強透水超深超厚砂層豎井封底施工技術(shù)研究

楊 志 先， 廖 周 楷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

近年來，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展及工程技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新，下穿河流湖海的隧洞工程不斷增多。通過對河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程下穿沁河段強透水超深超厚砂層中檢修井封底防滲施工的方案進(jìn)行分析研究及現(xiàn)場工藝試驗論證，將原有施工方案變更為MJS工法，通過變更方案的實施，驗證了MJS工法在該地層中的可行性及可靠性，MJS工法的使用可以有效節(jié)約施工時間。闡述了對強透水超深超厚砂層豎井封底施工技術(shù)進(jìn)行的研究。

河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程下穿沁河段的檢修井布置在沁河?xùn)|岸，距沁河左岸大堤坡腳約290 m，其主要作用是在隧洞檢修前將洞內(nèi)的存水排出，施工期間作為盾構(gòu)接收井使用。

檢修井為圓形豎井，采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外徑為21.8 m，內(nèi)徑為18.8 m，墻厚1.5 m，深度為76 m；主體結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為16.4～15.4 m，井深45.75 m，自上而下采用逆作法施工，內(nèi)襯底板厚3 m。

該工程廠區(qū)位于黃河Ⅰ級階地，地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖積物，檢修井開挖的地層從上至下分別為：輕粉質(zhì)壤土，粉質(zhì)黏土，重粉質(zhì)壤土，中細(xì)砂。場區(qū)自地表12 m以下均為中細(xì)砂地層,具中等～強透水性。廠區(qū)位置的沁河為地上懸河，常年有水，由沁河河水補給地下水，河水與承壓性地下水直接聯(lián)系，實測場地地下潛水水位距地面約7 m，地下水主要位于砂層中，微承壓且豐富。

2 豎井封底技術(shù)實施的背景與研究

鑒于檢修井地基透水層深厚且基坑為超深基坑，檢修井下部地層為含水量豐富的中細(xì)砂地層，且地下連續(xù)墻的底部未嵌入不透水層，隨著主體結(jié)構(gòu)逆作法的施工，井內(nèi)外水位差變大，井內(nèi)降水難度亦將不斷加大，導(dǎo)致內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工難以進(jìn)行，故在設(shè)計時對檢修井底部采用封底防滲處理措施，該措施既是深基坑工程安全施工的重要保證措施，同時亦可大大減小井內(nèi)降水對臨近堤防和建筑物的影響。施工圖設(shè)計階段的封底處理措施為雙高壓三管法噴射灌漿，樁與樁之間相互搭接，在井底形成高噴固結(jié)體。高噴封底處理的范圍為：平面范圍超出地下連續(xù)墻外邊線2 m，豎向范圍為基坑底面以下10 m。

檢修井地面標(biāo)高為91.2 m，基坑底標(biāo)高為46.81 m，封底標(biāo)高為46.81～36.81 m，檢修井封底高壓旋噴樁深度超過50 m。針對上述情況，如何確?；拥赘邏盒龂姌斗獾讟兜挠行е睆郊按罱訚M足設(shè)計要求，保證地下水不會從搭接處向基坑滲漏，在該工程高噴灌漿正式施工前，根據(jù)相關(guān)要求，施工單位進(jìn)行了現(xiàn)場工藝性試驗。高壓噴射灌漿現(xiàn)場工藝性試驗情況如下。

2.1 第一次試驗情況

按照施工圖要求，高壓噴射灌漿形成的樁徑達(dá)1 m。依據(jù)相關(guān)規(guī)范并參考類似工程經(jīng)驗，現(xiàn)場選用的樁間距為0.7 m、0.9 m并初步選定了2種高噴灌漿參數(shù)進(jìn)行試驗，每種參數(shù)各3組，試驗共布置6組，每組3根樁。試驗采用雙高壓三重管法在設(shè)計樁位處進(jìn)行試驗，檢修井外盾構(gòu)端頭加固范圍內(nèi)布置4組，檢修井內(nèi)布置2組，試驗鉆孔深度為54.59 m，其上部23.64 m為空樁，下部30.95 m范圍為實際樁長。第一次試驗樁位布置情況見圖1。

