富水砂土岩溶复合地层基坑开挖施工风险控制

2021-04-09李新明

工程建设与设计 2021年5期

李新明

（广州轨道交通建设监理有限公司，广州 510010）

1 车站概况

聚龙站沿石槎路与西槎路南北敷设，全长575.1m，标准段宽为23.1m，基坑开挖深度为17.3～20.8m（局部深27.3m）。主体围护结构采用800mm、1000mm 厚地下连续墙+内支撑，基坑安全等级为一级。地下连续墙采用C35 水下混凝土，接头采用工字钢围护结构竖向设置3 道支撑。

车站周边建筑物多，有荔湾聚龙工业区、荔湾新苑住宅区、溪雨装饰商贸城、耀亿国际茶叶城等。周边管线众多，有污水管、雨水管、供水管、煤气管、电信管线等，沿车站周边横跨附属结构布置。

2 工程地质

车站基坑开挖平均深度为18.3～20.3m，换乘节点处开挖深度为27.0m，开挖深度范围内主要地层为人工填土层＜1＞、中粗砂＜3-2＞、砾砂＜3-3＞、可塑状粉质黏土＜4N-2＞、中风化炭质灰岩＜8C-1＞、微风化炭质灰岩＜9C-1＞、微风化灰岩＜9C-2＞。车站底板以下地层主要为中风化炭质灰岩＜8C-1＞、微风化炭质灰岩＜9C-2＞，基底以下存在多处溶洞（见图1）。

主要不良地质问题为岩溶（土）洞、富水砂土层分布，据初勘报告资料聚龙站位于软土地基沉降及岩溶塌陷风险区，揭露基岩主要为石炭系灰岩、溶洞发育、石炭系灰岩＜8C-2＞＜9C-2＞中岩溶见洞率74.3%，主要位于车站北段。炭质灰岩＜8C-1＞＜9C-1＞中见洞率为8.11%，主要位于车站南段。上覆富水砂土层连续分布，占基坑土方20%。勘察范围内所有钻孔均遇见地下水。勘察时测得钻孔中初见水位埋深为2.10～4.70m，砂土层覆于灰岩上。

图1 车站地层地质剖面图

3 基坑开挖风险分析

结合基坑设计施工内容，工程水文地质和周边环境等特点，基坑开挖主要风险有：

1）聚龙站基坑自身结构开挖深达27.3m，施工中可能出现围护结构变形、开裂，墙缝或地基涌水、涌砂、地面沉降、坑底隆起等情况可能造成围护和支撑结构失稳。

2）车站周边环境复杂，地下管线密布。管线迁改完成后，DN1600mm 供水、110kV 高压电缆及φ300mm 煤气管为横跨车站结构需悬吊保护，另有多条市政管道位于车站结构两侧。车站东侧建筑物距离较近，建筑物基础薄弱，车站西侧现有建筑物破损严重。开挖过程失水沉降、土体位移、会造成建筑物和管线破坏。

3）在富水砂土岩溶发育地层中。下伏灰岩溶洞和裂隙发育，上覆富水砂土层连续，这种复合地层在基坑围护结构施工和基坑开挖过程中更易发生地面坍塌、围护结构渗漏水、基坑涌水、涌泥，甚至在勘察过程中就发生地质灾害。

4 基坑开挖风险控制

4.1 围护结构“一槽两钻”查清基岩面和溶洞发育情况

“一槽两钻”施工采用钻探和取芯鉴定方法，查明基岩面起伏和溶土洞分布状况，如果鉴别为有溶土洞，则查明溶土洞发育深度、高度和填充物等。

溶洞处理以“地连墙以下3m 范围需进行注浆加固”为原则，超前钻孔深为地连墙（或临时立柱）底以下3m。

4.2 对勘察发现溶洞作预先处理，确保围护结构施工质量安全

溶（土）洞处理方法遵循“探、处、检”原则，补充勘察及探摸边界，对发现溶洞作注浆充填，注浆效果检测合格后方可施工连续墙。

1）补充勘察：主要针对连续墙做“一槽两钻”，查清基岩面起伏，确认有无溶洞发育。

2）注浆充填：“一槽两钻”若有溶洞发育，则做探边及注浆处理。

3）对注浆效果进行检测，合格后方可施工地下连续墙。

4）钻孔作业过程风险控制，如钻孔穿过溶（土）洞或岩溶裂隙，发生水力联系形成走水走砂通道可造成地面坍塌。应提前做好地面监测点布设，做好监测。对场地进行硬化，加大设备地面接触面积，防止坍塌，加强巡查，做好应对工作。

4.3 对周边建筑物作监测和加固保护

1）对建筑物跟踪注浆。根据房屋鉴定报告车站周边建筑物已有破损，车站施工造成地面沉降可能导致周边建筑物结构开裂，基坑开挖前对开挖影响范围内建筑物跟踪注浆，周边建筑物注浆保护施工剖面图（见图2）。

图2 建筑物保护剖面图

2）对车站两侧淤泥层及富水砂土层位置作搅拌桩加固。聚龙站北端头＜4-2A＞淤泥层较厚，东侧耀亿国际茶叶批发城252.3m 范围淤泥层平均厚度8.2m；西侧石井水泥厂232.2m 范围淤泥层平均厚度7m。车站南头＜3-3＞砂层较厚。地质条件差，连续墙施工过程中可能引起地面塌陷，研究对其进行搅拌桩加固处理。采用φ800mm@800mm 大直径搅拌桩位于围护结构外侧，水泥掺量为加固土体重量20%，水泥采用42.5R 级硅酸盐早强水泥，水灰比为0.45～0.5。加固深度为＜4-2A＞淤泥层顶至底层以下1m，若淤泥层下方为灰岩则加固至灰岩面；若为砂层，加固深度自砂层顶至灰岩。

