悬挂式阻水帷幕地下水控制方法探讨——以北京地铁8号线永定门外站为例

张志林，马 涛，王秀丽，刘思源

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

悬挂式阻水帷幕地下水控制方法探讨
——以北京地铁8号线永定门外站为例

张志林，马 涛，王秀丽，刘思源

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

摘 要：以北京地铁8号线永定门外站为例，提出悬挂式帷幕阻水条件下基坑排水量计算方法以及悬挂式帷幕阻水中存在的问题。介绍了3种结合悬挂式帷幕采取的封底阻水措施，即水下灌注混凝土封底，深孔注浆封底以及超高压旋喷桩封底，并分别探讨了其优缺点。提出了悬挂式帷幕阻水结合基坑底部封底阻水的最佳建议方案，以达到有效节约地下水资源、降低工程施工难度和工程造价之目的。

关键词：悬挂式帷幕；封底阻水；地下连续墙；地下水控制

0　引言

随着地下工程越来越深，水文地质条件更为复杂，加之城市对地下水资源管理越来越严格，因此，对地下工程施工过程中的地下水控制要求越来越高。一方面要保证地下工程顺利实施，另一方面要求尽量减少抽排地下水，以避免造成地下水资源浪费以及市政管道排水压力，另外还要求降低工程造价。面对这些问题，在北京市2014年10月颁发的《城市建设工程地下水控制技术规范》（DB11/1115-2014）中提出了“落底式帷幕”和“悬挂式帷幕”阻水措施，“落底式帷幕”阻水已有较为成熟的理论和施工措施，对于“悬挂式帷幕”阻水，还有很多值得探讨的问题。本文以北京地铁8号线永定门外站为例，就悬挂式帷幕阻水条件下的基坑排水量计算，结合悬挂式帷幕的3种基坑底部封底阻水方法以及其不同的优缺点进行了探讨，并提出建议方案。

1　永定门外站基本情况

1.1 车站基本情况

永定门外站为北京地铁8号线三期与14号线的换乘站，位于永定门外大街与京沪铁路的立交路口南部，永定

门外大街沙子口路口北部。车站为地下四层三跨框架结构。车站总长139.2m，标准段宽度为24.7m，轨面埋深约29.7m，基坑最大深度约35m。车站主体结构采用明挖法施工。

1.2 场区地层及地下水情况

人工堆积层：

杂填土①层：杂色，松-稍密，稍湿，含砖块、灰渣、水泥块、碎石等，局部夹粉土薄层，路上钻孔约有20cm沥青路面；

粉土填土①2层：褐黄色，松-稍密，稍湿-湿，含云母、氧化铁、砖块、灰渣和植物根等；

人工填土层连续分布，厚度为1.1～6.2m，层底标高为40.10～33.65m。

一般第四纪冲洪积层：

粉土③2层：褐黄色，中密-密实，稍湿-湿，压缩模量平均值=8.5MPa，=10.0MPa，含云母和氧化铁等，局部夹粉质粘土薄层；

粉细砂③3层：褐黄色，中密-密实，湿-饱和，标贯击数平均值为25，局部夹粉质粘土、粉土薄层。

粉土④2层：褐黄色，中密-密实，稍湿-湿，压缩模量平均值=12.7MPa，=13.8MPa，含云母和氧化铁等，局部夹粉质粘土薄层；

粉细砂④3层：褐黄色，中密-密实，湿，标贯击数平均值为43，局部夹粘性土、粉土薄层；

卵石⑤层：杂色，密实，湿-饱和，重型动力触探数平均值为85，局部夹粘性土，中粗砂填充约35%；

粉细砂⑤3层：褐黄色，密实，湿-饱和，标贯击数平均值为46，局部夹粘性土、粉土薄层；

卵石⑦层：杂色，密实，饱和，重型动力触探数平均值为115，中粗砂充填约30%～35%；

粉细砂⑦3层：褐黄色，密实，饱和，局部为中粗砂，夹粘性土、粉土薄层；

卵石⑨层：杂色，密实，饱和，重型动力触探数平均值为136，中粗砂充填约30%～35%；

粉细砂⑨3层：褐黄色，密实，饱和，局部夹粘性土、粉土薄层。

上层滞水（一）：该层地下水本次勘察施工钻孔未能测得，根据场区地层情况及往年勘察资料，该层地下水局部地段可能存在。主要含水层为粉土③2层及局部填土层，其分布不连续，透水性较差，主要接受大气降水、绿化灌溉等垂直补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。

