078工程1#、2#工位深基坑嵌岩止水帷幕设计与施工技术

蒋建忠

【摘 要】 本文以海南文昌卫星发射场078工程1#、2#工位深基坑嵌岩止水帷幕工程为背景，详细介绍了止水帷幕方案的比选、止水帷幕设计和施工等关键技术，达到了降本增效、缩短工期并确保基坑止水效果，为沿海地区深基坑止水帷幕施工提供了经验借鉴。

【关键词】 深基坑止水帷幕 三轴水泥搅拌桩 高压旋喷桩

1 工程简述

新建的海南文昌卫星发射场078工程1#发射塔（101#、102#，以下简称1#工位）、2#发射塔（201#、202#，以下简称2#工位）建筑位于海南省文昌市龙楼镇南部，毗邻南海。地形基本平坦，属于海成Ⅰ级阶地地貌。建筑物±0.00标高为+7.750，现场地平整后标高为+6.000，相对标高为-1.75。因基础施工需开挖基坑，必须进行止水帷幕设计与施工。1#工位止水帷幕搅拌桩桩径Φ850mm，桩长约12.5m，总计6858m3，高压旋喷桩Φ1500mm，有效桩长2.0m，总计3248m3；2#工位止水帷幕搅拌桩桩径Φ850mm，桩长约12m，总计8198m3，高压旋喷桩Φ1500mm，有效桩长3.2m，总计5154m3。基坑概况见表1所示。

2 工程地质水文地质条件

2.1 地基土层的岩性特征及其空间分布

根据岩土工程勘察报告，勘察深度范围内上部地层属于第四纪海相沉积物，以砂土及含砂生物碎屑为主，局部为珊瑚礁；下部地层为花岗岩。以满足工程需要为原则，考虑时代成因、岩性特征与物理力学性质等诸多因素，将岩土工程勘察深度范围内的地基土层共划分为4个工程地质层，其岩性特征见表2所示。

2.2 水文地质条件

根据勘察报告，场地有二层含水层，第一层含水层为主要赋存于第②层细砂及第③层含砂珊瑚碎屑的孔隙潜水，地下水主要接受大气降水及地下径流补给，属于极强透水层，水量极大，局部地段由于珊瑚碎屑及珊瑚礁含量大，钻进时漏浆严重；第二层含水层为赋存于第④层中风化花岗岩中裂隙潜水，属于弱含水层，水量不大。勘察期间钻孔中静止水位埋深为1.0～2.4m，高程为3.30～4.92m。

3 止水帷幕系统设计方案确定

3.1 止水帷幕系统组成

止水帷幕系统包括：（1）、基岩面以上透水层的止水帷幕；（2）、放坡与护坡（含坡顶挡水坝）；（3）、止水帷幕内降水井、基坑放坡开挖明排水设施；（4）、基坑止水帷幕外侧的监测井（兼降水井）。

3.2 止水帷幕设计方案

3.2.1 场地地质条件分析

⑴ 工程地质条件分析

① 强透水层（③层以上地层）

根据场区勘察报告，场区内②层及③层属于极强透水层，水量丰富。局部地段由于珊瑚碎屑及珊瑚礁含量大，钻进时漏浆严重。

止水帷幕系统需要解决的问题：因第②、③层土透水性极强，设计止水帷幕时必须采用合理的止水形式对③层以上地层进行隔水。

② 强若透水层交界面（③、④层交接面）

从承载力特征值来看，③层细砂为120KPa、珊瑚碎屑130KPa，④1层强风化花岗岩1500KPa，④层为强度较大的中风化花岗岩。这些指标是选择止水帷幕施工方法的重要参考指标，直接关系到施工质量、进度及施工费用。从③、④层透水性质上看，③层以上土层为强透水层，④层为弱透水层，③、④层交界面为强透水界面。

止水帷幕系统需要解决的问题：从地质剖面图可以看出，基坑底标高已进入第④层中微风化岩层，穿过③层与④层的强渗透交接面，在止水帷幕设计与施工时必须对该界面进行防渗处理。一是合理、科学地确定设计方案，二是选择有效可行的施工方法。

③ 弱透水层裂隙水（④层基岩）

根据建筑设计要求，基坑开挖已进入④层约10m。④层中风化花岗岩岩体基本完整，总体来说属于弱含水层，水量不大，但不排除局部地段张性裂隙发育，水量丰富的可能性。

止水帷幕系统需要解决的问题：在制定护坡方案及降、排水方案时要充分考虑基岩裂隙水的排放问题。

3.2.2 水文、气象条件分析

由于本基坑所在的场区毗邻南海，距离海边直线距离只有800米左右，场地内②层及③层属于极强透水层，水量丰富，且与南海海水之间存在水力联系；又海南岛地处亚热带，台风、暴雨经常光顾，从气象条件来看，在本场地进行基坑、基础施工存在着不利的水文、气象条件。

