徐世建李辉
中交隧道工程局有限公司北京市100102
摘要：结合北京地铁8号线三期6标永定门外站工程特点和地质条件，分析富水卵石地层有水开挖、地铁车站行走平台、水下盲区开挖、地铁车站水下封底等工程难题，并针对这些难题提出需要开展的富水卵石地层开挖工艺探索、射流反循环钻机研发、移动平台行走系统研发、车站基坑分仓隔墙施工等关键科研课题，为城市地铁车站有水施工建设提供借鉴。
关键词：城市地铁；富水卵石地层；有水开挖；自行走开挖平台；水下封底；分仓隔墙；射流反循环
1、工程概况
1.1工程地理位置
永定门外站为北京地铁8号线三期与14号线永定门外站的换乘站，位于永定门外大街与京沪铁路立交路口南部，永定门外大街与沙子口路口北部，车站所处位置交通繁忙，道路两旁多为临街商铺。
1.2工程地质与水文地质
根据地质资料显示，永定门外站地层为人工堆积层、第四纪新近沉积层及一般第四纪冲洪积层三类，按地层岩性进一步分为9个大层，从上到下主要分布有杂填土、粉土填土、粉质粘土、粉土、粉细砂、卵石，地质特性较为复杂，尤其是下部多次出现粉细砂与卵石夹层现象。
本段线路地层赋存有三层地下水，其中上层滞水（一）、潜水（二）受地表水及径流影响局部地段可能存在，层间潜水（三）含水层为卵石⑤层、卵石⑦层、粉细砂⑦3层及卵石⑨层，水位标高为16.55～17.64m，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。场地地下水对混凝土结构及结构中的钢筋，在长期浸水及干湿交替环境下存在微弱腐蚀性。
位于地下水位线以下的地层主要有卵石⑤层、粘土⑥层和卵石⑦层，地层含水量高、透水性好，地下水流速大，其中卵石⑤、⑦层极其致密，重型动力触探值分别为85和115，详细地层参数见表1、图1。
图1地质纵剖面图
1.3设计概况
车站主体结构总长139.2m，标准段宽度为24.7m，轨面埋深约29.7m，车站北端设2个换乘通道与14号线相接；车站西侧设置2个出入口，一个无障碍出入口，外挂2组地下三层风亭结构；车站东侧设置1个出入口，4个疏散通道以及1个活塞风道。
2、有水开挖及水下封底关键技术
2.1总体施工方案
方案编制组根据实际勘察资料和现场施工工况对基坑开挖过程进行数值建模，提出悬挂式地下连续墙+混凝土封底止水、水下开挖施工方案。基坑标准段地下水位以上约21.32m采取干开挖，水位以下采取水下开挖。地下连续墙采用厚1200mm、幅宽为5m和6m两种，采用十字钢板刚性接头，墙顶设冠梁。基坑支撑采用三道混凝土支撑，坑内底板标高以下设置1000mm厚分仓隔墙将基坑分成16仓，分仓隔墙标准幅宽为5m和5.5m两种，施工后的分仓隔墙上部空槽采用自凝灰浆回填，仓内浇筑水下封底混凝土，封底厚度为4m。
2.2致密卵石地层水下开挖技术
永定门外站水下开挖地层主要为卵石⑤层和卵石⑦层，地层极其致密，普通设备难以在水下形成土体破裂面，且本工程施工需要完成基坑全平面覆盖开挖、清理地下连续墙剪力槽、清理腰梁及板撑（阴角）下侧土体、清理淤泥、整平基坑底面等工作，因此必须采用多种设备配合进行水下开挖施工，需要配备一套可行的水下开挖设备。
2.2.1自行式工作平台+旋挖钻机开挖
基坑全平面覆盖水下开挖采用自行式工作平台+旋挖钻机的形式，水下开挖平台为贝雷架与型钢架组合平台，下部采用液压滑靴系统提供行走动力，开挖平台横跨基坑架设，滑靴系统沿基坑纵向架设在冠梁上，测量人员测定开挖轴线位置，平台根据开挖部位进行移动，使平台中部活动式走道板对准开挖轴线。普通的水下开挖器械难以在致密卵石地层破土、抓土，而旋挖钻机在挖土的同时形成一定的土体破裂面，旋挖钻成孔直径按1.2m设计，中心距1.6m，采用跳孔挖土，每层进尺控制在2m以内，配合抓斗取土逐层开挖。
2.2.2剪刀形重力式抓斗机抓土
旋挖钻机跳孔开挖形成破裂后不能再继续开挖，一是因为松动后的土层软硬不均容易形成滑钻，二是因为旋挖钻机取土工效较低，需要更换为取土更快捷的抓斗取土。致密砂卵石地层重型动力触探值极高，常规抓斗机不能满足要求，在施工中使用特制剪刀形重力式抓斗机，改装后的抓斗角度约为30°，角度更小更容易的插入土体，根据实际使用测得剪刀形重力式抓斗机开挖工效约为12.15m³/h，可以满足水下开挖需求。
3.2.3射流反循环钻机盲区清理+吸泥机整平
