陽澄湖砂土層基坑不同止水帷幕設計方案探討

叢海洋

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

在市政給排水工程中，深基坑常用的止水帷幕工藝有攪拌樁、旋噴樁和地下連續墻。攪拌樁、地下連續墻在砂土中適應性較強，旋噴樁也成功應用于廣州[1]等地的基坑止水帷幕工程中，但該工法在部分地區的砂礫中成樁質量較差[2]。近年來，由于機械設備的改進，國內涌現出新的止水帷幕施工工藝，但在蘇州陽澄湖地區的工程應用案例較少。該地區頂管井埋深多在粉砂層以下，粉砂層含微承壓水，水量豐富，水平滲透系數大，因此合理選擇止水帷幕的工藝，是保證基坑順利開挖，節省工程造價的前提。

1 工程概況

背景工程為市政取水、輸水工程，自陽澄中湖取水，輸送至相城區某水廠，全長約22 km。工程地理跨度廣，其間穿越蘇州市工業園區、相城區。項目有2個顯著特點：該項目穿越障礙非常多，經統計，本項目頂管區間總數量多達13處，頂管總里程約10 km；該項目有一半里程與京滬高鐵平行敷設，且建設管位距京滬高鐵僅約30 m，設計難度極高，施工難度極大（圖1）。

圖1 某項目部分路徑走向衛星圖

該項目設計2根DN1 800 mm輸水管，管材材質為球墨鑄鐵管或鋼管。工程擬建路徑上有多種障礙，其中包括：現狀河道、道路以及多次穿越的陽澄湖。設計方案采用頂管工藝穿越現有障礙。頂管井為共有沉井和基坑圍護2種結構形式，基坑開挖深度在11.5～18.15 m（表1）。基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁結合腰梁的結構形式，圍護結構外側設置止水帷幕。

表1 頂管井設計深度一覽

2 工程地質

勘察資料揭示，擬建場地在勘察深度范圍內，自上而下可分為11個工程地質層，2個工程地質亞層，各土層分布如下：①1素填土、①2淤泥、②淤泥質粉質黏土、③黏土、④粉質黏土、⑤粉質黏土夾粉土、⑥粉土夾粉砂、⑦粉砂、⑧粉質黏土、⑨黏土、⑩粉質黏土、 粉質黏土夾粉土（圖2）。

圖2 典型地質剖面

從圖2典型地質剖面中可以清楚地看到，⑥粉土夾粉砂、⑦粉砂為陽澄湖地區廣泛分布典型土層。其中⑥粉土夾粉砂層頂埋深為4.30～13.30 m，層頂標高為－11.14～－2.89 m，層厚為0.40～7.60 m；⑦粉砂層頂埋深為8.90～15.50 m，層頂標高為－11.64～－5.88 m，層厚為0.50～14.80 m，垂直滲透系數1.28×10-3cm/s。微承壓水主要賦存于⑥粉土夾粉砂、⑦粉砂層中，該地下水由側向徑流補給，通過側向徑流排泄，微承壓水最高水位為1.74 m。

3 止水帷幕工藝對比

長三角軟土地區常見的基坑止水帷幕工藝包括水泥土攪拌樁、等厚度水泥土攪拌墻、高壓噴射注漿、地下連續墻、鋼板樁等[3]。

目前國內的水泥土攪拌樁設備包括單軸攪拌樁、雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁，可根據地質條件、作業環境與成樁深度選用不同的攪拌機，一般三軸攪拌樁機的功率較大，加固深度也相對較深，可以在承載力較高的土體中作業。

高壓旋噴樁目前使用最多的方法為單管法、二管法和三管法，其加固原理基本是一致的，主要區別在于是否有空氣、水的混合[4]。近年來，由于施工技術的創新發展，新工法在實際工程中得以成功應用。超高壓旋噴注漿工法，簡稱RJP工法，是利用超高壓噴流體所擁有的動能破壞地基的組織構成后，混合攪拌這些破壞的土粒子和硬化材料，從而形成大口徑的改良體。全方位超高壓噴射注漿，簡稱MJS工法，是一種能進行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工方法，對周邊環境及地基的擾動影響微小，能實施大深度地基加固施工，該設備垂直施工場地凈高最小僅需3.5 m[4]。

渠式切割水泥土攪拌墻是從日本引進的一種新型施工技術，已在上海、杭州等多地成功應用于工程中，取得不錯的止水效果。TRD工法適用于黏土、砂土、礫石、軟巖等多種土層，水泥土攪拌均勻、墻身完整性高。該工法設備的施工機架最大高度一般不超過12 m，適用于對周邊環境有限高要求的場地。

