不同水文地质条件下基坑型式、基坑降水及开挖方式

吴融森

摘要：本文以昆明、成都、宜昌3个城市的4个车站基坑为例，来说明软土地层和卵石土地层在基坑型式、基坑降水及开挖方式上的区别，结合基坑监测结果得出不同基坑施工中监测的指导意义。

关键词：地铁；基坑；降水；开挖；监测

引言

在城市的地铁工程项目中，根据对比工程经济、安全性、施工场地限制等因素选择不同的基坑支护型式，施工过程中开挖方式和基坑降水决定工程的进度和基坑的安全，本文以昆明、成都、宜昌3个城市的4个车站基坑为例进行总结，希望能为同类工程提供参考。

1、不同地质条件下地铁常见的围护结构形式

常见的地铁围护结构形式有多种，例如地下连续墙加内支撑、锚索加钻孔灌注桩、钻孔灌注桩加内支撑、钻孔灌注桩加高压旋喷桩加内支撑等，以下为工程案例。

昆明地铁3号线某地铁站起止里程为YDK5+842.4～YDK6+023.4，主体总长度181m，标准段宽度19.7m，为地下二层岛式站台车站，车站设计为盾构过站。车站开挖深度为17.5m至18.2m。该站地质勘察报告显示，车站场地40m深度范围内的地基土属第四系全新统人工堆积层～第四系上更新统冲湖积层，分布较稳定，主要由饱和粘性土、粉性土以及圆砾组成，成层分布。场地位于昆明盆地西侧滇池滨湖相地貌单元，地势平坦开阔。主体围护结构采用800mm厚地下连续墙，柔性接头，竖向设4道内支撑加1道倒撑，第一层为钢筋砼支撑，其余为Φ609mm钢支撑。车站结构形式为单柱双跨框架结构，采用明挖顺筑法施工。

图1-1  昆明某地铁围护结构横断面图

成都地铁7号线某地铁站位于二仙桥东路东端，呈东西向布置，车站总长233m，标准段基坑宽度约为22.3m，为地下二层岛式站台车站，车站设计为盾构接收。车站开挖深度约16.6～17.7m。该站地质勘察报告显示，基坑开挖深度含有<1-2>人工杂填土、<3-1-2>粘土、<3-3>粉土、<3-4-1>粉细砂、<3-4-2>粉细砂、<3-5-2>中砂、<3-8-2>中密卵石土、<3-8-3>密实卵石土。主体围护结构采用直径1.2m、1.5m钻孔灌注桩加内支撑支护结构型式，盾构端头使用玻璃纤维筋桩，桩底嵌入基坑底部4.5～6.0m。竖向设置3道支撑（第一道斜撑为砼支撑，其余均为钢支撑）。车站结构形式为双柱三跨框架结构，采用明挖顺筑法施工。

图1-2成都7号线某地铁围护结构横断面图

成都地铁8号线一期某地铁站位于杉板桥路与圣灯路交叉口，车站右线总长299.0m，左线总长261.0m,标准段车站基坑深约16.8m，宽度21.1m。根据钻孔揭示，场地范围内上覆第四系人工填土层（Q4ml）；其下为第四系全新统冲积层（Q4al+pl）粉质黏土、黏质粉土、细砂、中砂、卵石，下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩。标准段围护结构形式为桩+内支撑，竖向设置3道钢支撑。铺轨基地段采取桩+锚索，竖向设置4道锚索。车站采用单柱两跨、局部为双柱三跨两层现浇框架结构，车站东西两端均接盾构始发区间。

图1-3成都8号线某地铁围护结构横断面图

宜昌某配套工程位于拟建三峡机场停车场的正下方，为地下双层岛式站台车站，通过地下通道与三峡机场T2航站楼换乘，车站全长283.5m，标准段宽度为21.48m，底板埋深约16.3m。该站地质勘察报告显示，基坑开挖深度含有1-12素填土、1-22杂填土、3-12黏土、3-13黏土、3-42卵石土。主体围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩形式+3道/2到内支撑（第一道为砼支撑，其余均为钢支撑）。钻孔灌注桩桩径1000mm，间距为1400mm和1600mm，高压旋喷桩桩径850mm，间距为500mm，桩长为11.4~18.4m，桩顶位于地下水位上方不小于1m处，桩底为基底下方6m。车站主体结构采用双层双跨钢筋混凝土矩形框架结构。

