強風化粉砂質泥巖層坑中坑圍堰滲流分析及其施工技術

鞏利軍，常自昌，王 軍，張衛旗

（甘肅省長城建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著城市區建筑密集度越來越高，在建項目大多為高層及超高層建筑，其基礎深度越來越深，且在地下水位以下，而集水坑、電梯基坑等對作業環境和抗隆起能力要求更高。蘭州市位于濕陷性黃土區，地質分布特殊，在滲流作用下粉砂質泥巖層坑中坑的施工易出現塌方和隆起等現象。于懷昌等［1］通過三軸壓縮試驗研究了飽和粉砂質泥巖體積蠕變與應力水平的關系；張杭生［2］結合工程案例對軟土地區深基坑“坑中坑”采取壓力注漿法加固土體，解決了“坑中坑”成形過程中涌水和土體不穩定等問題。王保田和陳西安［3，4］模擬了懸掛式防滲墻的防滲效果。王曉燕等［5］研究了懸掛式防滲墻深度對大渡河某水電站圍堰工程防滲功效。通過查閱文獻鮮見對蘭州地區粉砂質泥巖層坑中坑施工技術的介紹，為避免坑中坑坑壁塌方和坑底隆起，本文結合蘭州市城關區某小區基坑施工案例，分析粉砂質泥巖層坑中坑圍堰滲流情況及其施工技術。

1 工程案例

1.1 工程概況

某工程位于蘭州市城關區，建筑抗震設防烈度為 8 度，設計地震基本加速度值為 0.20 g，設計地震分組為屬第三組，設計特征周期 0.45 s，結構安全等級為二級，建筑物場地類別為 Ⅱ 類。地基基礎設計等級為甲級，結構設計使用年限為 50 年。該工程主體為地下 2 層，地上 25 層框架剪力墻結構，地下 2 層為庫房、設備用房，地下 1 層為自行車車庫，地上部分為住宅。建筑高度 96.0 m，總建筑面積 14 356.64 m2。基礎為平板式筏形基礎，基礎持力層為卵石層，依據該項目地勘報告知，卵石層地基承載力特征值為 500 kPa［6］。

1.2 工程地質概況

根據《××××工程地勘報告》，該場地自上而下地層分布為填土層、粉土層、粉質黏土層、細砂層、卵石層、粉砂質泥巖層，其中粉砂質泥巖層桔紅色，厚層狀構造，泥狀膠結，碎屑結構，成巖較差，雨水和暴露易風化。其工程地質特征如表 1 所示。

1.3 基坑降水及地下水位概況

該施工區域地下水為孔隙潛水，主要賦存于卵石層中，接受大氣降水和地表徑流的側向補給，受補給源的影響，水位隨季節及人工降水的影響，年波動幅度在0.5～1.5 m，地下水埋深 8.4～9.10 m，對應的標高為1 508.28～1 508.59 m。在基坑開挖前沿基坑周邊每15 m 設管井降水點，地下水位標高穩定在 1 505.59 m 處，如圖 1 所示。

通過臨近基坑無圍堰坑中坑施工發現，坑壁易塌方，坑底涌起，如圖 2 所示；為了避免坑中坑壁塌方和坑底涌起，選基坑內某電梯集水坑進行有限元分析，以得出適宜的圍堰深度。

圖1 粉砂質泥巖分布圖

圖2 無圍堰坑中坑施工

2 不同深度圍堰有限元分析

2.1 有限元模型及參數

2.1.1 模型參數

基坑底強風化粉砂質泥巖材料屬性：密度 2.36 t/m3，彈性模量 360 kPa，泊松比：0.20，滲透系數 2×10-8m/s，孔隙比 0.38；素混凝土墻體材料屬性：密度 2.4 t/m3，彈性模量 2×107 kPa，泊松比：0.2。集水坑頂面水壓為30 kPa，集水坑底面水壓為 0 kPa。

