濒江长大杂填土基坑止水方案设计与效果研究

蔡建中

0 引言

地下水控制是基坑工程的一个难点，由于土质和地下水位的条件不同，基坑开挖的施工方法大不相同，有时在没有地下水的条件下，可轻易地挖到5.0 m或更深;但在地下水位较高，而且地层以砂土或粉土为主时，即使挖深3.0 m，也可能产生塌方的事故。因此富水地区开挖基坑，必须对地下水进行控制。地下水是基坑工程的天敌，根据有关资料统计，70%以上的基坑工程事故是由水害直接或间接造成的。常见的基坑破坏包括边坡破坏、地表沉降、坑底隆起、突涌和围护结构破坏等[1-7］。调查表明，在富水环境中开挖基坑，地下水的处理是关系到基坑施工成败的关键，如济南市的“不夜城”“经纬大厦”“财税大厦”等基坑开挖中，因降水都给周围的建筑物造成不同程度的破坏。因此对于富水环境中对地下水的控制是基坑开挖成败的关键。本文结合南昌市沿江北、中大道连通工程施工，对周围地下水的控制技术进行系统研究，在止水方案的基础上，合理地进行基坑降水，达到既能安全施工，又能保证工程按期完工的目的。

1 工程概况

1.1 工程简介

南昌市沿江北、中大道连通工程路线全长约2 328 m。连接线地面层道路长约1 153 m(其中跨抚河桥梁长约94 m)，道路宽20 m。连接线隧道部分按上、下行分别设置，东侧隧道总长737 m，其中单向四车道隧道(长137 m)总宽为17.45 m;单向双车道隧道(长600 m)总宽为9.65 m;西侧隧道长798 m，均为单向双车道隧道，总宽为9.65 m。隧道南、北两侧引道各长约170 m，与隧道同宽。

1.2 工程地质条件

据岩土工程勘察报告，工程沿线岩土由人工填土(Qml)、全更新统冲积层(Qal4)及第三系新余群(E1-2)组成。依各岩土层的成因、物质组成、颗粒组分不同可分为:①杂填土;②淤泥质粉质粘土;③细砂;④砾砂;⑤1强风化泥质粉砂岩;⑤2中风化泥质粉砂岩;⑤3微风化泥质粉砂岩;⑤4未风化泥质粉砂岩。其中，人工填土组分主要以粘性土及砂土为主，含碎石、碎砖块、碎混凝土块等建筑垃圾，结构松散，为新近期堆填。钻探揭露层厚0.80 m～16.50 m，平均层厚9.19 m，拟建工程沿线均有分布，对工程影响巨大。淤泥质粉质粘土平均压缩系数为0.51 MPa－1，压缩模量平均值为4.16 MPa，高压缩性，层厚为1.00 m ～7.60 m，主要分布在抚河河底及抚河两岸岸边，对部分地段工程有影响。

1.3 水文地质条件

2 地下水处治

表1 基坑涌水量估算

工程濒临赣江、抚河，地表水资源丰富，勘察期间实测水面标高为17.39 m ～18.69 m，水深2.50 m ～8.30 m，河底标高为10.31 m ～14.55 m。勘测稳定地下水位埋深0.80 m ～8.10 m，标高17.80 m ～18.13 m，承压水头高度一般为3.50 m ～11.00 m，平均为 6.23 m。结合地区经验，建议场地含水层综合渗透系数采用100 m/d。

根据现场调查发现影响本工程的地下水主要为上层滞水及第四系松散孔隙承压水两类。其中，上层滞水水量受季节影响，雨季水量较大，枯水季水量较小，水位变幅3 m～5 m。上层滞水在枯水期有限，一般可采用集水明排降水措施处理即可。但遇到雨季时，局部涌水量会明显增加，集水明排降水措施效果不显著，同时有可能对周边环境造成一定的破坏。勘察期间第四系松散孔隙承压水其标高约为18.00 m。考虑其变幅后，最高可至23 m左右，若设计采用管井进行降水，则基坑涌水量估算如表1所示。

综上分析认为，整体基坑开挖时，上层滞水雨期时明排效果不明显，基坑估算涌水量较大，丰水期间需抽降的深度过大(达12 m左右)，采取强行降水较为困难，且强行大面积、大深度降水也易对周边环境造成破坏。因此拟采用钻孔灌注排桩进行支护，同时辅以高压旋喷桩共同形成止水帷幕。钻孔灌注桩与高压旋喷桩桩径1 000 mm，间距1 500 mm，在同一轴线上，相互咬合。止水帷幕旋喷桩桩底要求进入强风化泥质粉砂岩至少0.5 m。止水帷幕桩桩长约10.5 m ～19.2 m。

围护结构止水帷幕采用三重管旋喷桩止水墙，清水压力应大于35 MPa，气压应大于0.7 MPa(空压机容量应大于9 m3)，水泥浆压力应大于1.5 MPa，水泥采用32.5R普通硅酸盐水泥，水灰比应小于1.0。旋喷桩钻杆提升速度不得大于15 cm/min。对于施工过程中，止水桩与桩间搭接部分、桩与岩基连接部位出现因局部搭接不良而引发的地下水入渗现象，可采取压密注浆对渗、漏水部位进行处理，必要情况下，同时可进行外围大管井抽水降低基坑内外水头差，进而减弱渗透变形的破坏作用。

