泉域富水地层复杂管线条件下深基坑综合施工技术

刘康 LIU Kang

（中铁十四局，济南 250000）

0 引言

济南市作为泉城驰名中外，独特的地质条件形成独特的城市。近年来随着各城市轨道交通的蓬勃发展，济南市轨道交通起步较晚，独特的地质条件更是增加了城市轨道交通的建设难度。城市轨道交通作为地下空间的开发的重要组成部分，对城市的地下空间建设具有探索指导意义。尽管济南地区泉水成因各学术专业未达成共识，但济南复杂的地质条件及独特地形已是公认的事实。泉城地质条件富水且地下水流速快、补给快，地层地质既有过水通道又有隔水层。济南有作为山东省省会城市，城市管线复杂，如各铁路线电力线、通讯线、国防光缆、给水、燃气等各种管线，地下空间开发必然面临诸多问题。在济南这种复杂的泉域地质条件下，深基坑工程必然面临基坑涌水、常规围护结构缺陷等技术难点，本文通过济南地铁R1线大杨站深基坑工程出现的相关问题及解决技术措施进行总结分析，希望对相关地质条件下深基坑施工提供一定的借鉴意义。

1 工程简介

1.1 总体概况 大杨庄站总长514m，标准段宽22.7m，盾构井段宽27m，换乘节点段宽40.7m。车站标准段基坑深16.4m，坑底位于细砂层或卵石层，采用明挖顺做法施工，围护结构采用套管咬合桩；换乘节点段基坑深27m，坑底位于粉质粘土层，采用明挖顺做法施工，围护结构选用1000mm厚地下连续墙。

1.2 水文地质情况 大杨站处于济南济西水源地腊山片区，周围地下水丰富，为济南泉水补给地。大杨站地质情况揭露依次为①1杂填土①2素填土⑦黄土⑧粉质粘土⑧1卵石⑧2细砂⑧3粉土⑧4粘土⑩粉质粘土⑩1卵石⑩2细砂⑩4粘土1○粉质粘土1○1卵石1○2中砂11○4粘土；由于济南岩溶水的顶托补给作用，在⑩粉质粘土中形成了一系列的水流通道，使得⑩粉质粘土孔隙比进一步增大，渗透性增强。在⑩粉质粘土原始结构未受扰动时，由于铁质氧化物的胶结作用，⑩粉质粘土具有较高的力学强度和较低的压缩性，力学性质相对较好，较适宜作为基础持力层。然而一旦⑩粉质粘土的原始结构被扰动或受水浸泡软化、膨胀，其力学性质会迅速降低。车站地下水位埋深4m-8m。

1.3 复杂管线 大杨站南端头位于经十路与齐鲁大道交叉口，管线错综复杂，主要管线有110kV电力管沟、1000mm给水管、400mm给水管（共计5条）、1000mm雨水管等若干；1号风亭基坑平面面积3000m2，异形超大基坑，管线有220kV电力拉管（京沪高铁线），横跨基坑，埋深3.5m-7.1m，无法迁改。