旋噴樁不宜用于砂土中，且不宜少于2排，深度不宜太深。工程實踐中出現過采用高壓旋噴樁噴射注漿作為隔水帷幕，開挖過程中出現多處滲漏的案例[3]。

高壓旋噴樁注漿壓力大，對周邊土體有一定擠壓，因此在蘇州砂土地區不優先選用高壓旋噴樁作止水帷幕，但該工法施工設備小，操作靈活，可在場地受限時考慮。

三軸攪拌樁在蘇州砂土地區用作止水帷幕效果好，且工程造價低，但施工設備較大，重心高，在施工過程中有傾覆的風險。

TRD工法止水效果好，施工設備高度低，但該工法施工造價相對較高，且對于給排水工程中的頂管井，設備轉彎頻次高，機械拆裝問題導致施工效率低，綜合效益一般，在周邊環境保護要求較高的情況下可以考慮。

4 止水帷幕設計方案

通過對比分析可以看出，在陽澄湖砂土地區，當頂管井基坑開挖深度大于10 m時，在20 m以內，止水帷幕優先選擇三軸攪拌樁較為經濟合理。由于本項目部分頂管井距離京滬高鐵沿線僅35 m左右，在該范圍施工時機械設備受到限高要求，三軸攪拌樁存在傾覆風險，影響高鐵運營安全；高壓旋噴樁有一定擠土效應，對周邊環境有一定影響，因此在高鐵沿線不采用三軸攪拌樁和高壓旋噴樁作止水帷幕。部分施工場地由于環境限制，三軸機設備無法進入。綜上所述，本工程共采用3種不同工藝的止水帷幕工藝，分別為高壓旋噴樁、三軸攪拌樁、TRD工法。

方案一采用2排ф800 mm@500 mm高壓旋噴樁，樁間搭接300 mm（圖3），高壓旋噴樁為兩重管，水泥摻量不小于35%；漿液水灰比為0.9～1.1；方案二采用單排ф850 mm@600 mm三軸攪拌樁，樁間搭接250 mm（圖4），水泥摻量不小于20%，水灰比1.2～1.5；方案三采用TRD工法墻，墻厚850 mm，墻端外擴1 000 mm（圖5）。

圖3 高壓旋噴樁止水帷幕

圖4 三軸攪拌樁止水帷幕

圖5 TRD工法墻止水帷幕

5 止水帷幕對比分析

基坑開挖前，對方案一高壓旋噴樁和方案三TRD工法墻進行取芯檢測。通過取芯結果可以發現，高壓旋噴樁成樁質量如前文分析一致，隨著加固深度的加大，成樁樁徑具有一定的離散性；TRD工法墻的成樁質量非常好，在蘇州砂土地區采用TRD工法墻作止水帷幕效果好。

基坑開挖后，通過對鉆孔灌注樁間土體的觀測發現，設計方案中采用的3種止水帷幕工藝均達到預期效果，起到了基坑內外止水、隔水的作用。通過現場施工情況，結合各工藝特點，本文總結了陽澄湖砂土地區各種止水帷幕工藝的優劣（表2）。

6 結語

1）三軸攪拌樁在陽澄湖砂土地區可用于坑深20 m的止水帷幕中，止水效果好，工程造價相對較低，但該工法設備較大，不適用于對周邊環境有限高要求的工程。

2）高壓旋噴樁在陽澄湖砂土地區做止水帷幕時，成樁樁徑離散性較大，加固深度宜小于15 m，成樁時應特別控制噴漿管提升速度。該設備高度低，場地占地小，適用于對場地要求高的工程中。當采用此工藝時，應采用雙排止水樁，以保證止水效果。

表2 優劣分析對比

3）TRD工法墻作為近年來的新技術，在陽澄湖砂土地區完全可以滿足止水帷幕要求，特別是在基坑狹長的項目上綜合效益更好。該設備高度較低，對周邊環境有限高要求的工程可作為備選。該工法設備寬度較大，轉彎時需要對刀片進行拆卸且工程造價相對較高，因此可作為特殊項目的處理方案。

4）通過本工程發現，在陽澄湖地區設計止水帷幕，三軸攪拌樁、高壓旋噴樁、TRD工法均適應于砂土層。不同的工程可根據不同的加固深度、不同的作業環境要求選擇不同的工法，一般情況下，優先選擇三軸攪拌樁止水既可以降低工程造價，又可以保證止水效果。