地铁深基坑围护结构质量缺陷分析与对策研究

2021-05-30

工程技术研究 2021年7期

中铁十七局集团有限公司，山西太原 030006

随着城市化进程的推进，各种地下工程日益增多。地铁作为便民工程，在这些地下工程中占据了较大的比例，而地铁车站深基坑围护结构的施工至关重要。文章重点介绍了富水软弱地层中围护结构质量缺陷产生的原因以及相应的解决办法，对相同地质条件下同类型深基坑围护结构的施工具有很强的指导意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

苏州市轨道交通5号线竹辉路站为地下三层岛式车站，车站净长302m，净宽21.3m。5号线竹辉路站标准段坑开挖深度约24.66m，端头井段约为26.36m，车站主体基坑采用1000mm厚的地下连续墙作围护结构，标准段和端头井段均设置六道支撑，其中第一道、第二道、第四道为混凝土支撑，其余均为钢支撑。基坑保护等级为一级。

1.2 地质条件

竹辉路站位于苏州市姑苏区，场地地貌类型属于长江三角洲太湖冲湖积平原，地形较为平坦，地面标高一般为3～5m，土层为第四系全新世至上更新世沉积的疏松沉积物，以黏性土为主，间夹砂性土，土层由上至下物理力学参数如表1所示。场区内地表水系极为发育，地下水类型主要为潜水和承压水。

表1 土层物理力学参数值

拟建场区内原既有结构地下室基坑存在土钉墙、锚杆等地下障碍物，是施工单位面临的一大施工难题，因此施工单位在开展施工准备工作前需要做好垃圾的清除工作，确保施工质量。

1.3 围护结构施工流程

竹辉路站车站主体基坑采用地下连续墙作围护结构，采用钻孔灌注桩作抗拔桩兼立柱桩。地下连续墙与钻孔灌注桩在施工操作上具有一定的相似性，因此施工过程中的质量缺陷与施工问题也类似。

（1）地下连续墙施工流程。首先进行地下连续墙的成槽准备工作，使用成槽机开挖沟槽，待沟槽开挖完成后放入钢筋笼，并在钢筋笼两头放入接头箱，然后开展地下连续墙体的浇筑工作，使用导管缓慢注入混凝土，墙体成型后，拔出接头箱，完成地下连续墙的施工。

（2）钻孔灌注桩施工流程。采用反循环钻机进行钻孔灌注桩施工。首先埋设护筒，再安装钻机，确保钻机的基础稳定以及垂直度偏差符合要求。在钻孔的过程中，采用泥浆护壁，钻孔完成后清孔，然后放入钢筋笼，进行桩身混凝土的浇筑工作。

2 围护结构质量缺陷类型

2.1 槽壁坍塌

槽壁坍塌主要是在地下连续墙成槽过程中或槽段成型后下钢筋笼和浇筑混凝土时，槽段内槽壁局部发生坍塌；在钻孔灌注桩成孔过程中或成孔后下钢筋笼和浇筑混凝土时，孔壁局部发生坍塌。槽壁坍塌主要表现为槽段或孔内泥浆液面突然下降，孔口冒细密的水泡；成槽机成槽过程中出土量增加，钻机钻进过程中进尺变化缓慢。

槽壁坍塌的主要原因如下：（1）有软弱土层或流砂土层，垂直节理发育；（2）泥浆配比选择不当，泥浆密度不足，无法形成坚实护壁；（3）地下水位高，泥浆液面高度不足，或孔内水压降低；（4）泥浆不合格，质量差，盐、砂多，易沉淀，造成泥浆性能变化，不能护壁；（5）泥浆配制不符合要求，质量不符合要求；（6）成槽成孔后铺设时间过长，未及时吊起钢筋笼浇筑混凝土，泥浆沉降失去护壁功能；（7）漏浆或施工操作不慎导致槽内泥浆水位下降，超过安全范围，或因降雨导致地下水位急剧上升；（8）机组槽段被破坏段过长或地面附加荷载过大。