止水帷幕系统需要解决的问题：考虑到上述水文、气象及水文地质条件，在止水帷幕设计与施工时，一是要考虑在基坑顶部设置挡水坝（挡水坝是止水帷幕系统的重要组成部分）；二是必须对④层（特别是③、④层交接面）以上实施全封闭隔水（此部分是止水帷幕系统的主体），隔断基坑内地下水与海水之间的水力联系；三是要重视对基坑开挖形成放坡面的明排水问题，包括施工期间大气降水排放。

3.2.3 加固深度的选取

根据项目岩土工程勘察报告，本项目地层起伏不大，相对较为平坦。根据勘察报告提供的20个勘探孔资料统计，中风化花岗岩层顶平均埋深13.25m，根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200―2004）第5.0.5条规定：“封闭式高喷墙的钻孔宜深入基岩或相对不透水层0.5m～2.0m”，按照止水帷幕设计要求，高压旋喷桩进入中风化岩层0.5m，高压旋喷桩桩底深度平均为13.75m，花岗岩④1层平均层厚0.58m。结合施工质量控制措施，考虑引孔时存在沉渣厚度，花岗岩④1层平均层厚按1米计取，宜选取高压旋喷桩桩底埋深为14m，这样，止水帷幕设计平均加固深度为14m。

3.3 止水帷幕结构形式的选择

结合现场实际情况，使用高压喷射注浆法、水泥土搅拌法是可选的结构形式。

3.3.1 搅拌桩止水帷幕

成功实施搅拌桩来做止水帷幕的首要条件是深层搅拌机能可靠地将水泥浆和地基土原位搅拌。就目前国内设备的能力来讲，当地基承载力的标准值大于120KPa时，常规搅拌桩机施工困难，但采用SMW工法，因其设备动力大、搅拌轴扭矩大等优势，能在本工程场地的第①、②层土和第③层土的大部分进行原位搅拌形成水泥土墙体，能确保就地搅拌充分，形成的桩体具有质量稳定、强度高，止水效果好，抵抗变形能力强等优点。

3.3.2 高压喷射注浆法止水帷幕

利用钻机通过合金或金刚石钻头进行预成孔，然后将带有特殊喷嘴的注浆管（钻杆），通过钻孔置入到处理土层的预定深度，然后将水泥浆以高压冲切土体。在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体。加固后可以提高土体强度，封堵渗透空隙、裂隙，形成防渗帷幕。

3.3.3 止水帷幕施工方法的选定

通过以上的比较分析，本工程的止水帷幕采用三轴搅拌桩与高压喷射注浆法结合起来的止水帷幕结构形式。

3.4 止水帷幕的设计参数

3.4.1 三轴搅拌桩墙体参数

在本场地①、②层和③层上中部采用施打三轴搅拌桩形成止水帷幕。搅拌桩单排，桩径850mm，水泥掺量20%，采用PO.42.5硅酸盐水泥，每方水泥用量380Kg，施工28天后桩体无侧限抗压强度>1.5MPa。本工程1#工位搅拌桩桩长12.5m，轴线周长497m，共有414幅；2#工位本工程搅拌桩桩长12m，轴线周长545.6m，共有457幅。

3.4.2 高压旋喷桩的设计参数

根据施工经验，结合本工程的实际情况，本工程采用三重管高压旋喷桩进行③层中下部及③层与④层交接面的止水帷幕施工。桩体加固深度为进入中风化基岩面以下500mm范围内，桩顶标高以搅拌桩停打位置深度以上1m的标高为准。三重管高压旋喷桩直径1500mm，有效直径900 mm，搭接300mm，水泥掺量20%；28天无侧限抗压强度qu>1.5Mpa。沿三轴搅拌桩轴线布置一排高压旋喷桩，桩间距600mm。本工程1#工位高压旋喷桩桩长2.5m，轴线周长为497m，共有828根桩；2#工位桩长3.2m，轴线周长为545.6m，共有910根桩。

3.5 放坡与护坡

基坑边坡分三级放坡，一级边坡从地面至-7.0m，放坡坡比为1：1.3；在一级边坡坡面上按竖向间距3m、水平间距3m设一滤水管。在坡脚设2m宽平台与排水沟，并每隔30m设一集水井。