潜水（二）：含水层岩性主要为粉细砂③3、粉土④2层，该层地下水分布不连续，在本次勘察范围内未能测得，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄。

表1　基坑涌水量计算结果

层间潜水（三）：含水层岩性为卵石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，水位埋深为23.2～23.7m，观测时间为2013年09月。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。

永定门外站纵剖面与场区地层情况见图1。

图1　 永定门外站纵剖面与场区地层情况

2　常规基坑降水支护方法及存在的问题

2.1 常规基坑降水支护设计

根据永定门外站的地面环境及地质条件，基坑可以按常规的方法进行降水和基坑支护，即在基坑外侧布置降水井，要求将地下水降至结构底板以下0.5m。设计时对卵石⑦层采取潜水完整井模型计算，对卵石⑨层采用承压-潜水非完整井模型计算，计算结果见表1。

车站主体围护结构扩大段采用φ1000@1200钻孔灌注桩，标准段采用φ1000@1500钻孔灌注桩，嵌固深度10～11m，竖向共设置六道钢支撑+两道换撑。

2.2 存在的问题

以上常规降水支护方案存在以下问题：

①排水量太大，造成地下水资源严重浪费，对于北京这种严重缺水城市是不允许这样浪费地下水资源，专项方案审查不能通过；

②周边排水管线能力不能满足如此大的排水量，若专为本基坑排水埋设地下管线，其费用很高且工期很长；

③降水耗电费用很高，对照过去类似条件下的降排水费用，预计降水费用要超过6000万元；

④根据场区水文地质条件分析，卵石⑨层渗透性非常好，且为承压含水层，若基坑降水期间出现停电，地下水位上升速度很快，很容易造成工程事故。

3 悬挂式帷幕阻水方案及存在问题

3.1 悬挂式帷幕阻水方案

将基坑支护方案改为地下连续墙，由于卵石⑨层的底板很深，在本次勘察中没有揭穿，引用附近的地质资料，可将该含水层底板标高定在-22.8m，在这种条件下，地下连续墙的深度要达到卵石⑨层的底板形成完整阻水结构，其深度需大于60m，这样不仅工程造价太高，施工难度大，而且连续墙的搭接精度也难以保证，在这种条件下提出采用悬挂式帷幕阻水方案。

悬挂式帷幕阻水是和基坑围护结构为一体，利用地下连续墙来实现，只是连续墙的深度未到含水层底板。

标准段：顶板覆土3.9m，连续墙厚度0.8m，地连墙深约36.014m；地连墙嵌固深度7m，插入比约为0.19；支撑第一道采用混凝土支撑，其余五道为钢支撑，加两道换撑；第一道撑水平间隔约9m；第二～六道撑水平间隔约3m。

扩大段：顶板覆土3.9m；地连墙厚度0.8m；地连墙深约37.553m；地连墙嵌固深度8m，插入比约为0.21 ；支撑第一道采用混凝土撑，其余五道为钢支撑，加两道换撑；第一道撑水平间隔约6m；第二～六道撑水平间隔约3m。

3.2 阻力系数改进法计算排水量

当采用上述悬挂式帷幕阻水方案，在外部不采用任何减压措施条件下，我们借鉴船闸工程广泛采用的处理板桩渗流问题的阻力系数改进法，通过渗流计算来确定保证基坑顺利开挖的坑内排水量。

