瀕臨河流埋深大于四十米基坑底止水工藝及參數

劉天祎

(江蘇華東建設基礎工程有限公司,江蘇 南京 210007)

0 引言

地下空間是一種寶貴的資源,其開發利用通常分為四個層次：-10 m以內的淺層空間、-30 m～-10 m的次淺層空間、-50 m～-30 m的次深層空間和-100 m～-50 m的深層空間[1-2]。在實踐中,對人員進出稀少的水利工程中的輸水隧洞等,設計人員通常會利用次深層、深層空間,而把寶貴的淺層、次淺層的地下空間資源留給人員進出頻繁的地下室、地鐵等。無論利用哪個層次的地下空間,為了保證基坑中建(構)筑物的順利施工,皆會遇到基坑底止水的問題。

基坑底止水工藝,通常有兩種：1)把圍護結構插入基坑底一定深度結合降水井,利用圍護結構及降水井[3-6],把場地地下水位面降低到基坑底以下1 m;2)把水泥漿注入到基坑底的地層中,漿液與地層顆粒形成固結體,利用固結體的止水性能保證基坑中建(構)筑物順利施工。在瀕臨大河、埋深超過40 m的基坑場地,不僅場地中砂層發育、厚度大,而且砂層中地下水與大河存在水力聯系,砂層中承壓水頭高。選擇圍護結構結合降水井的基坑底止水工藝,往往會產生圍護結構和降水井深度大、工序多、風險大、成本高、止水效果達不到預期目的等問題,而且降水會引起地面沉降[7-8]、建(構)筑物傾斜開裂等環境效應。因此,把水泥漿注入到基坑底地層中形成止水固結體日益引起設計人員的重視,該工藝省去了降水井,減小了圍護結構的插入深度,成本較低,幾乎沒有環境效應,但是為了保證止水效果,需要選擇經濟有效的止水工藝及施工參數。

依托某水利工程中瀕臨某河流的輸水隧洞的盾構機接收井基坑,對巨厚砂層中埋深超過40 m基坑底止水工藝及施工參數進行了研究,研究結果不僅可供同行在瀕臨大江大河巨厚砂層中盾構機始發端、接收端、基坑底止水時借鑒參考,而且有助于次深層、深層空間的開發利用。

1 工程概況及工程地質條件

1.1 工程概況

某水利工程年輸水量2億多立方米,該工程不僅保證了周邊幾百萬人口的生活用水及工業用水,而且發展灌溉農田12萬ha,社會、經濟效益顯著。該水利工程有一條長度3 km、下穿某河流的輸水隧洞。采用盾構法施工輸水隧洞,完工后,盾構機接收井作為工作井,用于穿越河流輸水隧洞的日常檢修。盾構機接收井基坑呈圓形,圍護結構為厚度1.5 m的地下連續墻,圓中心至地下連續墻外邊線的半徑為10.90 m,地下連續墻由8幅Ⅰ期槽段、8幅Ⅱ期槽段組成,槽段之間采用套銑接頭(見圖1)。

1.2 工程地質條件

1.2.1 地形、地層

場地地形平坦,勘察深度范圍內地層屬第四紀河流沖積的沉積物[9],從上至下分為13層：

①重粉質壤土：黃褐色,可塑狀;層底高程92.66 m～98.97 m,層厚0.6 m～4.3 m;標貫擊數4擊～6擊,平均4.8擊。

②粉砂：黃—褐黃色,砂質不均;層底高程88.92 m～94.0 m,層厚2.0 m～10.3 m;標貫擊數6擊～9擊,平均7.3擊。

②-1砂壤土：黃褐—棕褐色,土質不均;層底高程89 m～96.62 m,層厚1.0 m～6.9 m;標貫擊數4擊～9擊,平均6.0擊。

③細砂：灰褐色,稍密—中密,砂質不均;層底高程82.9 m～95.6 m,層厚0.9 m～8.3 m;標貫擊數6擊～13擊,平均9.4擊。

④粉質黏土：棕褐—灰褐色,硬塑,土質不均;層底高程81.12 m～83.3 m,層厚1.0 m～7.8 m;標貫擊數5擊～9擊,平均6擊。

⑤重粉質壤土：淺黃—棕黃色,硬塑,含1 cm～3 cm鈣質結核,土質不均;層底高程 72.0 m～82.65 m,層厚1.2 m～14.3 m;標貫擊數5擊～15擊,平均9.7擊。

