地铁工程建设项目较多，如何控制承压水是地铁建设工程中的一个难点[2]。基坑开挖时，承压水隔水层对基坑变形有着重要影响[3]，只有稳定的控制了承压水，才能保证基坑安全，假如在对承压水的控制方面出现问题，可能将会出现基坑底部隆起、侧墙流砂等危险状况[4]。在北京地铁工程的施工建设中，探索出一套相对成熟的地下水处理经验，并形成了基于降水和堵塞的协调处理方法[5]。

开挖基坑必将引起周边地下水位和应力场的变化，从而引起土体变形[6]，变形监测成果是信息化施工的重要依据[7]，确保基坑的正常施工和周围建筑物的安全具有重要意义[8]。

本文以北京某线承压水地层中泵房施工为例，计算了承压水突涌可能，描述了施工过程风险及应对措施，总结了变形规律。

1  工程概况

本项目废水泵房开挖尺寸：长6.1m、宽3.3m、高3.45m，见平剖面图1及纵剖面图2。废水泵房埋深约21.5m，地层由粉质粘土层、细中砂层、粉质粘土层自上而下组成。开挖范围内存在承压水（三），开挖泵房底部下方存在承压水（四），见地质剖面图3。废水泵房结构采用直边墙复合式衬砌，初期支护采用超前小導管，钢筋网，再结合C20锚喷混凝土进行联合支护，二次衬砌则是采用了C40钢筋混凝土，外部防水层安装在初期支护与二衬之间。

2  施工方案

2.1 土体加固方案

为防止泵房施工期间对周围地层扰动或者造成地层损失[10]，引起土壤不稳定，施工前对结构初支和隧道周围7m范围内的地层采用深孔注浆方式进行加固，浆液为水泥-水玻璃双液浆，注浆孔孔底间距80cm，梅花型排布，注浆初压0.2～0.5MPa，稳压1.0～1.5MPa，以渗透注浆方式为主，劈裂式注浆为辅。加固范围见图4。

2.2 土方开挖方案

采用倒挂井壁法施工，泵房自上而下边开挖边支护。渣土由人工装袋，倒运至隧道内运出;泵房开挖采取顺向分层分区开挖的方式（见图5），首先开挖①区，挂网喷射混凝土注浆后进行②区开挖，依此类推，最后开挖中间④区。封底施工时先按照上述顺序完成井壁格栅安装后，再按照封底格栅的布置，纵向开挖，每次开挖间距按封底格栅进行。在施工过程中，应根据格栅节点的布置和横撑布设的位置，做好扩挖部位的分块开挖，严禁从一侧向通长方向的开挖[9]。

3  承压水突涌风险分析

泵房施工需穿过承压水（三），泵房底部位于承压水（四）上方2.08m，泵房施工依次穿越粉质粘土层、细中砂层、粉质粘土层，如图3所示。

最初开挖第1层粉质粘土时，承压水（三）作用在第1层粉质粘土层底部的向上压力F1为1300N（见公式1），第1层粉质粘土自身重力G1为348N（见公式2）。

F1=ρ水×g×h1×S1≈1300              （1）

式中，h1为第1层粉质粘土层底部到承压水（三）水头的高度;S1为泵房底板面积。

G1=ρ粘土g×h2×S1≈348               （2）

式中，h2为第1层粉质粘土层厚度;S1为泵房底板面积。

当开挖第2层粉质粘土时，承压水（四）对第2层粉质粘土层底部向上压力F2为1677N（见公式3），粉质粘土自身重力G2为780N（见公式4）。

F2=ρ水×g×h3×S1≈1677              （3）

式中，h3为第2层粉质粘土层底部到承压水（四）水头的高度;S1为泵房底板面积。

G2=ρ粘土g×h4×S1≈780            （4）

式中h4为第2层粉质粘土层厚度;S1为泵房底板面积。

由于第1层粉质粘土重力远小于承压水（三）向上压力，第2层粉质粘土重力远小于承压水（四）向上压力，在这种情况下，可以确定基坑此处存在承压水突涌的风险。承压水引起的突然涌水会严重破坏地基的强度，导致基坑不稳定，给现场施工带来很大大困难[11，12]，按照既定方案，该处采取深孔注浆加固地层以防止承压水突涌。