阻力系数法公式如下：

式中：hi——各段水头损失；

H——总水头损失；

k——含水层渗透系数；

ξi—— 第i段阻力系数。

绕过止水帷幕底端渗入基坑的单宽流量为：

式中：k——含水层渗透系数（dm/）

H——总水头损失（m）

Li、iq分别为第i段止水帷幕的长度和绕过止水帷幕底端渗入基坑的单宽流量。

经过计算，基坑总涌水量为12.47万m3。

3.3 数值法计算排水量

利用Visual MODFLOW 2011.1版本，模型如图2。

图2　 悬挂式帷幕数值模型三维图

经过模型计算，基坑涌水量约13.4万m3。

3.4 悬挂式帷幕阻水方案中存在的问题

通过计算分析，利用地下连续墙形成的悬挂式帷幕阻水，必须结合坑内降水井控制连续墙底部绕流，将地下水控制在基坑底以下0.5m，在永定门外站这种地质条件下的排水量仍然很大，并没有达到减少地下水资源浪费之目的，排水管道仍不能满足排水量要求，且降水井的数量很多，对结构施工影响很大。

为此，我们应进一步考虑如何既能减少地下水排放量，又能保证基坑安全施工，工程造价又合理的方案，即在基坑底以下考虑封底阻水措施。

4　基坑底以下封底阻水思路

4.1 水下灌注混凝土封底阻水

可考虑在设计基础底标高以下挖出一定厚度的土方量，然后采用水下灌注混凝土至基坑底标高，与连续墙形成一个整体，以达到完全堵水之目的（如图3）。

图3　 地下连续墙与水下灌注混凝土封底阻水示意图

采用这种方式进行基坑封底阻水，要注意以下几个问题：

①混凝土厚度需经过验算，要求满足基坑抗突涌要求；

②由于水下灌注面积太大，不易形成一个混凝土整体，因此需分块开挖，分块灌注，当开挖深度较大时，还需进行分块地下连续墙支护；

③每一块混凝土灌注区，必须确保开挖底面的平整性以及灌注混凝土厚度的均匀性；

④周边连续墙设计深度应按基坑开挖深度加混凝土灌注厚度考虑；

⑤按水下灌注混凝的技术要求，一次性灌注所需方量较大，因此需保证混凝土来源充足。

4.2 在基坑内深孔注浆封底阻水

在基坑底以下一定深度范围内采用深孔注浆，利用浆液充填地层颗粒间的空隙，与地层颗粒形成胶结体，改变原地层的渗透性，使原地层渗透系数减小3～4个数量级，这样就将基坑内的卵石⑨层被人为分为两层，注浆体以下的含水层虽然具有很高的承压性，但只能以越流的形式补给基础底以下含水层，这样大大减少了基坑排水量（见图4）。

图4　 地下连续墙与深孔注浆/高压旋喷桩封底阻水示意图

采用这种方式进行基坑封底阻水，要注意以下几个问题：

①注浆体厚度加上基坑底至注浆体顶部的土层厚度，要满足基坑抗突涌验算要求；

②注浆施工可在基坑开挖至地下水位附近时开始，以减少注浆孔空钻量、提高钻孔成孔精度以及提高工效；

③注浆体形成应在地下连续墙深度以上，基坑底以下5m左右，留出的含水层作为基坑底以下地下水控制的“缓冲带”，使坑内降水井保持有效的过滤器长度，用以调节抽水量。

④可采用WSS注浆工法，浆液按卵石层止水配制，控制浆液扩散范围，通过试验确定浆液配比；

⑤要注意注浆孔的布置间距，太近造成浪费，太远会造成注浆体搭接不好，影响封底阻水效果。

4.3 超高压旋喷封底阻水

在基坑底以下一定深度范围内采取高压旋喷（压力应超过常规的20MPa），利用旋喷桩体之间的咬合来达到封底阻水目的。这种方法在上海星港国际中心项目已成功利用，在该项目中利用高压旋喷桩在粉细砂地层封底阻水，控制住30m高的承压水头，封底阻水面积约2000m2，根据据现场资料，旋喷体强度达7Ma以上，渗透系数达到10-7cm/s。该方法与深孔注浆阻水方法相同，也是将含水层通过旋喷桩体分为两层，旋喷桩体以下的含水层虽然具有很高的承压性，也只能以越流的形式补给基础底以下含水层，这样大大减少了基坑排水量（见图4）。