2 特殊泉域条件下深基坑技术难题及处理措施

面对以上复杂条件，针对泉城的保泉要求，提出了总体采用“排、灌、堵、疏、导、冻、平”的综合保泉处理技术。排：基坑降排水，基坑尽量采用浅埋方式，减少基坑降水排水量；

灌：采用回灌技术，基坑降水采用一体化回灌，保证回灌率80%以上；

堵：采用注浆封堵基底等，保障基坑安全开挖，减少抽排水；

导：基底碎石+土工布换填，保障结构完成后基底泉水流动疏导畅通；

冻：采用液氮冻结、盐水冻结技术处理关键部位（联络通道、盾构接收、1号风亭围护结构止水帷幕缺口），保障盾构安全接收及基坑安全开挖，降低对泉水水质的污染；

平：基坑中板采用水中接收、平衡内外水头，减少抽排水量；冻结基坑采用分层分步降水，有效保护泉水水质、平衡降水量与冻结壁消融关系。

2.1 泉域富水地层及复杂管线条件下深基坑施工技术问题及解决方法

技术难题1：粉质黏土层透水性强、隔水效果差，造成基坑降水难度大基底大量涌水。

解决方法及不足：传统钻孔灌注桩+旋喷桩止水帷幕变更为全套管咬合桩或地下连续墙形式。采用咬合桩、地下连续墙所取得一定效果，但须重点关注桩身插入比与基坑降水内在联系。例如：换乘点地下连续墙插入比较大、基坑深26.5m，基坑降水较少；标准段咬合桩插入比不足，未有效隔离承压水，基坑降水量大且降水困难。

技术难题2：盾构接收加固区地质条件复杂，存在砂卵石层，由于管线等环境条件无法有效加固接收区，盾构接收安全风险大。

解决方法：液氮垂直冻结+车站水下接收综合方法；液氮垂直冻结解决洞门破除安全性及时效性优点；车站中板水下接收解决接收安全风险，但注意车站结构支撑体系、防水体系处理。

技术难题3：重要管线原位保护对富水地层深基坑围护结构止水结构影响，围护结构不能全封闭，基坑止水结构封闭困难，存在基坑围护结构缺口，存在基坑涌水涌沙基坑坍塌风险。

解决方法：整体围护结构采用地下连续墙，管线缺口采用高配筋钻孔灌注桩+地表深孔注浆、缺口盐水垂直冻结止水技术解决问题。

2.2 特殊地质基底涌水问题及解决方法

大杨庄站基坑底部位于砂卵石地层，为透水层，砂卵石层上层、下层均为粉质粘土层，土层物力性质较好，在传统意义上为隔水层。但在实际基坑开挖过程中，粉质粘土层在地下承压水作用下，形成竖向过水通道，无法有效阻隔下部承压水，基底出现涌水现象。且粉质粘土在地下水浸泡和施工扰动作用下性质变差，呈泥浆状态，给基坑土方开挖、外运造成较大困难。

钻孔灌注桩在砂卵石地层施工难度大，且易产生塌孔、缩颈等问题。

高压旋喷在砂卵石地层易产生流浆、串浆的现象，浪费大量原材且难以连接成整体，孔隙较多，无法发挥止水的效果。

例如：大杨庄站某出入口围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩施工。基底设计有1个局部深2m集水坑，位于砂卵石地层，在开挖过程中出现涌水，且水中夹杂泥沙，因涌水量大，且水具有承压性，造成工期多次延后；后增加基底旋喷桩封底或袖阀管，取得较好效果，顺利完成结构施工，但工期比计划延期6个月。

同区域位置采用钻孔灌注桩围护结构基底出现大面积涌水现象。经过先期对大杨站水文地质的深入了解和勘测，大杨站围护结构换乘点采用地下连续墙，标准段个全套管咬合桩，基本解决基底大面积涌水现象。

大杨庄站换乘点基坑深27m，采用地下连续墙作为围护结构，插入比为17/27=0.63，基坑封闭性较好，止水效果明显，降水量较少；标准段采用咬合桩作为围护结构，插入比为8/17=0.53，基坑封闭效果较好，但由于桩身插入比不足，粉质黏土透水性强存在竖向过水通道等原因导致不能有效隔离卵石层承压水，基坑降水量大且降水困难，降水成本加大。

对比发现，在济南泉域地层中设计插入比适当增加有助于减少施工成本进而减少项目总成本。

3 关键施工技术应用

3.1 复杂管线条件下液氮垂直冻结、车站中板盾构水中接收综合施工技术

大杨庄站接收加固区地质条件复杂，存在砂卵石层，旋喷桩加固效果不理想，现场对区间接收端头两个洞门进行水平探孔检查，洞门出现涌水涌沙现象；

大杨庄站盾构接收端上方管线众多，错综复杂，有①2.1*2.0m电力管沟，埋深2m，内有110kV高压线3根，10kV高压线20根；②直径1000mm高压供水管，埋深1.5m；③直径1000mm雨水管，埋深1.5m；④通信管线，埋深1.2m，不满足地面重新施做桩墙等加固条件。