车站内部支撑采用混凝土支撑，支撑、腰梁及混凝土板撑区域下方为水下开挖盲区，由于旋挖钻机和抓斗机进行水下开挖在盲区部位难以施工，遂采用射流式反循环设备作为一种辅助开挖手段，对阴角和盲区部位进行开挖处理，射流反循环钻机施工示意图见图2。板撑部位采用潜水员配合振动锤进行清理，个别难以清理部位采用潜水员配合水下吸泥机进行清理，可将盲区部位的土体抽吸至盲区外，再使用抓斗机取土。在完成基坑开挖后，利用吸泥机进行基坑底部整平工作，并委派潜水员进行水下阴角、盲区、剪力槽等位置的最终清理，在混凝土浇筑前进行基坑底部淤泥的清理工作，以保证水下混凝土封底质量。
图2射流式反循环钻机工作示意图
2.3深基坑大体积水下混凝土封底施工技术
2.3.1分仓隔墙施工技术
连续墙+混凝土封底止水的目的是形成一个底部封闭的坑槽，基坑封底混凝土设计厚度为4m，浇筑量约13090m³，根据北京市混凝土供应现状，很难保证长时间连续供应，且大体积混凝土浇筑水化热作用易形成裂缝和渗漏点等质量缺陷，一次性浇筑难以保证混凝土封底质量。为了保证封底质量在基坑内部增设1m厚分仓隔墙，将基坑划分为16个小仓减少一次性封底方量，保证混凝土浇筑质量。分仓隔墙同时兼作抗拔墙使用，加强封底混凝土的抗浮作用，提高车站结构的整体抗浮能力。
经过数值模拟分析，分仓隔墙的设置还有助于地连墙的变形控制，特别是对下部变形有显著改善，并且合理的分仓隔墙布置形式可以适当减小地连墙嵌固深度，节省造价；在深层地层坚硬，地连墙成槽困难的工程中，也可以考虑加入分仓隔墙，以达到既能降低成槽难度又能控制基坑变形的目的。
2.3.2水下封底混凝土浇筑技术
为保证水下封底混凝土浇筑质量及平整度，浇筑方式和混凝土性能至关重要，通过PFC颗粒流软件建立水下混凝土流动模型，研究地下水位和灌注半径对水下混凝土灌注的影响规律，根据软件模拟结果发现单个仓室按照梅花形布置7套导管同时浇筑，可以基本满足混凝土封底要求。
水下混凝土封底除满足强度、耐久性、抗渗设计要求外，还要求混凝土不离析、不翻浆、不板结、和易性好。为满足以上要求进行了混凝土试拌试验，该试验掺入了超保坍型高性能减水剂及大掺量矿物掺合料，混凝土参数设定坍落度为220mm，坍落扩展度为550mm-650mm，流动时间约为8s，流动性良好。通过多次试验得出混凝土配合比如表2所示。
表2水下浇筑混凝土配合比
编号试配强度（MPa）各项材料用量（kg/m3）实测坍落度（mm）抗压强度（MPa）
水泥粉煤灰矿粉砂子碎石水外加剂7d28d
143.22201008072810921604.622028.544.7
按照试验配合比生产的混凝土，在保证封底混凝土具有良好工作性的情况下，尽可能的降低了混凝土的单位用水量，按照“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的准则，配置出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。
施工结果表明水下封底混凝土各项性能指标满足设计及规范要求，封底质量满足设计要求，浇筑平整度满足底板施工要求。
3、结论及建议
永定门外站基坑开挖深度大，地下水丰富、地层密实难以开挖，给施工带来较大的难题。本文以永定门外站深基坑水下开挖及封底施工为例，通过分析其特殊地质、环境条件，针对基坑施工难点，系统总结了永定门外站基坑开挖过程中的关键施工技术：
(1)考虑北京卵石地层特性，及城市繁华区降水困难等因素，采用悬挂式地下连续墙+混凝土封底止水方案，能够有效的解决常规降水开挖引起的沉降问题，又确保最小程度扰动地下水，为环境保护做出非常大的贡献。
(2)以自行式工作平台为支撑，以旋挖钻破土、重力抓斗取土为主，射流反循环、吸泥机及潜水员为辅的开挖方式，在富水致密卵石地层基坑开挖工程具有显著优势。
(3)水下混凝土灌注方量大，工艺复杂、隐蔽，采取分仓灌注、分析导管布置位置、配置适应性混凝土等措施成功完成水下混凝土封底。
上述技术创新不仅解决了永定门外站基坑开挖深度大、地下水丰富、地层密实、场地条件差等难点问题，而且可以为今后类似工程提供一定价值的参考。
参考文献：
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[3]齐峰.致密卵石地层超深地下连续墙成槽技术探讨［Ｊ］．现代城市轨道交通，2017，（6）：41-45