圖1 第一次試驗樁位布置圖

試驗樁施工完成后共取芯 9處，取芯的最小深度為6 m，最大深度為51 m，30～40 m以內(nèi)芯樣較完整，深度超過 40 m后大部分無芯樣。根據(jù)取芯情況進(jìn)行分析與推測：在噴射深度小于 30 m時成樁直徑為1 m以上，噴射深度為40～55 m時，由于鉆孔偏斜等原因，推測成樁直徑為 0.6～0.9 m。樁與樁之間是否搭接亦不好判斷，未能達(dá)到試驗?zāi)康摹?/p>

2.2 第二次試驗情況

由于第一次試驗沒有達(dá)到預(yù)期目的，存在不能完全封底的風(fēng)險，故在檢修井內(nèi)中心部位選取了一定數(shù)量的樁進(jìn)行第二次高噴灌漿工藝試驗，以進(jìn)一步驗證灌漿的總體效果、有效樁徑、施工參數(shù)、適宜的孔排距及固結(jié)體的抗壓、防滲性能等。同時，根據(jù)第一次試驗情況：雙高壓三管法成樁直徑較小，施工功效較低且存在不能完全封底的風(fēng)險，經(jīng)綜合考慮灌漿效果、工期因素，在第二次試樁時，在端頭加固區(qū)域采用 MJS工法同時進(jìn)行高噴試驗并對比驗證了試驗效果。

(1)針對試驗方案，在分析總結(jié)了第一次試驗結(jié)果后，第二次試驗對試驗樁位的布置等進(jìn)行了調(diào)整，本次試驗樁布置在井中心區(qū)域內(nèi)，共布置了39根樁，分為 4個區(qū)域，選用相應(yīng)樁間距 0.8 m、0.6 m、0.7 m，對應(yīng) 4種施工參數(shù)，灌漿范圍高程為48.31～36.81 m，上部43.09 m為空樁，下部11.5 m為實際樁長。雙高壓三重管法試驗樁位布置情況見圖 2。

圖2 第二次雙高壓三重管法試驗樁位布置圖

第二次雙高壓三重管法試驗取芯共計6處，分別位于4個區(qū)域，最大取芯深度為53 m，取芯點位隨機選取樁體間的搭接部位，取芯率為68.8%～98.5%，芯樣最小強度為3.6 MPa，滿足設(shè)計值3 MPa的要求。

對芯樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗，測得芯樣滲透系數(shù)為3.5×10-6～8×10-6cm/s，滲透系數(shù)均小于設(shè)計值1×10-5cm/s。在現(xiàn)場取芯處進(jìn)行了注水試驗，滲透系數(shù)亦小于設(shè)計值1×10-5cm/s。對試驗采用的3種樁間距(0.8 m、0.7 m、0.6 m)隨機取芯，取芯結(jié)果均顯示搭接。

(2)MJS工法噴射灌漿試驗。MJS工法噴射灌漿試驗區(qū)域布置在檢修井外盾構(gòu)接收端頭加固處，分2組樁，每組3根，共計6根，按照MJS工法選定的樁徑為2 m。MJS工法噴射灌漿試驗樁位布置情況見圖3。MJS工法噴射灌漿試驗參數(shù)見表1。

圖3 MJS工法噴射灌漿試驗樁位布置圖

表1 MJS工法噴射灌漿試驗參數(shù)表

MJS工法噴射灌漿試驗取芯共計4根，第一組和第二組各2根，每組中的取芯位置為樁搭接處和樁邊緣處各一處，取芯深度為42～51 m。第一組位于樁搭接處的取芯率為94.7%，樁邊緣處的取芯率為81.2%；第二組位于樁搭接處的取芯率為75%，樁邊緣處的取芯率為60%，第二組MJS成樁和取芯時間間隔為13 d，樁體未完全固結(jié)，取出的芯樣有尚未凝固的水泥塊。所取出芯樣中的最小強度為5.7 MPa，滿足設(shè)計值3 MPa的要求。

對芯樣進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗，測得芯樣滲透系數(shù)為6.3×10-6～7.2×10-6cm/s，滲透系數(shù)均小于設(shè)計值1×10-5cm/s。在現(xiàn)場取芯處進(jìn)行了注水試驗，滲透系數(shù)亦小于設(shè)計值1×10-5cm/s。根據(jù)取芯情況判斷，樁徑能達(dá)到2 m。

