瀕臨河流埋深大于四十米基坑底止水工藝及參數(shù)

劉天祎

(江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)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(kāi)發(fā)利用通常分為四個(gè)層次：-10 m以?xún)?nèi)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(shí)踐中,對(duì)人員進(jìn)出稀少的水利工程中的輸水隧洞等,設(shè)計(jì)人員通常會(huì)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(jìn)出頻繁的地下室、地鐵等。無(wú)論利用哪個(gè)層次的地下空間,為了保證基坑中建(構(gòu))筑物的順利施工,皆會(huì)遇到基坑底止水的問(wèn)題。

基坑底止水工藝,通常有兩種：1)把圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入基坑底一定深度結(jié)合降水井,利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)及降水井[3-6],把場(chǎng)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(jié)體,利用固結(jié)體的止水性能保證基坑中建(構(gòu))筑物順利施工。在瀕臨大河、埋深超過(guò)40 m的基坑場(chǎng)地,不僅場(chǎng)地中砂層發(fā)育、厚度大,而且砂層中地下水與大河存在水力聯(lián)系,砂層中承壓水頭高。選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合降水井的基坑底止水工藝,往往會(huì)產(chǎn)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)和降水井深度大、工序多、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、止水效果達(dá)不到預(yù)期目的等問(wèn)題,而且降水會(huì)引起地面沉降[7-8]、建(構(gòu))筑物傾斜開(kāi)裂等環(huán)境效應(yīng)。因此,把水泥漿注入到基坑底地層中形成止水固結(jié)體日益引起設(shè)計(jì)人員的重視,該工藝省去了降水井,減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入深度,成本較低,幾乎沒(méi)有環(huán)境效應(yīng),但是為了保證止水效果,需要選擇經(jīng)濟(jì)有效的止水工藝及施工參數(shù)。

依托某水利工程中瀕臨某河流的輸水隧洞的盾構(gòu)機(jī)接收井基坑,對(duì)巨厚砂層中埋深超過(guò)40 m基坑底止水工藝及施工參數(shù)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果不僅可供同行在瀕臨大江大河巨厚砂層中盾構(gòu)機(jī)始發(fā)端、接收端、基坑底止水時(shí)借鑒參考,而且有助于次深層、深層空間的開(kāi)發(fā)利用。

1 工程概況及工程地質(zhì)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(wàn)人口的生活用水及工業(yè)用水,而且發(fā)展灌溉農(nóng)田12萬(wàn)ha,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。該水利工程有一條長(zhǎng)度3 km、下穿某河流的輸水隧洞。采用盾構(gòu)法施工輸水隧洞,完工后,盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)接收井基坑呈圓形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚度1.5 m的地下連續(xù)墻,圓中心至地下連續(xù)墻外邊線的半徑為10.90 m,地下連續(xù)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(jiàn)圖1)。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 地形、地層

場(chǎng)地地形平坦,勘察深度范圍內(nèi)地層屬第四紀(jì)河流沖積的沉積物[9],從上至下分為13層：

①重粉質(zhì)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(biāo)貫擊數(shù)4擊～6擊,平均4.8擊。

②粉砂：黃—褐黃色,砂質(zhì)不均;層底高程88.92 m～94.0 m,層厚2.0 m～10.3 m;標(biāo)貫擊數(shù)6擊～9擊,平均7.3擊。

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

③細(xì)砂：灰褐色,稍密—中密,砂質(zhì)不均;層底高程82.9 m～95.6 m,層厚0.9 m～8.3 m;標(biāo)貫擊數(shù)6擊～13擊,平均9.4擊。

④粉質(zhì)黏土：棕褐—灰褐色,硬塑,土質(zhì)不均;層底高程81.12 m～83.3 m,層厚1.0 m～7.8 m;標(biāo)貫擊數(shù)5擊～9擊,平均6擊。