4  施工过程风险描述

按照施工方案完成深孔注浆加固地层后开始土方开挖，前期土方开挖过程泵房侧墙及底板存在局部渗水情况，采取补注浆、导流措施（见图6）可控制渗水量及积水量，可以正常施工。

当施工至泵房底部最后一榀格栅时，泵房底部东北角出现涌水（见图7）。涌水由基坑侧墙外向基坑内涌出，泵房底板向上无涌水。

涌水后采取了架设工字钢、回填粘土袋（2m高）、回填混凝土（1m高）、深孔注浆的抢险措施（见图8），有效控制了险情。

5  原因分析

①涌水部位位于第2层粉质粘土，标高12.60m处（见图3），涌水由基坑侧墙外向基坑内涌出，泵房底板向上无涌水，可以基本确定是承压水（三）涌出。

②涌水时已开挖过细中砂层，施工至第2层粉质粘土层，由于未及时进行背后补注浆，泵房初支与外侧土体之间存在缝隙，粉质粘土层与细中砂层贯通，承压水（三）进入粉质粘土层，随着泵房向下施工，承压水水压增大，至泵房底板时水压增大至89Pa（见公式5），且该处存在缝隙，从而加大了涌水的可能性。

P=ρ水×g×h5≈89                （5）

③注浆未达到预期效果。由于浆液的流动性，未能按照预期范围扩散，导致存在部分注浆薄弱或无浆液部位，并且所使用水玻璃为化学浆液具有时效性，本次施工期较长，浆液止水效果有所减弱。

6  变形监测数据分析

泵房正上方地表沉降监测点在泵房施工过程累计沉降量为-0.87mm（不含区间施工影响），时程曲线见图9。由于该泵房覆土较深（21.5m），且泵房外围区间联络通道二衬已施工完成，所以泵房施工过程对地表影响较小。

泵房所在联络通道二衬最大收敛-31.10mm，时程曲线见图10。泵房正常施工过程中联络通道二衬收敛8.12mm，涌水后二衬收敛速率明显加大，累计收敛达到约30mm，封端后变得缓慢，并最终趋于稳定。

泵房所在处联络通道拱顶的最大沉降7.01mm，时程曲线如图11所示。泵房正常施工过程中拱顶沉降1.3mm，涌拱顶沉降速率明显加大，累计收敛达到约7mm，封端后变的缓慢，并最终趋于稳定。

7  总结

①位于承压水层废水泵房施工过程中，需在地层变化处加强初支格栅背后的补注浆，以阻断承压水随开挖向下流动的通道，防止已穿越过的承压水层突涌。②采取深孔注浆方式加固地层时应注意浆液的时效性，确保浆液扩散范围，必要时加密注浆孔，并在注浆完成后多处打设探孔以检验注浆效果。③承压水层废水泵房施工应快开挖、快架格栅、快喷砼。根据本次施工经验，注浆后土体可以在短时间内阻止承压水突涌，架设格栅并喷砼后结构基本处于安全状态，所以快速施工缩短土体暴露时间可有效降低承压水突涌可能性。④本项目中由于泵房埋深较大且上方联络通道二衬已施做完成，其施工过程地表无明显沉降。泵房所在联络通道拱顶沉降及侧墙收敛在泵房施工过程中变形较小，突涌后明显增大，封闭掌子面后逐步变缓。⑤确保孔洞封堵质量是防止基坑开挖过程中承压水沿孔洞突涌的重要措施，与此同时，也要做好应急管理预案及其他准备工作。

参考文献：

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[4]王昆.浅析地铁工程中承压水控制的施工技术[J].中国科技投资，2014（A01）：16.

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