高水头条件下超深竖井渗透特性及防渗技术研究

薛惠江，周王鹏，蒲仕洋，陈保国

（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

地连墙作为一种深基坑围护结构，具有较好的支挡效果[1-2]。竖井常用圆形地连墙作为主要围护结构，圆形地连墙由于拱效应的存在比矩形地连墙具有更好的挡土、挡水效果，但地连墙成槽施工时，圆形地连墙两槽段间将形成折角，使接缝处质量难以把控[3-4]。因此，如何提高富水地区圆形地连墙的施工质量及竖井的防渗能力值得进一步研究。

某竖井隧洞受黄河影响明显，地下水系丰富，竖井地连墙施工存在塌孔、接缝漏水等问题，为了防止地连墙渗漏，谢向荣等[5]分析了在基坑外15m 设置防渗灰浆墙，用于隔绝砂层中的水力联系，并对盾构出洞段采用冷冻法进行防渗。孙秋龙等[6]针对30m 深圆形地连墙施工提出采用纯抓法成槽，对两槽段间的折角进行修槽处理，提高槽段接缝质量。针对盲竖井在掘砌过程中出现不同程度的涌水，李文光等[7]提出采用注浆进行堵水，为保证注浆效果，增设了注浆钻孔数量，采取低压力中流量注入。针对穿越卵石夹漂石层的某竖井地连墙施工技术难题，代保平[8]提出在地连墙槽壁两侧注浆，使卵石夹漂石层固结，随后再进行地连墙成槽施工。针对填海区含巨厚人工填土层及软土层，地下水系丰富，地连墙接缝处易发生渗漏的问题，韩龙伟等[9]使用高压旋喷桩进行接缝处止水加固，取得了较好的效果。

根据目前研究现状可知，由于竖井深度一般较大，需考虑高水头地下水的作用并进行防渗处理，目前对于80m 超深竖井的防渗研究较少。本文依托深圳市内水资源配置工程中的超深竖井公明检修井工程，研究富水地区高水头作用下，复杂地层中竖井的渗漏特点，提出超深竖井的防渗处理系统。

1 工程概况

1.1 工程简介

罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内的配套项目，公明检修排水井位于深圳市区，是该输水隧洞工程中重要的节点工程。该检修井边有紧邻建筑及管线，竖井外径34.9m，开挖深度77m，支护采用“地下连续墙+钢筋混凝土内衬墙”的形式，地连墙深度80m。

公明检修排水井周边环境复杂。该竖井处于茅洲河南岸，属冲积平原地貌；竖井位于南光大道与公明北环大道夹角间空地；以北约45m 为合水口排洪渠，以南约78m 为上下村调蓄池，以西约190m 为茅洲河，北西侧紧邻闸室泵站管理房约13m，地下水丰富，开挖过程中水头压力大。图1 为公明检修排水井周边环境。

图1 公明检修排水井周边环境

1.2 工程地质条件

公明检修排水井处茅洲河南岸，属冲积平原地貌，地势平缓，地面高程4.5～7.3m。地表人工填土厚4～6m，其下为第四系冲洪积（Qal+pl）细砂（厚2m）、淤泥质黏性土（厚2.94m）、中粗砂（厚3.09m）及砂砾层（厚3.08m），下伏基岩为侏罗系塘厦组（J1-2t）泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及砂岩等；表层泥岩（泥质粉砂岩）全、强风化厚1.2～5.5m，局部厚度达13.8m，风化不均；弱风化层厚1.4～11.0m。井位区岩层产状（38°～52°）∠（10°～20°），井区发育1条断层，主要分布于岩屑砂岩、粉砂质泥岩中，铅直厚度5～8m，倾向北东与南东，以中倾角为主，断层物质主要为角砾岩、碎裂岩。

工程区第四系黏性土具微～弱透水性，细砂土具中等～弱透水性，中粗砂具有中等～强透水性，砂砾层具强透水性，泥岩（粉砂质泥岩）一般具微透水性，砂岩具弱透水性。地下水位埋深约为6.5m，砂层中的地下水具承压性，承压水头1～2m，可能与地表水存在联系。

2 圆形地连墙渗透特点分析

2.1 圆形地连墙成槽质量分析

圆形地连墙的成槽质量直接关系到竖井的防渗能力，分析圆形地连墙渗透特点首先需对成槽质量进行分析。

公明检修排水井的圆形地连墙成槽施工共分为两个槽序进行跳槽施工，两个槽段间搭接。由于地连墙为圆形，因此在槽段接头部位将出现转角，转角的出现增加了地连墙接头的施工难度，同时圆形地连墙深度达80m，进一步增大了施工误差，导致超深圆形地连墙接头部位薄弱，施工缝隙大，且缝隙分布不均，易出现渗漏和破坏。圆形地连墙穿越第四系冲洪积（Qal+pl）层及泥、砂质沉积岩层，以上地层含泥、砂量大，在地连墙成槽时将导致循环泥浆含砂率过高，易使地连墙在墙体和接头部位出现夹渣、夹泥等现象，降低施工质量。