2.2 漏浆

泥浆突然大量泄漏，槽内泥浆液面迅速下降的现象称为漏浆。原因是挖槽时遇多孔的砾石地层或落水洞、暗沟等特殊地质，泥浆大量渗入孔隙、岩洞和沟以致流失。

2.3 槽孔偏斜、槽段缩孔

槽孔偏斜、槽段缩孔是指成孔后，槽孔向一个方向偏斜，垂直度超过规定数值，偶尔伴随出现缩孔现象，即施工孔径小于设计孔径。槽孔偏斜的主要原因如下：（1）成槽过程中遇较大孤石、探头石或局部坚硬土层；（2）槽段施工范围内存在有倾斜度的软硬地层交界岩面；（3）成槽施工时，当一侧为已浇筑的地下连续墙时，常使槽孔向土一侧倾斜；（4）安装钻机时钻杆未校正；（5）司机在操作时存在失误。槽段缩孔的主要原因为钻机钻头长期磨损导致桩径不足，泥浆比重过小以及下钢筋笼、浇筑混凝土间隔时间过长。

2.4 钢筋笼与槽孔尺寸不符、钢筋笼上浮

钢筋笼吊放过程中，槽孔成型之后被卡住，无法完全置入槽孔中，因此在开展混凝土浇筑时，有时会出现钢筋和混凝土一起上浮或是被卡在槽孔内的现象。槽壁弯、凹、凸，钢筋笼尺寸有偏差并在其纵向接头弯曲，钢筋笼的重量不足，钢筋笼在吊放时发生形变或槽底出现沉渣等，均可能导致钢筋笼难放入槽孔。若埋导管过深或混凝土浇筑速度慢，则钢筋笼易被拖起，出现上浮现象。

2.5 导管涌泥、堵塞

在混凝土浇筑过程中，导管容易被堵塞，主要原因为可能出现了涌泥现象，且这些泥土出现在夹层中。之所以会出现涌泥现象，原因在于第一次灌注的混凝土数量不足，且导管底距槽底的间距太大，无法对其进行有效处理。导管在插入混凝土中时，导管的深度过浅，加上提上时的速度又过快，容易把泥浆带入导管中，这样就容易造成导管的堵塞。另外，混凝土坍落度及石头直径过大，砂率过小，浇筑间隔时间过长等都容易导致导管被隔水塞卡住。

2.6 导墙破坏、变形

导墙发生坍塌、不均匀下沉、开裂和向内坍塌的主要原因如下：导流墙的强度和刚度不足；基础坍塌或冲刷；导墙内没有支撑；作用在导墙上的施工荷载过大。

2.7 槽段接头渗漏水、连续墙混凝土绕流

基坑开挖后，易在槽段接头处出现渗水、漏水、涌水等现象，或混凝土浇筑完成后地下连续墙两侧出现绕流现象，从而影响相邻槽段施工。出现此质量缺陷的主要原因是成孔施工时黏附在上段混凝土接头面上的泥皮、泥渣未清除掉，下钢筋笼浇筑混凝土或挖槽时出现塌方，导致地墙接缝处夹泥夹砂引起地墙接缝渗漏水。一般地下连续墙防绕流采取的措施是在工字钢接头两侧加焊钢板，结合实际施工过程中的实际情况，工字钢两侧焊接钢板的防绕流措施效果有限，而在工字钢内外两侧各增设一道止浆铁皮，采用双重防绕流措施，能够有效防止地墙两侧接缝处混凝土绕流。防绕流铁皮施工如图1所示。

图1 防绕流铁皮施工

2.8 桩身或墙身混凝土夹泥、夹砂

混凝土浇筑完成后，超声波检测显示地下连续墙墙身或钻孔灌注桩桩身混凝土存在泥砂夹层。桩身或墙身混凝土存在夹泥夹砂的原因如下：（1）管道摊铺面积不够，部分转角无法浇筑，且充满泥浆；（2）管道埋深不足，泥浆从底孔进入混凝土；（3）管接头不严密，泥浆渗入管道；（4）第一批浇筑混凝土浇筑不足，底部管道未封闭；（5）混凝土未连续浇筑，造成不连续或浇筑时间过长，第一批混凝土初凝时失去流动性，随后浇筑的混凝土会冲破顶层而上升，导致混凝土中混有泥渣，形成夹层；（6）导管起升过快或探头错误，导管拔空，灌入泥浆；（7）浇筑混凝土时，出现局部塌孔的情况。