⑤重粉質(zhì)壤土：淺黃—棕黃色,硬塑,含1 cm～3 cm鈣質(zhì)結(jié)核,土質(zhì)不均;層底高程 72.0 m～82.65 m,層厚1.2 m～14.3 m;標(biāo)貫擊數(shù)5擊～15擊,平均9.7擊。

⑥輕粉質(zhì)壤土：褐黃色,可塑狀,土質(zhì)不均;層底高程84.92 m～87.42 m,厚度4.7 m～6.4 m;標(biāo)貫擊數(shù)8擊～15擊,平均10.9擊。

⑦重粉質(zhì)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(biāo)貫擊數(shù)3擊～7擊,平均5擊。

⑧粉質(zhì)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(biāo)貫擊數(shù)4擊～10擊,平均6擊。

⑨重粉質(zhì)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(biāo)貫擊數(shù)7擊～12擊,平均9.4擊。

⑩重粉質(zhì)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(biāo)貫擊數(shù)9擊～19擊,平均12.6擊。

1.2.2 地下水

根據(jù)勘察期間的水位監(jiān)測(cè),場(chǎng)地地下水主要為承壓水,含水層為③細(xì)砂、中細(xì)砂、中細(xì)砂。含水層③細(xì)砂的承壓水的隔水層頂板為②-1砂壤土,底板為④粉質(zhì)黏土、⑤重粉質(zhì)壤土,該層承壓水與瀕臨的河流水力聯(lián)系密切。含水層中細(xì)砂、中細(xì)砂的承壓水的隔水層頂板為⑧粉質(zhì)黏土、⑨重粉質(zhì)壤土、⑩重粉質(zhì)壤土。

場(chǎng)地砂壤土、輕粉質(zhì)壤土具弱—中等透水性;中、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土具微透水性;粉砂、細(xì)砂、中細(xì)砂具中等—強(qiáng)透水性。

2 基坑底止水工藝選擇

接收井圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。由圖2可知：1)場(chǎng)地面標(biāo)高為95.56 m,接收井基坑底標(biāo)高為46.81 m;2)地下連續(xù)墻插入基坑底30.75 m,基坑底中細(xì)砂、中細(xì)砂為承壓水層且中等—強(qiáng)透水性。為了隔斷承壓水與基坑的連通,保證基坑內(nèi)水利工程構(gòu)筑物順利施工,設(shè)計(jì)要求在地下連續(xù)墻外邊線2 m的平面范圍內(nèi)、基坑底以下10 m即標(biāo)高36.81 m～46.81 m的豎向范圍內(nèi)實(shí)施灌漿止水,在灌漿范圍內(nèi)形成連續(xù)的固結(jié)體,固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度不小于1.8 MPa,滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s。

按場(chǎng)地面標(biāo)高95.56 m計(jì),灌漿止水離地面的深度為48.75 m～58.75 m,選擇經(jīng)濟(jì)合理的止水工藝及施工參數(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的的關(guān)鍵。

三軸水泥攪拌工法受三軸水泥攪拌樁機(jī)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(jī)的鉆桿底部一個(gè)噴嘴中噴出壓力不小于25 MPa的水橫向切割地層,另外兩個(gè)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(jié)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(chǎng)地中止水施工,會(huì)遇到以下兩個(gè)問(wèn)題：1)中細(xì)砂標(biāo)貫擊數(shù)10擊～44擊,平均27.7擊,中細(xì)砂標(biāo)貫擊數(shù)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?yàn)闃稄叫∮? m,增加了樁數(shù),止水成本上升。2)三重管旋噴工法止水深度不超過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)為RJP工法(Rodin Jet Pile)[11],該工法是在三重管旋噴工法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái),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(yè)時(shí),鉆桿上段高壓水和壓縮空氣混合復(fù)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(shí)把水泥漿注入到已被切割的地層中。因?yàn)樗?、水泥漿二次橫向切割地層,止水深度超過(guò)三重管旋噴工法,雙高壓旋噴樁的直徑達(dá)到2 m以上。