2.2 含水层分析

公明检修排水井周边存在河流、蓄水池、湖泊，地下水位高（埋深6.5m，开挖深度77m），且地下水与地表水存在水力联系。丰富的地表水资源是地下水的主要补给源。

工程区第四系中粗砂、砂砾层厚度大，具中等～强透水性，是渗流的主要通道，严重影响地连墙成槽时槽壁稳定。泥质粉砂岩与岩屑砂岩裂隙较发育，局部破碎，为导水通道，且后续卸荷开挖将导致裂隙进一步扩大，增加渗流量。中粗砂渗透系数平均为3.19×10-3，砂砾层渗透系数平均为2.27×10-2。

压水试验结果表明，公明检修井穿越的岩层为弱透水层，透水率普遍介于1Lu～2Lu 之间，而裂隙发育处平均为5.9Lu，最大可达8.5Lu。

通过以上分析可知，工程区地下水补给丰富，第四系砂性土与基岩中裂隙为主要的导水通道，在公明检修排水井的圆形地连墙成槽时需对覆盖层深度段进行槽壁加固、止水，对全段地连墙应进行防渗处理。

3 超深竖井防渗处理系统

通过圆形地连墙渗透特点分析可知，需对全段地连墙进行防渗处理。为此，本文针对不同防渗部位选用不同的防渗措施，综合考虑采用高压旋喷桩、泥浆循环系统、接缝和墙趾注浆防渗与内衬墙防渗联合防渗处理系统。

3.1 高压旋喷桩防渗

高压旋喷桩是一种有效的防渗处理手段，将喷嘴插入设计标高，旋喷提升喷嘴，喷嘴喷射水泥浆切割土体形成水泥加固体，从而达到改善土体的作用。施工区覆盖层为松散填土、软土和砂层，砂层厚度大且与地下水联系紧密，在圆形地连墙成槽及开挖时将存在涌水、涌砂等问题。为了提高圆形地连墙成槽质量，防止成槽及开挖过程中出现涌水、涌砂、槽壁坍塌等问题，公明检修排水井采用高压旋喷桩进行防渗及槽壁加固处理。

高压旋喷桩施工于地连墙成槽前，沿着地连墙平面位置两侧进行布置，桩与桩之间咬合形成连续的防渗墙。高压旋喷桩直径1.2m，桩间距0.89m，设计桩长为20～32m，在实际施工中高压旋喷桩底部高程根据地层变化确定，要求高压旋喷桩插入强风化不小于3m。高压旋喷桩根据喷射方法不同分为单管法、双管法和三管法，三管法喷射高压水泥浆、高压气、高压水，因此固结范围大、成桩桩径大，一般用做止水帷幕桩，本工程中高压旋喷桩采用三管法成桩。

注浆效果是影响高压旋喷桩成桩质量的主要因素。浆液采用42.5 级矿渣硅酸盐水泥与清水1:1 制备；旋喷管从下向上旋转注浆，如果出现停电故障，再次注浆时向下搭接0.5m 保证旋喷桩的连续性；在底部喷射时，加大喷射压力，重复旋喷或降低喷嘴的旋转提升速度；提升至砂砾层等较坚硬土层和中粗砂（承压水层）时可适当加大喷射压力，降低旋转提升速度，以增加固结范围，防止旋喷桩出现缩颈。当旋喷管提升接近桩顶时，从桩顶以下1.0m 开始，放慢提升速度，旋喷数秒后再向上慢速提升至桩顶面，当浆顶面高度达到要求后停止水泥浆及空气的输送，将旋喷浆管旋转提升出地面，关闭钻机。详细施工流程见图2。

图2 高压旋喷桩施工流程

3.2 泥浆循环系统防渗

公明检修排水井圆形地连墙深80m，穿越覆盖层包括细砂、淤泥质黏性土、中粗砂、砂砾层等，穿越下伏基岩，包括泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及砂岩等。泥、砂质岩土层将导致泥浆循环时含砂率高，循环泥浆性能差，最终导致地连墙成槽时接头及墙体部位夹渣、夹泥，产生渗漏，因此需对该问题设计出一套高效泥浆循环系统。

圆形地连墙成槽深度大，地层条件复杂，护壁泥浆需具有较好的泥浆稳定性。根据室内泥浆配比研究，圆形地连墙成槽护壁泥浆配比见表1。泥浆箱采用可装配结构，与传统混凝土泥浆池相比，可利用性高，运输方便。循环泥浆的除砂尤为关键，泥浆含砂率过高，将导致混凝土浇筑时，泥砂沉降在混凝土表面，本工程选用ZE250（250m3/h）泥浆除砂机，处理效率高，除砂效果好，除砂率在90%以上。圆形地连墙成槽时产生大量废浆，传统废浆处理方式常为密封罐车外运遗弃或囤积晒干运出[10]，其占用场地大，污染严重，资源利用率低。本工程中选用中俄1500 型压滤机对废弃泥浆进行处理，压滤机将废浆分为清水和泥饼，其中清水可用于工地混凝土养护、洒水降尘等，泥饼可用作回填土、有机土等再利用。泥浆循环流程见图3。