图1-4宜昌某配套工程围护结构横断面图

从以上4个案例可以看出，根据不同的地质条件选择不同的基坑支护形式，在含有软土、粉细砂土等不良土质情况下，一般选择地下连续墙，而地质情况相对好的黏土、砂卵石土层中一般采用钻孔灌注桩，在周边环境简单无建构筑物和重要管线的情况下还可以选择锚索+钻孔灌注桩或直接采用挂网喷锚+分台阶放坡的形式支护。在基坑的安全稳定的可靠性上地下连续墙+内支撑体系优于钻孔灌注桩+内支撑体系，钻孔灌注桩+内支撑体系优于锚索+钻孔灌注桩或直接采用挂网喷锚+分台阶放坡支护，而造价方面刚好相反，上例中采用地下连续墙+内支撑体系围护结构占车站总造价的24%，而采用钻孔灌注桩+内支撑体系围护结构占车站总造价的21%、18.4%、24.9%，所以根据条件来选择最优的方案，达到既经济又可靠的目的。

2、根据不同水文地质情况选择基坑降水及开挖方式

1.1昆明地铁3号线基坑降水及开挖方式

昆明地铁3号线某地铁站地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于第四系冲洪积相、冲湖积相的淤泥质粘土、粉土、粉砂、砾砂、圆砾等各含水层中。本工程地质基本为泥炭质土、粘土、粉质粘土、有机质土、粉土、粉砂，土体孔隙潜水丰富，渗透性差，降水施工难度大。本次钻探钻孔内揭示的地下水位稳定埋深为地表下2.3～9.2m，高程为1884.3～1891.4m。部分钻孔内未揭示地下水。

该站原计划采用坑内真空管井降水，设置12口降水井，其中2口兼做观测井，降水井间距15米左右。降水井井径600mm，管径273mm,井深25米，管材采用钢管，外裹2层80目的纱布。由于土体渗透性差，为增大渗透路径及面积，滤管采取全长设置，滤料填充材料采用颗粒磨圆度较好的4#砂（绿豆砂）围填，围填部位从井底向上至地面以下50cm, 地面以下50cm围填粘性土止水。先打设4口试验井，做抽水试验，结果证明地层中含水量极少，后续降水井未做，只在原降水井位置底板上留有泄压井，底板施工时采用钢套管预埋底板内，钢套管顶标高低于底板顶标高25cm，钢套管上焊接止水环和法兰片，车站完工后先用砼将管内填筑密实，安装法兰片封口，最后采用微膨胀混凝土浇筑至底板平。

主体结构施工拟分成9段进行，基坑土方开挖按照结构分段进行。根据开挖的深度结合纵向分段的作业面分别采用不同型号的机械作业。该站土方开挖竖向共分为八层：第一层土（地面至第1道砼支撑底面）采用1台普通PC200液压挖机完成；第二～三层土（第1道砼支撑底面至第2道钢支撑下0.6m）采用3台普通PC200液压挖机完成；第四～七层土（第2道钢支撑下0.6m至基底以上0.3m）采用1台EX350（22m、0.6m3）长臂挖掘机、4台YC-70小挖机完成；第八层土（基底以上0.3m）采用人工配合挖机清底完成。在开挖过程中掌握好“分层、分段、分块、对称、平衡、限时”六个要点，遵循“竖向分层、纵向分段、随挖随撑、掏槽检缝、先堵后挖”的施工原则。土方量65180m³，土方开挖时间从2011年11月2日至2012年2月23日，历时114天，平均出土效率572m³/天。

图2-1土方开挖断面示意图

1.2成都地铁7号线和8号线基坑降水及开挖方式

成都地铁7号线和8号线两个地铁站相距在1km以内，水文地质条件相似。地下水主要有三种类型：一是赋存与黏土层之上的上层滞水，二是赋存与第四系松散土层的孔隙水，三是基岩裂隙水。车站结构地下水主要是赋存于全新统（Q4）、上更新统（Q3）的砂、卵石土中的孔隙潜水。地下车站主体结构基本位于该层砂、卵石土中，受地下水影响较大。

