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水下灌注混凝土由于在施工时的不可视性、施工工艺复杂性和施工连续性等原因，直接导致桩身在灌注完成后会由于施工不当造成蜂窝、空洞、离析、夹层或断桩等问题，引发质量安全事故，不仅会影响工期和带来巨大的经济损失，而且存在安全隐患。为了尽量避免在桥梁及高大建筑施工采用钻孔灌注桩出现安全隐患，都会采用常规非破损检测方法 (如超声脉冲法、射线法、脉冲回波法、声发射法等) ，对潜在的安全隐患进行排查。由于水下混凝土灌注施工技术直接关系到封底质量，在浇筑面积大、深度大的情况下，导管法灌注混凝土在水下以何种方式流动以及外界条件对混凝土最终强度的影响规律亟待系统研究和解决。

本文依托北京地铁永定门外站基坑工程，结合施工现场出现的水下灌注混凝土问题，建立水下混凝土流动数值模型，模拟水下灌注混凝土流动的动态过程，实现施工过程可视化。同时，结合实际施工方案，模拟获得单一导管的扩散半径，然后对水下灌注混凝土的两个重要因素地下水位和灌注混凝土的扩散半径进行分析，得出外界条件对水下灌注混凝土最终强度的影响规律，选出最优施工方案。

北京地铁永定门外站为地铁8号线和14号线换乘站，呈西北—东南走向。车站全长139.4m，标准段宽24.9m，底板埋深约36.1m。车站采用明挖顺作法施工，结构形式采用地下4层3跨框架结构，围护结构为地下连续墙。工程位于永定河冲洪积扇中部，工程范围内地形起伏不大，地面高程39.300～40.360m。该区原始地貌大部分已被人类工程活动所改造，地面以下管道纵横，有人防工程和地下通道等地下建筑，场地施工条件较复杂。

根据勘察资料，拟建场地岩土体分布较为复杂，勘察深度范围内由上部的人工堆积层和下部的第四纪沉积层组成，主要以黏性土、粉土及砂土、卵石为主。地下水主要赋存于卵石 (5) 层及以下土层中，水位埋深为17.80～25.40m，相对高程17.060～21.940m，基坑施工范围内地下水量丰富且存在承压水，该车站的典型地质剖面如图1所示。地下水主要有侧向径流和越流补给两种补给方式，再以侧向径流方式排出。

车站标准段基坑深36.1m，盾构井段深38.5m，是目前北京最深地铁基坑，周边建筑物众多，管线密集，道路交通流量大。地下水水位埋深17.8～25.4m，水位以下为透水性非常强的卵石层和粉细砂地层，基坑涌水量约20万m³/d，如采用降水，会对周边的建 (构) 筑物产生很大影响，再加上降水费用高，市政管道无法满足排水需求，会造成资源严重浪费。同时，由于降水深度较大、存在承压水，单纯的降水很难解决问题，若采用止水帷幕+坑内降水方法，形成落底式帷幕的深度将达到60m，不但造价高且对于施工机械和施工工艺的要求也很高，最后确定采用悬挂式帷幕+坑内降水+水下混凝土封底的地下水控制方案。利用基坑底以上粉质黏土层作为隔水层进行坑内疏干，疏干后开挖至第3道混凝土支撑位置，回灌水至原水位保证基坑的稳定，第3道混凝土支撑以下的土方开挖采用水下开挖。由于水下灌注混凝土理论的欠缺，为达到良好的封底效果，使用PFC软件对可能影响混凝土质量的因素进行模拟。

首先进行单套导管的混凝土水下灌注。模型尺寸为17m×12m，导管长度40m，基坑底部有厚度约8m的卵石层，卵石直径为5～8cm。模型中混凝土颗粒根据实际工程采用C35混凝土，坍落度在220mm左右，经过PFC细观参数标定，设置墙体刚度为1×10⁹N/m，混凝土颗粒的具体参数如表1所示。输入颗粒参数后在每个料斗生成50 000个颗粒，然后生成20 000个颗粒充满每根导管，运行命令得到单根导管水下灌注扩散半径如图2所示。

由图2可知，单根导管水下灌注混凝土时大致呈现锥体，首灌量结束后导管口埋置在首灌锥体内，后续混凝土颗粒不断灌注将首灌混凝土向上顶起，呈现锥体状，两侧混凝土厚度不足，故在水下布置导管时要充分考虑导管的扩散半径对灌注面积的影响。单根导管灌注扩散半径坐标系如图3所示。

根据图3可以看出，导管法灌注混凝土扩散半径达到要求的3m，为了满足灌注封底厚度要求，应控制导管间距在3m以内，并且要严格按照灌注量来进行灌注，亦可以进行一定量的超灌以满足封底要求。