(3)兩種試驗成果之對比。從試驗成果看，雙高壓三重管法灌漿和MJS工法高噴灌漿均能滿足該工程地層加固、防滲的要求；MJS工法工藝較雙高壓三重管法工藝的成樁直徑更大，用于地層加固時，樁體數(shù)量顯著減少，可以有效節(jié)約施工時間；MJS工法成樁的膠結(jié)情況更好，兩種高噴工藝加固體的滲透系數(shù)基本相當(dāng)。

參考目前國內(nèi)已建類似工程豎井采用雙高壓三管法噴射灌漿封底防滲的失效案例[1，2]，根據(jù)高壓旋噴樁的特點與技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)以往在砂層中的施工經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)：雙高壓三管法噴射灌漿用于砂土地層加固時，樁體的垂直度較難保證，隨機造成樁體之間的搭接咬合效果不佳[3]，達(dá)不到理想的止水和加固土體的效果。而在富水砂土地層中，樁體咬合不好會在加固體中間形成水的滲流通道，容易引發(fā)涌水涌砂等工程事故[4]。鑒于以上原因及現(xiàn)場試驗論證、經(jīng)過仔細(xì)分析與專家咨詢論證后得出以下看法：MJS工法比雙高壓三重管法的工藝更具有可實施性和可靠性，MJS工法的最大有效加固深度可達(dá)100 m。在上海地區(qū)試驗時約50 m深度處開挖外露的樁徑可達(dá)2.5 m[5]。鑒于此，最終決定變更原有的封底防滲加固設(shè)計方案，該工程采用MJS工法施工。

3 主要技術(shù)措施

MJS工法是在傳統(tǒng)高壓噴射灌漿法的基礎(chǔ)上增加了前端施工裝置，其核心技術(shù)為主動排泥和孔內(nèi)壓力監(jiān)測。前端施工裝置具有以下三個特點：有 3個獨立噴嘴，分別向地層中噴射硬化材料、高壓空氣、高壓水；帶有壓力傳感器，可探測孔內(nèi)壓力并將其傳至控制中心；具有主動排泥口，主動排泥口內(nèi)部通過高速流體產(chǎn)生負(fù)壓，可以主動吸走多余的泥漿。按照MJS工法最終選擇的樁徑為2 m，成樁直徑大，可以有效減小成樁數(shù)量。

3.1 施工工藝流程

結(jié)合該工程地質(zhì)條件，MJS工法施工工藝流程見圖4。

圖4 MJS工法施工工藝流程圖

3.2 操作要點

(1)MJS工法施工的主要控制參數(shù)見表2。

表2 MJS工法施工主要控制參數(shù)表

(2)垂直度控制——垂直度不大于0.5%。

①場地平整，地基承載力需達(dá)到承擔(dān)設(shè)備重量的要求。

②引孔時每隔1 h對鉆機進(jìn)行垂直度檢測。

(3)其它控制措施。

①盡量縮短注漿距離以減少壓力損耗。

②清洗水泥漿管、噴漿管、鉆桿等管路，保持管路暢通。

③施工前選擇性地停止采用MJS工法施工周圍的降水井抽水等措施，以避免在采用MJS工法施工期間導(dǎo)致其周圍地下水位面不平產(chǎn)生的地下水流動，使注入的水泥漿不隨地下水流失。

4 開挖質(zhì)量的檢驗及評價

檢修井封底防滲處理采用MJS工法完成后，對封底區(qū)10處、地下連續(xù)墻槽接縫1處采用常水頭試驗方法進(jìn)行了滲透性能檢測，滲透系數(shù)≤1×10-5cm/s，滿足設(shè)計要求；取芯固結(jié)體28 d抗壓強度≥3 MPa。

檢修井從豎井第一層開挖直至開挖至井底，井底無涌水涌砂情況發(fā)生，封底防滲效果明顯，確保了深基坑工程安全施工，為內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工提供了安全的作業(yè)環(huán)境，加快了施工進(jìn)度，達(dá)到了預(yù)期效果及目的。

5 結(jié) 語

通過對河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區(qū)工程下穿沁河段超深超厚強透水砂層中檢修井封底防滲處理方案的研究及現(xiàn)場工藝試驗論證，最終將原施工工法變更為MJS工法，確保了檢修井封底防滲處理的效果，為后續(xù)開挖及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工提供了安全的作業(yè)環(huán)境，證明了MJS工法在該地層中實施的可行性及可靠性，成樁直徑更大，將其用于地層加固時，樁體數(shù)量顯著減少，可以有效節(jié)約施工時間，所取得的經(jīng)驗可為類似工程提供參考。