3 围护结构质量缺陷的预防处理措施

3.1 槽壁坍塌的预防处理措施

针对一些特殊土层的成槽工作，如软弱土层（竖节理发育）、流砂层，施工速度必须较慢，可适当提高泥浆的密度，与地下水位相比，槽段内液面的高度需要控制在0.5m以上的距离。施工前采用实验法配备泥浆，确保泥浆密度以及水质符合相关要求，配备完成后让其充分溶胀，并放置3h以后再使用。在施工时一定要注意，槽段内不可直接投入火碱等，如果成槽点是在松软砂层，要有效控制进入的深度，避免出现扰动过大的情况。为了减少暴露的时间，在槽段成孔之后，快速下放槽段钢筋笼并完成混凝土浇筑。根据实际的施工情况，随时调整泥浆密度、液面标高。单元槽段幅宽、槽孔周边地面荷载均要适当，不能过大，要加快施工进度，减少挖槽、混凝土浇筑时间，有效降低地下水水位，减少高压水流的冲击作用。对于一些局部坍塌的地方，可适当增加泥浆的密度，若有坍土掉入，需及时利用设备抓出。如果坍塌过大，则可以掺入20%水泥及优质黏土进行回填处理，静待密实后继续开展施工工作。

3.2 漏浆的预防处理措施

立即停止使用吸力泵，并迅速往导槽内补充泥浆，增加砂层泥浆的黏度和密度；配制堵料，及时补充堵浆，保持槽内泥浆液位正常；在水孔和盲沟内填充优质的黏土，沉积密实后重新成槽。

3.3 槽孔偏斜、槽段缩孔的预防处理措施

若地下连续墙成槽或钻孔灌注桩成孔过程中遇较大孤石、探头石，在软硬岩交界处应放慢切割进尺，合理安排切割顺序。当槽孔发生偏差时，应查明偏差的位置和程度，一般可在抓斗上用刮刀上下扫孔，使槽壁平直。当偏差严重时，应将砂黏土回填至偏差孔上方1m以上，待沉积密实后再进行施工。

为防止槽孔偏差过大，可采取以下措施：（1）钻机安装时，转盘与底座应水平，起升滑轮边缘、钻杆固定孔与套管中心应在同一轴线上，并经常检查校正；（2）由于活动钻杆较长，旋转时上部摆动过大，必须在钻架上加导向架，使钻杆沿导向架向下钻取；（3）逐根检查钻杆及接头，及时调整；（4）停止钻取，钻完后立即更换钻杆；（5）在倾斜软硬地层钻进时，应控制钻杆进尺，低速低压钻进，或回填块石，找平后再钻进。

3.4 钢筋笼与槽孔尺寸不符、钢筋笼上浮的预防处理措施

钢筋笼与槽孔尺寸不符、钢筋笼上浮的预防与处理主要分为两个方面，一方面是控制成槽（成孔）质量，另一方面是确保钢筋笼的加工质量。

在成槽（成孔）时，要注意以下要点：（1）选择合适的坡口成形工艺，保证坡口质量；（2）开槽过程中，要保证抓斗吃土均匀，垂直放下，严禁抓斗在空中落下吃土；（3）合理安排机组槽段、直线槽段的开挖顺序，先挖两侧，再挖中间、角槽段，先挖短边，再挖长边；（4）保证槽形成过程中抓取力平衡，能有效保证垂直度，并在开挖过程中遵循“慢抬慢放，严禁满抓，顺利入槽，顺利出槽”的原则；（5）保持槽壁平整，如因槽壁弯曲而不能放入钢筋笼时，应修整后再放入钢筋笼。

钢筋笼的尺寸也要符合要求，控制好钢筋笼外形尺寸，其截面长宽应比槽孔小11～12cm。为防止钢筋笼上浮，可在导向墙上设置锚定点固定钢筋笼。沟槽完成后，应清除沟槽底部的沉淀物。浇筑混凝土时，应放慢浇筑速度，导管最大埋深应大于6m。