⑥輕粉質壤土：褐黃色,可塑狀,土質不均;層底高程84.92 m～87.42 m,厚度4.7 m～6.4 m;標貫擊數8擊～15擊,平均10.9擊。

⑦重粉質壤土：褐黃色、灰黃色,可塑狀;層底高程88.72 m～89.48 m,厚度6.2 m～8.0 m;標貫擊數3擊～7擊,平均5擊。

⑧粉質黏土：褐黃色,可塑狀,局部軟塑狀;層底高程79.62 m～86.2 m,厚度3.0 m～7.8 m;標貫擊數4擊～10擊,平均6擊。

⑨重粉質壤土：淺棕黃色,可塑狀為主;層底高程77.95 m～81.17 m,厚度0.8 m～6.9 m;標貫擊數7擊～12擊,平均9.4擊。

⑩重粉質壤土：淺黃、褐黃色,可塑—硬塑狀;層底高程 74.39 m～79.07 m,厚度1.5 m～4.4 m;標貫擊數9擊～19擊,平均12.6擊。

1.2.2 地下水

根據勘察期間的水位監測,場地地下水主要為承壓水,含水層為③細砂、中細砂、中細砂。含水層③細砂的承壓水的隔水層頂板為②-1砂壤土,底板為④粉質黏土、⑤重粉質壤土,該層承壓水與瀕臨的河流水力聯系密切。含水層中細砂、中細砂的承壓水的隔水層頂板為⑧粉質黏土、⑨重粉質壤土、⑩重粉質壤土。

場地砂壤土、輕粉質壤土具弱—中等透水性;中、重粉質壤土、粉質黏土具微透水性;粉砂、細砂、中細砂具中等—強透水性。

2 基坑底止水工藝選擇

接收井圍護結構剖面圖如圖2所示。由圖2可知：1)場地面標高為95.56 m,接收井基坑底標高為46.81 m;2)地下連續墻插入基坑底30.75 m,基坑底中細砂、中細砂為承壓水層且中等—強透水性。為了隔斷承壓水與基坑的連通,保證基坑內水利工程構筑物順利施工,設計要求在地下連續墻外邊線2 m的平面范圍內、基坑底以下10 m即標高36.81 m～46.81 m的豎向范圍內實施灌漿止水,在灌漿范圍內形成連續的固結體,固結體28 d抗壓強度不小于1.8 MPa,滲透系數不大于1×10-5cm/s。

按場地面標高95.56 m計,灌漿止水離地面的深度為48.75 m～58.75 m,選擇經濟合理的止水工藝及施工參數是實現設計目的的關鍵。

三軸水泥攪拌工法受三軸水泥攪拌樁機樁架高度的限制[10],目前最大止水施工深度為30 m,因此,三軸水泥攪拌工法不適合接收井基坑底止水的工藝。

三重管旋噴工法是從三重管旋噴樁機的鉆桿底部一個噴嘴中噴出壓力不小于25 MPa的水橫向切割地層,另外兩個噴嘴分別噴出壓力不小于0.8 MPa的水泥漿、壓力不小于0.7 MPa的空氣,橫向噴射注入到已被切割的地層中,使水泥漿與地層顆?；旌闲纬芍顾闹鶢罟探Y體,并借助空氣的上升力把切割的地層顆粒帶到地表排除[1]1-5。用三重管旋噴工法在該場地中止水施工,會遇到以下兩個問題：1)中細砂標貫擊數10擊～44擊,平均27.7擊,中細砂標貫擊數17擊～44擊,平均28.4擊,由表1可知,三重管高壓旋噴樁的最理想樁徑為0.9 m～1.5 m,因為樁徑小于2 m,增加了樁數,止水成本上升。2)三重管旋噴工法止水深度不超過30 m[1]496。因此,三重管旋噴工法不適合接收井基坑底止水的工藝。