选用这种方法进行基坑封底阻水时，应注意以下几个问题：

①旋喷桩体厚度加上基坑底至旋喷桩体顶部的土层厚度，要满足基坑抗突涌验算要求；

②旋喷桩施工可在基坑开挖至地下水位附近时开始，以减少引孔空钻量、提高引孔成孔精度以及提高工效；

③旋喷桩体形成应在地下连续墙深度以上，基坑底以下5m左右，留出的含水层作为基坑底以下地下水控制的“缓冲带”；

④可采用超高压的RJP工法，压力达到40MPa，这样可以增加旋喷桩体直径和咬合精度，减少旋喷桩数量，降低工程造价；

⑤旋喷的浆液制作也可按卵石层止水的目的进行配制，除水泥浆以外，还可加入有利于止水的其它浆液。

4.4 三种封底阻水方法优缺点比较

通过以上介绍，3种封底阻水方法都能达到目的，但从工程造价，施工的难易程度，施工质量控制以及工期进度等各方面来比较，都存在不同程度的问题。

⑴水下混凝土灌注封底阻水存在的问题

①由于要在基底以下挖出一定厚度的土层，减少了基坑的被动土压力，连续墙的厚度和嵌固深度可能要增加；

②由于基坑面积较大，需要分块灌注，需要在基坑内建分块连续墙；

③由于基坑加深，建筑物基础埋深加大，可能会引发抗浮问题，为此需施工抗浮桩或加重混凝土；

④基坑加深后，减少了承压水头以上的土层厚度，可能会引发基坑底突涌，破坏地基土的承载力，为此可能需在基坑外围设置减压井；

⑤混凝土灌注时需控制底部和顶部平整，在水下操作难度较大。

⑥若出现连续墙搭接（周边和坑内）不好，或是混凝土灌注时缺陷造成基坑底渗水，只能采取靶向注浆方式解决。

以上是采用水下灌注凝混土封底阻水时将要面对的问题，需权衡采用以上措施时所增加的费用，总体来说操作是可行的，封底阻水效果应该很好，但施工难度较大，工期也较长，附加的费用也较高，为了防止突涌，减压排水量也很大，预计每天约几万方排水量。

⑵基坑底以下深孔注浆封底阻水存在的问题

①深孔注浆扩散范围不易控制，尤其是在大厚卵石地层；

②注浆结石体的渗透性不易控制，尤其是在一个较大面积的基坑内，极易造成非均质各向异性，且差异较大；

③深孔注浆封底阻水的效果可以通过在基坑内部进行富水性试验来检验，但出水点不易检查，若有太多的出水点，处理起来很麻烦；

④砂卵石地层注浆量估算难度较大，注浆成本估算出入较大。

总体来说，深孔注浆封底阻水从施工方面比水下灌注混凝土要简单，所引发的其他问题也不多，其主要问题是注浆阻水质量控制难度较大，若有少量渗漏，可以通过基坑底和注浆体之间的几米“缓冲带”解决，若有大量漏点存在，在“缓冲带”抽出的水达到每天几万方，则我们上述的整体目标就没实现。

⑶基坑底以下超高压旋喷封底阻水存在的问题

①在粒径较大的卵石地层，确保旋喷桩体直径比较困难，根据以往试验资料，在大直径卵石地层，旋喷桩体的强度和渗透性比较理想，但由于设备控制参数的原因使旋喷桩体直径保证率达不到100%；

②超高压（RJP工法）旋喷桩施工速度较慢，若不能保证有足够的设备，将严重影响工程整体进度；

③砂卵石地层高压旋喷注浆量估算难度较大，成本估算出入较大；

④高压悬喷桩封底阻水效果可通过基坑内进行富水性试验来检验，但若出现大量旋喷桩咬和不好情况，还必须采用其它方法处理。

总体来说，和深孔注浆封底阻水一样，从施工方面比水下灌注混凝土要简单，所引发的其他问题也不多，但若保证不了成桩直径，就无法保证桩之间的咬合，也就无法保证封底阻水效果。若出现少量的咬合不好问题，还可以通过“缓冲带”来抽水解决，但若出现大量渗水，必须通过靶向注浆来解决，因为旋喷桩布桩和成桩有一定的规律性，即使出现咬合不好，但结石体的排列也有一定的规律，可通过高密度电法形成三维影像图，可以找出咬合不好的部位，再通过注浆予以弥补。