大杨庄站位于济西水源地，地下水异常丰富为保障盾构安全顺利接收，经各参建方论证采用液氮垂直冻结、车站中板水中接收综合施工技术。预先对工作井基坑连续墙外侧一定范围内的含水地层进行加固，使之具有一定的强度和封水性，且具有一定承载作用。洞门破除时可确保地层稳固，降低地层涌水涌沙、坍塌等风险。

因盾构机接收位于中板上方，在车站中板结构上增加一圈挡水墙作为蓄水池，为水中接收提供条件。为增加中板承载力，在中板下施做14根1000mm*1000mm方形支撑柱，保证接收时车站结构安全。盾构机在出洞过程中，及时调整蓄水池液位，保持端头内外水土平衡，避免涌水涌沙，为盾构安全接收提供保障。盾构机车站中板接收结构断面如图1所示。

图1 盾构机中板接收断面图

3.2 围护结构缺口处理施工技术

3.2.1 围护结构缺口问题

大杨站水文地质条件复杂，周边管线及其重要，涉及全市60%以上供水、京沪高铁供电、区域干线光缆、周边军用光缆。更重要的是基坑深度27m，基坑距运营的京沪高铁不足80m，几乎在本地区无类似深度基坑经验可循。

例如：2017年9月21日，基坑发生涌水事故，造成大量财产损失。发生的原因为砂卵石及粉砂地层咬合桩与地下连续墙接缝存在10cm缝隙，开挖后造成涌水。

3.2.2 围护结构缺口采用垂直冻结解决电力管线原位保护施工技术

大杨庄附属结构1号风亭上方管线横跨基坑，且埋深较深，深度7.1m。围护结构不能全封闭，极易导致开挖过程中出现涌水涌沙、基坑坍塌的风险，威胁京沪高铁运行安全；采取方案为整体围护采用地下连续墙，管线缺口采用高配筋钻孔灌注桩+地表深孔注浆、盐水垂直冻结技术解决止水问题。设计平面布置如图2所示，现场电力保护套管安装实景如图3所示。

图2 围护结构缺口处平面设计

图3 围护结构缺口处管线原位保护

每侧将3根1.2m桩基护筒及12根200mm冷冻管预埋管位置挖出，深度要超过管线底50cm，4根200mm注浆管护筒以及2根观测管埋设。冻结壁未达到实际要求前基坑内禁止降水，以免造成温度损失，影响冻结效果；冻结进尺23m，冻结施工周期40d。冻结壁达到实际要求且稳定后进行基坑降水，基坑降水量与对冻结温度影响如表1所示：基坑降水一周后随着降水量的减少冻结消融与补充基本平衡，冻结壁深度维持在17.5m左右，累计消融5.5m。

表1 基坑降水量与对冻结温度影响

4 结束语

济南素有泉城之称，地质条件较为复杂，含砂层、卵石层较多，并有地下溶洞碎岩等地质情况，地下水系发达，流动性较大并具有一定的承压性；单一的基坑围护形式不能很好的起到基坑封闭止水的作用，易导致基坑降水量大、降水难和基底涌水涌沙现象的发生，进而导致深基坑面临较大坍塌安全风险，或增加深基坑过程基坑降水、基底清淤工程量，增加工程风险和施工成本，或过度降水对济南泉域地下水破坏及污染严重。泉水是济南的名片，泉城地下水尤为珍贵深基坑建设尤要注意基坑围护方案做到全封闭、深插入、少降水。结合本工程实际施工经验，济南地区水文地质条件的特殊性，做好保泉保水工作。地下工程施工必须采用多种形式结合的围护结构+基坑降水回灌+特殊位置冻结等综合施工技术，能有效增强基坑封闭性、减少基坑降水量，降低基坑降水造成的地下水资源的浪费，降水回灌对补充地下水资源、减少地下水流失效果明显，是保水保泉的重要方式。