二级边坡从-7.0m至岩层面，放坡坡比为1：1.4；在坡面上按竖向间距2.5m、水平间距2.5m设一滤水管。在坡脚设3m宽平台与排水沟，并每隔30m设一集水井。

三级放坡为中风化花岗岩层，放坡坡比为1：0.3。

在基坑边坡顶面设一挡水坝，底宽1m，顶宽0.5m，坝高0.5m，用240砖砌成坝，表面抹50mm厚的1：2.5水泥砂浆。

考虑到基坑暴露时间较长，为确保边坡稳定，采取50mm厚C20细石混凝土，内配φ6.5@200mm×200mm钢筋网片护坡。

3.6 降水与排水

3.6.1 降水井（兼作监测井）

为检验止水帷幕的隔水效果，在基坑外侧布设20口地下水位监测井。基坑外监测井兼做降水井，必要时通过坑外降水来阻止地下水向坑内渗透，为及时堵漏赢得施工处理时间。

3.7.2 边坡排水沟

在二级放坡边坡坡脚下设置排水沟与集水井，主要用于排放边坡渗漏水、大气降水等。

4 止水帷幕系统施工

4.1 施工工艺流程图

4.2 操作要点

4.2.1 放线定位、挖槽

1）放线定位

施工前，先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点，精确计算出围护中心线角点坐（或转角点坐标），利用测量仪器精确放样出围护中心线，并进行坐标数据复核，同时做好保护。根据已知坐标进行垂直防渗墙轴线的交线定位，并进行复核检查。

2）挖槽

根据放样出的搅拌桩围护中心线，用挖掘机沿围护中心线平行方向开掘工作沟槽，沟槽宽度约1.2m，深度约0.6m～1.0m。

4.2.2 预探孔施工

由于工程地质条件复杂，基岩分布不均匀，起伏变化比较大，为了探明③层、④层岩层标高情况，在施工三轴水泥搅拌桩前，先用G-150型钻机对每副搅拌桩所在部位用进行探孔，以确定基岩面标高位置，在后面施工过程中搅拌桩停打于基岩面以上500mm。探孔间距为1.2m。

4.2.3 三轴搅拌桩机就位、安装调试

1）在开挖的工作沟槽两侧设计定位辅助线，按设计要求在定位辅助线上划出钻孔位置。挖沟槽前划定三轴机动力头中心线到机前定位线的距离，并在线上做好每一幅三轴机施工的定位标记（可用短钢筋打入土中定位）。

2）开钻前应用水平尺将平台调平，并调直机架，确保机架垂直度不小于设计要求。桩机垂直度偏差不大于1/200，桩位偏差不大于20mm。

3）由当班班长统一指挥桩机就位，移动前看清上、下、左、右各方面的情况，发现有障碍物应及时清除，移动结束后检查定位情况并及时纠正，桩机应平稳、平正。

4.2.4 浆液制备以及输送

根据设计、规范以及工程地质情况经过现场试验确定水灰比、水泥掺入量以及浆液配比比例，将水泥浆拌和均匀。自动制浆系统将配制好的水泥浆液输送至储浆罐为三轴搅拌设备连续供浆。

4.2.5 喷浆、搅拌成桩

1） 采用单排搅拌桩，施工要求一桩一表及时记录搅拌桩停打标高。桩体施工采用一喷二搅工艺。

2） 根据钻头下沉和提升二种不同的速度，注入土体搅拌均匀的水泥浆液，确保水泥土搅拌桩在初凝前达到充分搅拌，水泥与被加固土体充分拌和，以确保搅拌桩的加固质量。

3） 在施工中根据地层条件，严格控制搅拌钻机下沉速度和提升速度，确保搅拌时间，根据设计图纸的搅拌桩深度，钻机在钻孔下沉和提升过程中，钻头下沉速度为0.5～1.0m/min，提升速度为1.0～1.5m/min，每根桩均应匀速下钻、匀速提升。

4） 经常进行现场实测压浆泵的流量、泥浆比重、浆液配合比等，使理论数据与实测数据相吻合，确保桩体的成桩质量。

5） 三轴水泥土搅拌桩在下沉和提升过程中均应注入水泥浆液。

6） 施工采用标准连续方式或单侧挤压连续方式，当相邻桩施工时间超过10小时须作处理。

7） 三轴水泥土搅拌桩施工顺序见下图，其中套打部分为重复套钻，保证墙体的连续性和接头的施工质量。

4.2.6 高压旋喷桩施工

在三轴水泥土搅拌桩施工后2天，首先必须清除现场施工所遗弃的垃圾，接着开始高压旋喷桩预成孔，预成孔结束后立即进行高压旋喷桩施工。

1） 预成孔至基岩面下0.5m，在确保进入基岩设计深度后方可终孔。

2） 采用GD—2型旋喷桩机进行③层中下部及③层与④层交接面的止水帷幕施工。桩体加固深度为进入中风化基岩面以下500mm范圍内，桩顶标高以搅拌桩停打位置深度以上1m的标高为准。三重管高压旋喷桩直径1500mm，有效直径900mm，搭接300mm。沿三轴搅拌桩轴线布置一排高压旋喷桩，桩间距600mm。高压旋喷桩的外加剂主要选用水玻璃，掺量为水泥掺量的10%，主要目的是防止浆液大量窜流，让注浆填充空、孔隙，并快速凝固。