3 止水帷幕防水效果研究

3.1 试验布置

由于工期紧，任务重，为了保证施工安全，防止隧道基坑开挖时出现涌水等事故，止水帷幕施工完成后，进行了现场抽水试验，分析已施工的止水帷幕的止水效果，沿基坑内外各布置一组抽水试验。坑内03-2号抽水井位于本工程隧道基坑中段，井位中心距东西两侧基坑分别为12.2 m，12.9 m，基坑支护体系为悬臂桩加高压旋喷桩，可视为隔水边界，井位中心距南、北两端基坑边线分别为300 m，400 m，南、北两个方向可作为近似无限边界考虑。坑外03-14号抽水井位于隧道中段基坑西侧，井位中心距东端基坑止水帷幕边界线约31.4 m，支护体系为悬臂桩加高压旋喷桩，视为隔水边界;西距赣江东岸约为14.5 m，视为供水边界;赣江为该抽水井的定水头补给边界。孔位布置情况如图1，表2所示。

图1 试验井点布置示意图

3.2 试验方案及结果

抽水孔及水位观测孔采用冲击成孔，孔径600 mm，加劲管作井管，井径400 mm，外填级配滤料，含水段滤管长度大于6 m，超过场地含水层厚度。井底揭穿含水层底板，进入强风化岩0.5 m，均为完整井。

表2 试验井点布置情况

采用稳定流抽水试验，水量采用水表量测，水位采用电测水位计量测，抽水流量及水位稳定时间大于22 h，停抽后进行恢复水位的观测，观测时间大于8 h。试验结果如表3所示，基坑内03-2井抽水试验相关井点水位降深历时曲线如图2所示。

图2 03-2抽水试验相关井点水位降深历时曲线

表3 抽水试验结果汇总表

3.3 试验结果分析

综合分析认为，03-2抽水试验的水文地质模型为两侧隔水边界南北进水的稳定流水文地质抽水试验，试验结果按式(1)计算渗透系数;03-4号抽水实验的水文地质模型为一侧隔水边界，另一侧为定水头补给边界的稳定流水文地质抽水试验，试验结果按式(2)计算渗透系数。

两侧隔水边界、承压水转无压水类型:

一侧隔水、另一侧定水头补给供水的潜水类型:

其中，K为渗透系数，m/d;Q为单井出水量，m3/d;b1，b2分别为试验井点至两侧边界的距离，另b=b1+b2，m;rw为井点半径，m;R0为抽水影响半径，m;M为承压含水层厚度，m;H为潜水含水层厚度或净水头高度，m;h为动水头高度，m。

根据03-2，03-4井抽水试验资料，按上述公式计算基坑内外渗透系数如表4所示。

表4 含水层渗透系数计算结果

抽水试验表明:止水帷幕的隔水效果较为明显，据试验期间水位观测资料分析，试验地段，支护体系仍存在局部渗漏通道。因本次试验正值赣江枯水期时段，试验地段支护体系止水帷幕虽存在局部渗漏通道，但试验期间的渗透量、渗透速度与相关联性表现为不甚明显，但至次年3月份～5月份期间，赣江水位处于长期高水位状态，且其最高水位较现在上升可达10 m，丰水期间的常水位也在17 m左右，高出现阶段水位约达6 m，基坑内外侧水头差将大大增加，存在导致止水帷幕薄弱地段贯通的可能，建议采取相应的措施，在坑内设置降水井的同时，基坑外侧也宜设置相应数量的工程降水井点，备用进行开挖期间的坑外降水。

4 结语

由试验结果可知，单排钻孔灌注桩及旋喷桩咬合形成的止水帷幕有较明显的隔水效果，但是由于咬合段质量难以控制，施工完成后易存在渗漏通道，特别是对于杂填土而言，土层密实度差，结构松散，孔隙度大，部分地基中可能存在较大的孔洞，施工时不易形成密实的桩，宜增加止水帷幕的厚度或增加辅助的降水井点。由于工程工期较紧，后期施工时增加部分降水井，并增加了基坑周围水位监测频率。经监测，施工期间坑内外水位稳定，围护结构变形始终在警戒值以内，基坑侧壁基本无渗漏现象，周边建筑无附加变形。

[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.

[2]刘国彬.水及土压力的实测研究[J］.岩石力学与工程学报，2000，19(2):205-210.

[3]侯学渊，杨 敏.软土地基变形控制设计理论和工程实践[M］.上海:同济大学出版社，1996.

[4]Brassington F.C.，Preene M..A horizontal wellpoint as a lowimpact water source in a dune-sands aquifer[J］.Water and Environment Journal，2007，18(2):102-106.

[5]孙文娟.软土地基中基坑围护结构的挡水作用机理及其工程应用[D］.上海:上海交通大学硕士学位论文，2010.

[6]Lee J.Y，Yi M.J.，Moon S.H.，etc.Causes of the changes in groundwater levels at Daegu，Korea:the effect of subway excavations[J］.Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2007，66(3):201-208.

[7]Roberts T.O.L.，Botha C.P.，Welch A..Design and operation of a large dewatering system in Dubai.17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering[J］.Alexandria，Egypt，2009(10):5-9.