5　结论与建议

5.1 结论

①以北京地铁8号线永定门外站为例，类似条件下若仅以悬挂式帷幕阻水，其基坑排水量也是很大的，为了节约宝贵的地下水资源，采用悬挂式帷幕配合基坑底封底阻水措施是必要的。

②水下灌注混凝土、深孔注浆、超高压旋喷3种方法，从理论来说均能达到基坑底封堵地下水的效果，只是各有其优缺点。

③从封底阻水施工质量控制上来看，水下灌注混凝土保证率要高一点，但所带来附加问题很多，将严重影响工程进度和工程造价，并且坑外减压排水量可能也很大。

④深孔注浆和高压旋喷封底阻水，施工难度和施工进度方面相对较好，附带的问题也少，但在大粒径卵石地层中施工质量控制较为困难，通过富水性试验可以判断封底阻水效果。

⑤当封底阻水效果不好时，水下灌注混凝土和超高压旋喷封底阻水方法可以通过靶向注浆来弥补，注浆封底阻水由于其浆扩散受地层影响很大，漏水点分布无规律可循，因此只能采用“缓冲带”抽水来解决。“缓冲带”抽水也适用于高压旋喷桩封底漏水问题。

⑥无论是哪种方法封底阻水，若为了保证基坑开挖和基础施工所采取的排水措施，其排水量仍保持在每天万方以上，则认为本基坑阻水不成功。

5.2 建议

通过以上3种封底阻水方法的优缺点比较，笔者认为超高压旋喷桩封底阻水为最佳选择，理由如下：

①施工难度小，进度可根据设备数量来调整；

②施工质量可以通过高密度电法进行检测，而其它2种方法无法检测，检测出漏水点后可以采取弥补措施，而利用“缓冲带”抽水也可以弥补封底效果“稍差”的情况，即无论如何都能处理，无须坑外任何辅助降水措施；

③可在旋喷桩直径上充分留有余地，在控制工程成本的基础上，可采取大径设计小径施工，以提高成桩直径的保证率；

④正式施工前可在卵石含水层中进行试验，采用高密度电法检测和取芯对照分析，既确定了旋喷桩的直径保证率（在咬合部位取芯）、桩体强度、渗透系数，又确定了高密度电法检测的有效性。

6　结语

截止本文发稿时，北京地铁8号线永定门外站仍没有确定选择什么方案施工，但已确定选用地下连续墙作为支护和悬挂式帷幕阻水，笔者认为在北京地区这样的地质条件下选择悬挂式帷幕阻水是大胆的创举，也是首创，一些个人观点提出探讨，供大家参考。

参考文献

［1］ 建设部.建筑地基基础设计规范（GB 50007-2011）.

［2］ 城市建设工程地下水控制技术规范（DB11/1115-2014）.

［3］ 闰瑞明等.有悬挂式止水帷幕基坑降水中的几个问题的探讨.GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD ，VOL7，Supplemet.

中图分类号：TV543

文献标识码：A

文章编号：1007-1903（2015）02-0061-06

Discussion on the Method about Groundwater Control with the Deaden Water Purdah above aquifer baseboard—Taking the Beijing Metro Line 8 YongDingMenWai Station as an example

ZHANG Zhilin，MA Tao，WANG Xiuli，LIU Siyuan

（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering，Beijing 100048）

Abstract:Taking the Beijing Metro Line 8 Yongding outside as an example， the calculation method of the foundation pit drainage quantity under the suspension type water stop curtain and the problems in the suspended water curtain stop water are put forward. Discuss the advantages and disadvantages of three kinds of pit bottom measures， namely， underwater concrete grouting and sealing， deep hole grouting and deep ultra high pressure rotary spraying how to improve the permeability of bottom layer of foundation pit in order to achieve the purpose of ‘back cover”. Putting forward the best suggestion of the suspension type curtain stop water combined with foundation pit bottom treatment， in order to achieve the purpose of saving groundwater resources， reducing the diffi culty of construction and engineering construction cost.

Keywords:deaden water purdah above aquifer baseboard；back cover deaden water；underground diaphragm wall；groundwater control