该站采用坑外管井降水，通过降水设计计算，降水井井深25m，降水井井径Φ600㎜，降水井井距20m，降水井距离基坑外边为2m。

图2-2降水井断面图

基坑开挖施工以保证施工节点工期和周围环境安全为原则。土方开挖严格按照时空效应理论，掌握好“分层、分段、对称、平衡、限时”五个要点，并遵循“先支撑,后开挖；边开挖,边支撑；先中间,后两侧,主体结构紧跟”的施工原则，开挖过程中放坡坡度控制在约1：1，形成流水作业,确保工程安全质量前提下快速施工。土方开挖应严格保证支撑及时跟进。基坑开挖时，其纵横向边坡放坡应根据地质、环境条件采取安全坡度。每一大层开挖深度控制在下一层钢支撑下0.5m，每一大层根据厚度分小层开挖每次开挖深度不超过2.5m。为方便下层土方开挖和控制围护桩位移，中间进行拉槽。槽内设置的马道按15%坡度，马道底宽度不小于4.5m宽。

图2-3
土方开挖纵断面示意图

 

图2-4土方开挖横断面示意图

7号线车站土方量91580m³，土方开挖时间从2015年8月5日至2015年12月13日，历时131天，平均出土效率699m³/天。

8号线车站土方量102408m³，土方开挖时间从2017年6月8日至2017年10月30日，历时145天，由于环保原因出土影响30天，平均出土效率890m³/天。

1.3宜昌某配套工程基坑降水及开挖方式

宜昌某配套工程场地地下水类型包括位于黏土层的上层滞水，孔隙水及下部基岩裂隙水。根据现场钻探揭露情况，孔隙水是本项目的主要含水层，主要赋存于卵石土层中，富水性中等～强；基岩裂隙水，富水性较差。上层滞水主要见于黏土层中，富水性差。车站小里程端基底位于卵石层，土层含水较丰富，大里程基底位于黏土层中，土层中不含水。

本项目基坑降水设计采用坑内管井降水，项目设计管井降水1165m，井直径Φ600mm，采用Φ400/50无泥无砂管，管外填3~15mm卵石滤层，井沿基坑纵向布置，共布置58孔井。降水深度为降至基坑底以下1m。根据试验井数据，车站小里程水位位于底板位置。实际施工过程中对降水井进行了优化，15m一个疏干井，并结合基坑明排水达到基底无水条件。

基坑开挖方案与成都地铁类似，不再赘述。

宜昌某配套工程土方量109400m³，土方开挖时间从2021年9月3日至2022年1月8日，历时128天，平均出土效率855m³/天。

3根据不同水文地质情况下基坑监测变形情况

站点	桩体变形累计变化最大值	桩顶水平位移累计变化 最大值	地表沉降累计变化 最大值
昆明地铁3号线某地铁	40.03mm （控制值20mm）	11.08mm （控制值20mm）	-26.31mm （控制值25mm）
成都地铁7号线某地铁	23.25mm （控制值25mm）	23.6mm （控制值25mm）	-16.49mm （控制值25mm）
成都地铁8号线某地铁	20.98mm （控制值30mm）	12.10mm （控制值25mm）	-15.79mm （控制值30mm）
宜昌某配套工程	3.84mm （控制值25mm）	5.0mm （控制值25mm）	-5.31mm （控制值25mm）

基坑施工过程中需要加强每日监测，动态指导施工，从监测情况看像昆明地区类似的软土地层中基坑施工，基坑变形量较大，桩体累计变形量和地表累计沉降量均超过预警值，所以要采用刚度和整体稳定性更好的地下连续墙，并且第一道支撑采用现浇钢筋混凝土支撑，而像成都、宜昌等卵石土、砂卵石土、黏土层中基坑施工，由于土层自稳性较好，基坑变形量较小，均未超过预警值，基坑采用钻孔灌注桩加现浇钢筋混凝土支撑或钢支撑的围护结构形式即可满足。

结语

本文以自己参加工作以来四个工程实例为例，从车站的围护结构型式、基坑降水和土方开挖的方式进行对比，做了一些经验上的总结。地铁施工一般位于城市的繁华区域，周边环境复杂，社会影响面广，同时地铁深基坑施工作为超过一定规模的危险性较大的分部分项工程，施工中一定是在施工监测的实时数据指导下进行，确保基坑的安全受控。

参考文献

[1]建筑地基基础工程施工质量验收标准GB50202-2018；

[2]建筑深基坑工程施工安全技术规范JGJ311-2013；

[3]相关案例已经审批的施工组织设计、深基坑安全专项方案.

作者简介：吴融森 男，籍贯：皖，学历：本科，现有职称：工程师，研究方向：岩土与地下工程