4.4 地下连续墙成槽施工风险控制

1）未处理好溶洞会造成槽段坍塌。要求对已处理溶洞进行检测，合格后方可开槽。由于岩溶溶洞客观存在探不明，处理不彻底的情况，在成槽作业过程中振动或冲穿溶洞造成上部富水砂土漏入溶洞时，会造成地面沉降甚至坍塌情况。要求做好地面监测，加大设备与地面接触面积，加强施工现场巡查做好应急。

2）溶洞发育、岩面不规则、斜孔、卡锤造成连续墙体不闭合。这种情况会给后续基坑开挖带来风险，包括墙体接缝不闭合、墙脚迈步、斜孔造成结构倾斜、鼓包等。这些情况在基坑开挖时会造成渗漏水，墙脚涌水涌泥等。要求成槽施工过程中做好垂直度控制，泥浆质量控制，选择适合的成槽设备，保证成槽质量。

3）基岩冲钻时间长、效率低，造成塌孔。当冲钻基岩时，由于效率低、震动大、容易在冲钻基岩过程中，发生上部砂土层坍塌，或是冲穿基岩溶洞造成漏浆漏砂情况，进而造成塌孔或地面坍塌。要求施工工序连续不停顿，做好泥浆质量控制，选择高效的基岩成槽设备，包括筛分机、旋挖钻和双轮铣成槽机等。

4）基岩面判断不正确，地下连续墙嵌岩深度不够，后续基坑开挖造成变形过大或地下连续墙踢脚失稳。在作 “一槽两钻” 时做好基岩面确认，编制正式补勘报告。基坑开挖前做好上墙图表，明确各槽深及入岩深度。成槽过程中做好成槽记录，到基岩面时施工监理进行双确认，对岩样进行标记并留存。

4.5 基坑降水，做好试抽水

1）降水井设计。聚龙站围护结构已进入基岩，理论上隔断坑内外地下水水力联系，疏干降水设计根据单井有效抽水面积200m2进行计算，基坑共布置疏干井68 口疏干井。井管采用直径273mm、壁厚3mm 钢管，滤管为同规格桥式滤水管，底部设1m 沉淀管，上部设 4～6m 实管，滤管长度根据地层及井深变化，滤管外包80 目锦纶滤网，滤料中粗砂。

2）做好试抽水。（1）基坑内进行抽水试验，观测坑外水位变化情况，判断围护结构止水效果，对围护结构缺陷提前处理。（2）开挖过程中密切监测围护结构的渗漏水情况，一旦发现立即封堵，防止长时间漏水带砂，导致坑外地层掏空。（3）基坑开挖过程中监测坑外水位及地面沉降变化，根据观测结果及时开启坑外回灌工作。

4.6 压力回灌井施工，控制坑外水位下降

1）设置回灌井。增设回灌井平面布置，车站南端设置29 口，井直径为150mm，平面间距约25m，车站北端设置30 口，井直径为91mm，平面间距约15m（见图3）。

图3 回灌井平面布置

压力回灌井作用是将基底内来水，通过抽水系统及回灌系统回灌到基坑外作补充，使涌水量与回灌量基本相等，以达到整个水系平衡。

回灌效果。在富水砂土岩溶复合地层地下连续墙实际上并不能完全隔断坑内外水力联系，为控制地下水流失，尤其是砂层水流失，保证周边构筑物安全，基坑周边回灌井均为加压回灌，压力值控制为0.3MPa。

回灌加压系统加压范围为50～300kPa（0.5～3bar），根据现场工作状况设置多级离心泵加压值。多级离心泵持续抽水通过管道回灌至回灌井。通过回灌井及时补充基坑外地下水，有效防止外围水位下降而导致周边地表以及建构筑物沉降过大情况发生[1]。

4.7 基坑开挖监测，信息化指导施工

1）监测项目及频率要求。在开挖过程中按照设计要求进行监控量测工作，并及时分析反馈数据做到信息化施工。监测项目及监测频率见表1。当数据超标、场地条件变化较大、发现危险事故征兆时，适当加密监测频率。

表1 监测项目及频率表

2）采用自动化水位监测。基坑外侧设置4 个自动化水位监测点，实时进行监测。水位计埋设于水位监测井管内，地下水位自动化监测装置每小时采集1 次监测数据，每2h 上报1 次实时监测数据，使用者通过客户端（电脑及手机）能及时查看每个监测点实时数据，数据精确度高指导回灌井作业，有效防止因地下水位变化造成周边构建筑沉降。

3）车站基坑监测评估。在车站围护结构施工前，对周边地表、管线及建筑物按设计图纸布设监测点。围护结构施工期间施工对周边地表及建筑物影响极小。在第一层土方开挖完毕之后各项监测数据变化速率均无异常；在第二层土方开挖期间各项监测数据变化速率整体无异常；在第三层土方开挖期间各项监测数据随开挖深度增加而有所变化。其中，第二道支撑轴力及围护结构测斜最为明显；在整体监测过程中第二道支撑轴力受力最大，围护结构测斜基本在第二道支撑处有明显向基坑开挖方向变化趋势。同时，在第三层土方开挖期间，临近基坑地表及建筑物监测点由于基坑一侧土体失压存在不同程度沉降。此种变化在基坑第三层土方开挖过程较为明显。一般开挖至基底后，各项监测数据保持稳定，基坑开挖过程未出现明显报警情况，总体安全可控。图4、图5 是基坑开挖期间监测数据时间曲线图。