表1 新制泥浆配合比（1m3浆液）

图3 泥浆循环流程图

若在使用过程中发现由于泥砂过多导致除砂机效率低下，还可在除砂机之前先用较大孔径振筛网进行初筛，再使用除砂机二次除砂。当过滤泥浆含砂量仍过高时可与新制泥浆混合，降低含砂率。

3.3 地连墙接缝与墙趾防渗

公明检修排水井地下连续墙墙厚1200mm，采用套铣接头形式，共划分了Ⅰ序槽段及Ⅱ序槽段各12 个，Ⅰ序槽段采用三铣成槽，Ⅱ序槽段采用一铣成槽。Ⅰ序槽段中间存在两个173.17°转角，Ⅰ序槽段与Ⅱ序槽段转角为171.83°。转角的存在使地连墙接头施工难度增大，质量难以控制。施工时，在Ⅱ序槽段成槽结束后需刷壁3～5 次，清除Ⅰ序墙接头面上的泥皮和淤积物，防止接头夹泥、夹渣。

接缝注浆与墙底双排帷幕注浆用于基岩防渗，防渗要求为透水率q≤3Lu。预埋接缝灌浆管布置在Ⅱ期槽段钢筋笼两侧端头，采用φ76mm 钢管，帷幕预埋灌浆管采用φ108mm 钢管，布置在钢筋笼两侧。预埋管布置详见图4。

图4 槽段预埋灌浆管布置图

接缝注浆在地连墙Ⅱ期槽段成槽完成后，待混凝土强度达设计强度时进行。墙底双排帷幕注浆分序进行，在竖井开挖完成后，底板施工前，进行外侧帷幕注浆，在竖井底板施工完成后，再进行内侧帷幕注浆。墙底灌浆压力为1.5MPa。

3.4 钢筋混凝土内衬墙防渗

公明检修井钢筋混凝土内衬墙采用逆作法施工，防渗部位包括上层内衬墙与下层内衬墙接缝，以及内衬墙与地连墙连接部位。内衬墙上、下层接缝采用接缝注浆防渗，接缝灌浆管采用全断面可重复式注浆管，预埋在上层内衬墙底部；内衬墙与地连墙连接部位采用回填灌浆，回填灌浆管采用DN40钢管。

在内衬墙及底板施工完成后方可进行内衬墙接缝灌浆。灌浆采用纯压式灌浆法，灌浆压力为0.2～0.3MPa。灌浆采用水泥的强度等级为42.5 或以上，水泥细度宜为通过80um 方孔筛的筛余量不大于5%。采用普通水泥浆液，接缝灌浆水灰比为0.5，浆液中宜加入减水剂。在设计规定的压力下灌浆孔停止吸浆，接缝灌浆延续灌注5min，即可结束灌浆。

回填灌浆管兼作浇筑下层内衬墙混凝土排气管，需防止混凝土浇筑时堵塞管口，回填灌浆管间距3m，分一序管和二序管，一序管和二序管间隔布置，一序管间距6m，夹角120°；二序管间距6m，夹角130°。回填灌浆待内衬墙及底板施工完成后方可进行，灌浆采用纯压式灌浆法，灌浆压力为0.3 ～0.5MPa。回填灌浆采用水泥强度等级为42.5 或以上，浆液的水灰比采用1.0 和0.5 两级，一序孔可直接灌注0.5 级浆液，二序孔可灌注1.0 和0.5 两级浆液。空隙大的部位应灌注水泥基混合浆液或回填高流态混凝土。

4 结束语

公明检修排水井处于富水环境，工程采用“圆形地连墙+钢筋混凝土内衬墙”的支护形式，地连墙深度大，基坑开挖深度达77m，水头压力大，开挖深度内强透水性砂层厚度大、基岩裂隙发育，开挖施工过程中存在涌水、涌砂及井壁坍塌等问题。工程及地质条件表明，公明检修井在施工开挖过程中必须采取可靠的防渗措施来保证工程的施工安全。

文中详细分析了超深地连墙槽段渗透特性，认为圆形地连墙两槽段间接缝是渗漏的主要部位，同时第四系砂性土与基岩中裂隙为主要的导水通道。根据地连墙渗透特性提出了一套“高压旋喷桩帷幕墙、泥浆循环系统、地连墙接缝注浆及墙趾帷幕墙防渗、内衬接缝注浆及地连墙-内衬墙接触面注浆防渗”联合处理系统，保证了公明检修排水竖井的安全施工，同时也可为类似工程提供参考。