扩散半径的大小取决于混凝土的流动性 (坍落度) ，在混凝土强度等级固定的情况下，对面积固定的基坑进行水下混凝土灌注需要根据扩散半径来布置导管的位置，导管的布置能够决定封底的成功与否与质量好坏。根据施工方案选布的导管位置如图4所示，布置会尽量靠近边墙，确保接缝处封底厚度。根据标准计算，此工程采用水下灌注混凝土扩散半径为3.0m，根据基坑面积计算得到单仓采用5套导管即可满足灌注要求，由于灌注过程不可逆不可视，为了节省时间和资源，保证灌注质量，现场采用7套导管进行水下混凝土灌注。为了验证方案的计算结果和PFC软件对水下模拟混凝土灌注的可行性，按照7套导管的布置原则，分别设计5套和6套导管的灌注方案进行模拟，模拟结果如图5所示。

将上述运行结果中封底完成图放置在同一坐标系中绘制封底厚度曲线如图6所示，来分析这3种施工方案。

由图5, 6可知，7套导管灌注水下混凝土封底效果最好，无论是灌注厚度还是灌注面平整度均优于5套导管方案和6套导管方案。同时，由于导管的存在，在导管附近会出现混凝土堆积现象，5套导管由于导管数量少，间距大，有堆积现象;6套导管由于是2排布置，2排导管间距较大，堆积现象在导管布置处明显;而7套导管布置间距适中，布置均匀，相对于其他2组更加平整，封底效果最好。虽然导管布置越密，平整度越好，但是在实际工程中考虑到成本及施工难度等情况，8套以上导管不列入考虑范围。

水下灌注混凝土要求混凝土具有良好的流动性和自密实性，在水下不发生分崩离析等现象，因此地下水位的高低是水下灌注混凝土质量的一个影响因素，根据施工方案，原始地下水位为19.000m，设计17.000, 18.000, 19.000, 20.000, 21.000m的模型来研究地下水位对水下灌注混凝土的影响。不同地下水位只需在施工方案的基础上改变地下水位，由于PFC软件的特性，在模型外围施加不同高度的下水位，分别计算5个不同地下水位线标高的模型，结果如图7所示。将模拟结果在同一坐标系中描绘出灌注厚度曲线，如图8所示。

由图7, 8可以看出，地下水位越低，水下混凝土封底效果越好。地下水位标高17.000m时，水下混凝土灌注后封底较为平整，而地下水位标高21.000m时，曲线图起伏较大，封底效果不太理想。由于地下水位的存在，混凝土在导管布置处更易堆积，所以在施工过程中，要根据地下水位的高低采取流动性不同的水下混凝土。同时，由于地下水位较低的施工效果好，所以在条件允许范围内可适当降低地下水位，这样既可以保证施工效果，也能降低水下混凝土的配合比要求;但在特殊施工环境中 (比如地下水丰富、有越流补给等，无法降低地下水位) ，可以适当提高水下混凝土的流动性及和易性等保证封底质量。

车站采用地下连续墙加内支撑的围护结构体系，首先进行地下连续墙的施工，本站围护结构标准段采用1 200mm厚的地下连续墙。为了减小施工面积、降低施工难度，在施工地下连续墙后成槽施工16道分仓隔墙，随后开始施作混凝土支撑及常规开挖至第3道混凝土支撑，然后回灌至原地下水位后，采用旋挖钻配合抓斗进行水下土方开挖，开挖至封底混凝土底标高位置，对每个仓侧面进行刷壁，布置导管并搭设平台，灌注水下混凝土至设计标高，施工平面如图9所示。

施工按照7套导管和17.000m的地下水位高度进行水下混凝土灌注。混凝土全部浇筑完成，待同条件养护试块合格后，分段进行抽水工作，观察水位是否回升，如果没有水位回升则代表封底成功，最后将地下水全部抽排，对可能出现渗漏的位置进行修补。底部的封底状况整体良好，在地下连续墙和封底混凝土接缝处出现少量渗漏，满足施工要求，实现了水下混凝土灌注封底。

1) 由于水下灌注混凝土的特殊性，在水下布置导管时要充分考虑导管扩散半径对灌注面积的影响。

2) 导管布置的越密越均匀，封底效果越好，在实际工程中需要根据实际成本和施工操作难易度选择合适的导管数量。

3) 地下水位高度是影响水下混凝土灌注的一个重要因素。地下水位越低，灌注的平整度越佳。地下水的存在会使混凝土随地下水位升高流动性变差，可以根据实际情况，适当降低地下水位来确保灌注质量，在无法降低地下水位时采用流动性和和易性更好的水下混凝土来确保灌注质量。