表1 高壓旋噴樁建議直徑* m

雙高壓旋噴工法簡稱為RJP工法(Rodin Jet Pile)[11],該工法是在三重管旋噴工法的基礎上改進而來,即水、水泥漿壓力25 MPa以上[1]711-721[11],空氣壓力0.7 MPa以上。作業時,鉆桿上段高壓水和壓縮空氣混合復合切割地層,然后,鉆桿下段高壓水泥漿和壓縮空氣再一次切割地層,同時把水泥漿注入到已被切割的地層中。因為水、水泥漿二次橫向切割地層,止水深度超過三重管旋噴工法,雙高壓旋噴樁的直徑達到2 m以上。

MJS工法(Metro Jet System)是在RJP工法基礎上改進而來,增加了多孔管主動排漿和孔內壓力監測措施,實現強制排漿和孔內漿液壓力穩定[1]711-721[12],不僅降低了向地層注漿時對周邊建(構)筑物的環境效應[12],而且成樁深度、直徑更大,更能保證成樁質量。

鑒于接收井瀕臨河流,加上止水深度超過40 m、止水范圍內地層特征、含水性以及工程重要性,為了保證止水樁質量,基坑底止水工藝采用MJS工法。

3 MJS工法樁應用

3.1 現場工藝試驗

為了最大限度地發揮MJS工法的作用,降低止水成本,并獲得工藝參數,在瀕臨接收井基坑場地布置了兩組MJS工法樁進行工藝適應性試驗。試驗樁設計參數：1)φ2 000@500 mm,φ1 500@450 mm(見圖3);2)長度為場地面至超過基坑底12 m,即標高34.81 m～95.56 m,單根樁長60.75 m,總長243 m;3)水泥摻量35%,水灰質量比1∶1。

在淤泥發育的地層中應用MJS工法時,需反復下放、拆接套管以保證孔壁的穩定性,因此,降低了施工工效。鑒于場地地層中不發育淤泥,為提高施工工效,對MJS工法的工藝流程進行了改進,去除了套管下放、拆接,用PVC管代替套管,改進后的工藝流程如圖4所示。實施時,采用BHD-210鉆機在泥漿護壁條件下引孔,然后用SJL-120MJS工法樁機。

28 d后,按圖3所示的取芯孔位置進行取芯(見圖5),通過巖芯強度、滲透試驗,得到固結體28 d抗壓強度、滲透系數皆達到設計要求,說明用MJS工法,水泥漿到達了搭接部位,φ2 000@500 mm,φ1 500@450 mm工法樁皆能滿足設計要求。

按照經濟有效的原則,選擇φ2 000@500 mm MJS工法樁進行接收井基坑底止水,以減少樁數,降低止水成本,施工參數如表2所示。

表2 基坑底止水MJS工法樁工藝參數表

3.2 應用效果

根據現場工藝試驗結果,采用φ2 000@500 mm MJS工法樁進行止水樁布置(見圖6),共167根MJS工法樁,單根長度10 m,標高為36.81 m～46.81 m,總長度為1 670 m,平面范圍為基坑范圍外延至地下連續墻外邊線2 m,施工中參數如圖7所示。

MJS工法樁施工結束后,基坑內土方開挖至基坑底時,未發現開挖面涌水,僅發現局部滲水,用泵正常抽吸即可,不影響基坑內底板施工,說明用MJS工法樁止水是有效的。

4 結論

關于瀕臨河流、巨厚砂層中、止水深度超過40 m的地層止水工藝,MJS工法是設計人員可以優先考慮的工藝,MJS工法樁具有經濟有效的優勢,其設計參數建議為φ2 000@500 mm,操作要點如下：

1)引孔深度超過MJS工法樁設計深度2 m。

2)引孔時使用PVC管,可以消除孔壁坍塌,保持孔壁穩定性,防止鉆桿被埋,然后利用MJS工法樁機攪碎PVC管的能力,攪碎PVC管后正常切割地層、向地層注漿。

3)MJS工法樁搭接時間間隔不能超過24 h。