3） 在③、④层分界面处应减小喷射压力、降低提升速度，确保喷浆量。

4） 因考虑有大通道渗透途径存在的可能性，应利用二次喷浆并调整外加剂水玻璃掺量，第一次喷浆量控制在30%，第二次70%，前后需间隔30分钟。

5） 为避免串浆，旋喷桩必须跳跃法施工，相邻距离不得小于1.2m。

4.2.7 喷射混凝土护坡施工

一、二级放坡及坡间平台施工后，先对边坡及平台进行修整，然后立即喷射一层50mm厚的细石混凝土，边坡沿纵向挖出20m后，在已喷上一层细石混凝土的面层上挂φ6.5@200mm×200mm钢筋网片，用U型短钢筋固定，再在整个边坡上喷射50mm厚C20细石混凝土。喷射混凝土终凝后2h，连续喷水养护3—7天。

在一、二级放坡坡脚设置一道2-3m宽的平台，并在平台的内侧坡脚处设置一道排水沟，在排水沟上每隔30m处设置一集水井，以便及时截断坡面渗水及大气降水，通过集水井排放积水。

在一、二级放坡坡面按设计要求埋设滤水管，采用φ75PVC滤水管，滤水管长600mm（埋入土坡内300mm长）。

4.2.8 降水与排水施工

基坑采用分级放坡开挖，基坑内采用设置集水坑加排水明沟方式排水。

为检验止水帷幕的隔水效果，在基坑外侧布设20口地下水位监测井，基坑外监测井宜兼做降水井。采用φ600mm的无砂管井，平均孔深13.5m，终孔于④层基岩面或珊瑚礁岩面。

在一、二级放坡边坡坡脚下设置排水沟与集水井，主要用于排放边坡渗漏水、大气降水等。

5 078工程1#工位施工经验和教训

我们对078工程1#工位基坑止水帷幕工程进行了认真的总结和分析，从止水帷幕设计方案、施工过程质量控制、应急事件的处理等方面进行了系统分析，1#工位从施工实际情况来看，止水帷幕设计基本成功，但渗漏点较多，490米止水帷幕周长，大的有6处，小的有14处。产生渗漏的主要原因在于：

⑴ 地层分布中含有带状珊瑚礁层，且无规律，同时地层还含有较大的孤石、珊瑚礁岩等；带状珊瑚礁层因其孔（空）隙度大，搅拌桩、高压旋喷桩在施工过程中因基体不足而成桩质量不佳，产生渗漏点，6处大的渗漏点都分布在珊瑚礁带部位。较大的孤石、珊瑚礁岩的存在，使搅拌桩、高压旋喷桩成桩质量难以控制，导致产生小渗漏点。

⑵ 设计经验不足，对于基岩面附近基岩与上覆土层之间产生小渗漏点认识不足，从增强二级放坡边坡稳定性和封堵小渗漏点的认识出发，应设底腰梁；对强风化层和珊瑚礁层透水性认识不足，三轴搅拌桩成桩效果尚可，但高压旋喷桩成桩质量不稳定，基岩面以上、三轴搅拌桩以下部位渗漏严重，说明原设计基坑止水帷幕时只设计一排高压旋喷桩，明显不能满足止水要求；基坑内降水方式不能满足施工要求，根据现场实际降排水方式，基坑内采用积水坑明排水更能适应施工挖土的要求。

⑶ 渗漏点处理不及时，特别是对6处较大的渗漏点。

因此，从1#工位基坑止水帷幕设计与施工中应吸取的教训有：（1）高压旋喷桩应设计二排；（2）基岩面上、二级放坡坡脚处应设一道底腰梁；（3）基坑内降排水方式应采用积水坑明排水；（4）对产生较大的渗漏点应从技术、设备、人员和施工组织设计等方面做好准备和安排，及时处理，有效封堵。

我们在2#工位基坑止水帷幕设计与施工时，对设计方案进行了完善，并对在1#工位施工过程中存在的一些施工质量问题进行了改进，2#工位整体止水效果明显好于1#工位。

6 结束语

该工艺采用三轴水泥搅拌桩有效对岩石层以上（填土层、细砂层、含砂珊瑚碎屑）的强透水层进行止水；采用高压旋喷桩对岩石层以及岩石层与含砂珊瑚碎屑层的交接面进行全封闭隔水；适用于地质情况复杂、含水率较高且地基承载力标准值大于120kPa的基坑止水帷幕施工。

该工艺施工时无震动、无噪声、无污染，可在市区和密集建筑群中使用，三轴水泥搅拌桩和高压旋喷桩的组合止水帷幕施工工艺节约了成本，提高施工速度，改善止水效果的作用，减小劳动强度，缩短施工周期，提高经济效益，提高了工程质量。

参考文献

[1] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）

[2] 《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》（DL/T 5200―2004）