2.1.2 計算模型

幾何尺寸：選強風化粉砂質泥巖厚度 9 m，寬度為 8.5 m，基坑深度為 1.5 m，基坑底寬 4.0 m，基坑深度1.5 m，基坑坡度 45 度。圍堰寬 0.5 m，深度 2.0 m，坑中坑圍堰平面圖如圖 3 所示。墻體不考慮滲流單元格式選擇為 CPE 4，取其一半進行研究。坑中坑底監測點 1～監測點 5 如圖 4 所示。

表1 工程地質特征

圖3 坑中坑圍堰平面圖

圖4 坑中坑圍堰 A-A 剖面圖

2.2 不同深度圍堰總孔隙壓力分析

對基坑粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況進行有限元分析，其中 2.00 m 圍堰總孔隙壓力分布如圖 5 所示，提取五種不同深度圍堰監測點 1～監測點 5 總孔隙水壓，并進行對比分析如圖 6 所示。

圖5 2.00 m 圍堰總孔隙壓力分布（單位：kPa）

圖6 圍堰不同深度總孔隙水壓對比

分析圖 6 可知，粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰時，在監測點 1 處總孔隙水壓力為最大值 4.76×10-44kPa，于監測點 2 處，總孔隙水壓力陡降至 8.41×10-45kPa；其余點 3、點 4 和點 5 總孔隙水壓力變化較平緩，介于 1.26×10-44～1.68×10-44kPa。當圍堰分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，監測點 1～監測點 5 總孔隙水壓力變化趨勢一致，監測點 1 處總孔隙水壓力均大于其他監測點值；其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監測點總孔隙水壓力大小幾乎相等。

2.3 不同深度圍堰流體速度及流速矢量分析

分析粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況流體速度分布，其中 2.00 m 圍堰流體速度如圖 7 所示，圍堰不同深度流體速度對比圖如圖 8 所示。

圖7 2.00 m 圍堰流體速度（單位：m/s）

圖8 圍堰流體速度對比

分析流體速度圖 8 可知，粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰時，在監測點 1 處流體速度為最大值 1.55×10-7m/s， 于監測點 2 處，流體速度陡降至1.46×10-8m/s；其余點 3、點 4 和點 5 流體速度變化較平緩，介于1.51×10-8m/s～2.13×10-8m/s。當圍堰分別為1.50、1.75、2.00和 2.25 m 時，監測點 1～監測點 5 流體速度變化趨勢一致，監測點 1 處流體速度均大于其他監測點值；其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監測點流體速度大小幾乎相等。

2.4 不同深度圍堰滲流量分析

分析粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況坑底滲流量分布，其中 2.00 m 圍堰滲流量如圖 9 所示，圍堰不同深度各監測點坑底滲流量對比圖和總滲流量對比圖如圖 10 和圖 11 所示。

圖9 2.00 m 圍堰滲流量（單位：m3/s）

圖10 不同深度不同監測點滲流量對比

圖11 不同深度總滲流量對比

由圖 10 可知，粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰時，在監測點 1 處滲流量為最大值 4.26×10-8m3/s，于監測點2 處，滲流量陡降至 3.73×10-9m3/s；其余點 3、點 4 和點 5 滲流量變化較平緩，介于 7.78×10-9m3/s～8.89×10-9m3/s。當圍堰分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，監測點 1～監測點 5 滲流量變化趨勢一致，監測點 1 處滲流量均大于其他監測點值；其中圍堰深度為2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監測點滲流量大小幾乎相等。分析圖 11 可知，粉砂質泥巖層坑中坑無圍堰時，總滲流量為 7.50×10-8m3/s。當圍堰分別為1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，總滲流量變化逐漸減小，其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，總滲流量的變化趨勢更為平緩。

綜上所述，是否設置圍堰對各監測點總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量影響較大；當圍堰為2.00 m 和 2.25 m 時，總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量變化較小，即圍堰深度為 2.00 m 時，為最經濟深度；故粉砂質泥巖坑中坑圍堰深度較坑深 0.5 m 為適宜深度。