3.5 导管涌泥、堵塞的预防处理措施

计算第一批混凝土浇筑量时，应保证初浇量满足要求，管口距槽底距离不小于1.5D（D为管径），导管插入混凝土的深度不应小于1.5m，测量混凝土的上升面，确定高度，然后吊起导管。当槽底混凝土深度小于0.5m时，可重新浇筑隔水塞，否则，应将管道吊出，并用吸风机将槽底混凝土清理干净，然后再浇筑混凝土，或将带活动底盖的管道插入混凝土中再浇筑混凝土。立管内径应比导管内径小1～2cm。按要求选择混凝土配合比，严格控制混凝土质量，保持混凝土浇筑的连续性。在浇筑间隔期间，管道应稍微上下升降。

混凝土浇筑过程中发生堵管时，可用敲击、摇动、振捣或上下摇动（高度在30cm以下）或用长棒捣实管内混凝土的方法疏通管道。若疏通无效，当顶面混凝土尚未初凝时，应将导管吊出，重新插入混凝土中，用吸风机排出管内泥浆，然后重新浇筑。

3.6 导墙破坏、变形的预防处理措施

严格按设计要求对导流墙进行施工，确保导流墙内的钢筋能够有效连接，可适当加大导流墙深度，对导流墙开挖影响范围内的土体进行加固。导流墙四周设排水沟，导流墙内设临时支撑。在导墙周围分布施工荷载，使导墙受力均匀。拆除损坏或变形的导墙，用优质黏土（或掺适量水泥、石灰）回填夯实，并重建导墙。

3.7 槽段接头渗漏水、连续墙混凝土绕流的预防处理措施

清槽的同时，用钢丝刷或刮泥机将上缝混凝土表面的泥皮、淤泥清理干净。如果渗漏少，可以用防水砂浆修补。当渗涌水量较大时，可根据水量采用短钢管或胶管排水，周围可用砂浆封闭，然后在墙背进行灌浆堵漏，最后封闭排水管。当泄漏孔较大时，用砂袋反压，然后用灌浆堵住泄漏点，渗漏点封堵完成后，再移除砂袋。

3.8 桩身或墙身混凝土夹泥、夹砂的预防处理措施

在宽槽段浇筑混凝土时，应设置2～3根管同时浇筑。导管埋入混凝土的深度为1.2～4m，导管接头用螺纹套管连接，并用橡胶圈密封，以保证导管的严密性。混凝土的初浇量应符合要求，既能有效封闭管底，又有一定的冲击量，能将管内的泥浆挤出。同时，混凝土浇筑应连续进行，中途停留时间不应超过15min，槽内混凝土上升速度不应小于2m/h，导管上升速度不应过快，但要快速浇筑，防止槽段倒塌，暴露时间过长。

坍孔时，可将混凝土表面沉积的泥土吸出，继续浇筑，同时增加泥浆密度。若混凝土凝固，可将导管吊出，拆除混凝土，重新下放导管，浇筑混凝土；若混凝土已凝固，出现夹层，拆除后还应对夹层进行灌浆加固。

桩身或墙身混凝土夹泥、夹砂的主要预防措施如下：（1）缩短成槽与灌注混凝土的间隔时间，避免槽段暴露时间过长；（2）严格控制泥浆质量，确保泥浆有足够的护壁功能；（3）合理控制导管埋深，特别是遇砂层时，应尽可能减小埋深，减小导管上下大幅度活动给孔壁带来的冲击；（4）导管提升要平稳，提升高度要经计算确定，确保导管不能拔空至混凝土顶面。

3.9 障碍物清理

竹辉路站5号出入口施工范围内有一钢筋混凝土结构的地下通道，基坑范围内降水井及基底加固施工前需对该地下通道进行拆除清障。

（1）清障深度小于4m。对于埋深小于4m的地下障碍物，清除障碍物前，要将需要清障的部分用灰线标出，按1∶1坡度放坡开挖清障。开挖过程中，密切监视土体位移情况，严防土体滑坡、坍塌。障碍物清除完成后，用黏土回填压实整平，之后方可进行后续施工。

（2）清障深度大于4m。对于埋深大于4m的地下障碍物，可用钢套管辅助旋挖钻机对其进行清除作业。当土壤被破坏时，旋挖钻机会在旋转的同时缓慢地压入钢套管，采用120t履带吊和专业抓斗清除套管内泥土。安装套管并继续旋转压入，直到深度达到规定标高。在障碍物处回填大颗粒砾石，冲击锤用于冲击障碍物和砾石，最后一次性清理障碍物和砾石。