MJS工法(Metro Jet System)是在RJP工法基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái),增加了多孔管主動(dòng)排漿和孔內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)措施,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制排漿和孔內(nèi)漿液壓力穩(wěn)定[1]711-721[12],不僅降低了向地層注漿時(shí)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的環(huán)境效應(yīng)[12],而且成樁深度、直徑更大,更能保證成樁質(zhì)量。

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

3 MJS工法樁應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)

為了最大限度地發(fā)揮MJS工法的作用,降低止水成本,并獲得工藝參數(shù),在瀕臨接收井基坑場(chǎng)地布置了兩組MJS工法樁進(jìn)行工藝適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)：1)φ2 000@500 mm,φ1 500@450 mm(見(jiàn)圖3);2)長(zhǎng)度為場(chǎng)地面至超過(guò)基坑底12 m,即標(biāo)高34.81 m～95.56 m,單根樁長(zhǎng)60.75 m,總長(zhǎng)243 m;3)水泥摻量35%,水灰質(zhì)量比1∶1。

在淤泥發(fā)育的地層中應(yīng)用MJS工法時(shí),需反復(fù)下放、拆接套管以保證孔壁的穩(wěn)定性,因此,降低了施工工效。鑒于場(chǎng)地地層中不發(fā)育淤泥,為提高施工工效,對(duì)MJS工法的工藝流程進(jìn)行了改進(jìn),去除了套管下放、拆接,用PVC管代替套管,改進(jìn)后的工藝流程如圖4所示。實(shí)施時(shí),采用BHD-210鉆機(jī)在泥漿護(hù)壁條件下引孔,然后用SJL-120MJS工法樁機(jī)。

28 d后,按圖3所示的取芯孔位置進(jìn)行取芯(見(jiàn)圖5),通過(guò)巖芯強(qiáng)度、滲透試驗(yàn),得到固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)皆達(dá)到設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明用MJS工法,水泥漿到達(dá)了搭接部位,φ2 000@500 mm,φ1 500@450 mm工法樁皆能滿足設(shè)計(jì)要求。

按照經(jīng)濟(jì)有效的原則,選擇φ2 000@500 mm MJS工法樁進(jìn)行接收井基坑底止水,以減少樁數(shù),降低止水成本,施工參數(shù)如表2所示。

表2 基坑底止水MJS工法樁工藝參數(shù)表

3.2 應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)結(jié)果,采用φ2 000@500 mm MJS工法樁進(jìn)行止水樁布置(見(jiàn)圖6),共167根MJS工法樁,單根長(zhǎng)度10 m,標(biāo)高為36.81 m～46.81 m,總長(zhǎng)度為1 670 m,平面范圍為基坑范圍外延至地下連續(xù)墻外邊線2 m,施工中參數(shù)如圖7所示。

MJS工法樁施工結(jié)束后,基坑內(nèi)土方開(kāi)挖至基坑底時(shí),未發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖面涌水,僅發(fā)現(xiàn)局部滲水,用泵正常抽吸即可,不影響基坑內(nèi)底板施工,說(shuō)明用MJS工法樁止水是有效的。

4 結(jié)論

關(guān)于瀕臨河流、巨厚砂層中、止水深度超過(guò)40 m的地層止水工藝,MJS工法是設(shè)計(jì)人員可以?xún)?yōu)先考慮的工藝,MJS工法樁具有經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)勢(shì),其設(shè)計(jì)參數(shù)建議為φ2 000@500 mm,操作要點(diǎn)如下：

1)引孔深度超過(guò)MJS工法樁設(shè)計(jì)深度2 m。

2)引孔時(shí)使用PVC管,可以消除孔壁坍塌,保持孔壁穩(wěn)定性,防止鉆桿被埋,然后利用MJS工法樁機(jī)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(shí)間間隔不能超過(guò)24 h。