3 施工技術

有限元法分析了不同圍堰深度對坑中坑坑底總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量的影響，得出了合理的理論數據，為了驗證有限元法的可靠性，現場選電梯集水坑進行了試驗，并對其施工技術進行了總結。現場電梯集水坑尺寸模型如圖 3 和圖 4 所示，圍堰材料選用 C 15 素混凝土，采用小型履帶反鏟式挖掘機開挖，挖斗采用寬度規格最小的三齒斗，斗寬450 mm，開挖后槽寬 500 mm，開挖深度為坑中坑坑底以下 0.5 m。

3.1 施工工藝

由于粉砂質泥巖暴露于空氣中易分化，遇水易坍塌，故對粉砂質泥巖中混凝土圍堰施工工藝要求較高，其施工工藝具體如圖 12 所示。

圖12 圍堰施工工藝

3.2 基坑清底

基坑清底要嚴格按照開挖方案進行，坑中坑施工完畢前基底面應當至少保留 150 mm 厚土層，墊層施工前人工清除。

3.3 抄平放線

確定圍堰開挖位置及標高，抄平放線后并進行復核，并考慮擬施工部位對相鄰后澆帶、坑中坑的影響，如圖 13 所示。

圖13 圍堰抄平放線

3.4 圍堰分段開槽

由于強風化粉砂質泥巖層裂隙分布不規則，同一位置不同方向開挖槽壁穩定性均不同。開挖前要做好充分的準備工作，開挖時要有應急措施。

1）開挖時選取長邊對邊先挖并澆灌，24 h 后開挖另一對平行邊。在不影響挖機開挖作業時及時在槽上口進行支撐，沿槽長方向間距≤0.5 m，自槽上口向下支撐深度≥0.5 m，混凝土澆筑完畢取出并重復利用，如圖 14 所示。

2）注意觀察槽壁滲水情況，及時調整開挖長度。如遇坍塌，可隨挖隨灌，錯時間分段澆筑，如圖 15 所示；為利于混凝土接茬，開槽沿長度方向底部要大于上口，即梯形狀。轉角部位不宜一次開挖，否則容易發生塌槽現象。

圖14 圍堰槽開挖

圖15 圍堰槽滲水

3.5 混凝土分段澆筑及養護

混凝土澆筑過程中使用插入式振搗棒振搗密實；混凝土澆筑后采用覆土自然養護，養護時間＞48 h。

3.6 排水固結

圍堰施工完畢應在坑中坑中部開挖集水坑，集水坑深略深于坑底，使圍堰內水份自然滲入集水坑內，2 d 內會自然固結。集水坑內有明水時要及時排除。集水坑用小型履帶式反鏟挖機開挖，尺寸要盡量小；低于坑底部分墊層施工時素混凝土回填。

3.7 坑中坑開挖

坑中坑開挖以小型履帶反鏟式為主，人工修整為輔，如圖 16 所示。修整合格的集水坑面立即使用高標號硅酸鹽早強干水泥均勻撒一層，以不露底為準，盡快封閉基巖表面。個別滲水部位在墊層施工完畢后用堵漏靈處理，如圖 17 所示。

圖16 素混凝土圍堰集水坑

圖17 墊層澆筑后集水坑

4 結語

通過有限元分析、現場試驗及工程實踐證明了無圍堰、四種不同深度圍堰時，坑中坑底部監測點的總孔隙水壓力、流體速度和滲流量，得出了以下結論。

1）同一工況下，設置圍堰可有效較少總孔隙水壓力、流體速度和滲流量，圍堰超過坑底深度 0.5 m 時對坑中坑坑底的總孔隙水壓力、流體速度和滲流量影響不大，即圍堰開挖深度以大于集水坑深度 0.5 m 為宜。

2）在工程實踐中，提出了強風化粉砂質泥巖層坑中坑施工新方法，總結了其圍堰的施工技術并進行了詳解，工程案例證明：大于集水坑深度 0.5 m 的素混凝土圍堰有效地隔斷了地下水的滲流，實現了集水坑的干 作業。