懸掛式阻水帷幕地下水控制方法探討
——以北京地鐵8號線永定門外站為例

張志林，馬 濤，王秀麗，劉思源

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

懸掛式阻水帷幕地下水控制方法探討
——以北京地鐵8號線永定門外站為例

張志林，馬 濤，王秀麗，劉思源

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

摘 要：以北京地鐵8號線永定門外站為例，提出懸掛式帷幕阻水條件下基坑排水量計算方法以及懸掛式帷幕阻水中存在的問題。介紹了3種結(jié)合懸掛式帷幕采取的封底阻水措施，即水下灌注混凝土封底，深孔注漿封底以及超高壓旋噴樁封底，并分別探討了其優(yōu)缺點。提出了懸掛式帷幕阻水結(jié)合基坑底部封底阻水的最佳建議方案，以達到有效節(jié)約地下水資源、降低工程施工難度和工程造價之目的。

關鍵詞：懸掛式帷幕；封底阻水；地下連續(xù)墻；地下水控制

0　引言

隨著地下工程越來越深，水文地質(zhì)條件更為復雜，加之城市對地下水資源管理越來越嚴格，因此，對地下工程施工過程中的地下水控制要求越來越高。一方面要保證地下工程順利實施，另一方面要求盡量減少抽排地下水，以避免造成地下水資源浪費以及市政管道排水壓力，另外還要求降低工程造價。面對這些問題，在北京市2014年10月頒發(fā)的《城市建設工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》（DB11/1115-2014）中提出了“落底式帷幕”和“懸掛式帷幕”阻水措施，“落底式帷幕”阻水已有較為成熟的理論和施工措施，對于“懸掛式帷幕”阻水，還有很多值得探討的問題。本文以北京地鐵8號線永定門外站為例，就懸掛式帷幕阻水條件下的基坑排水量計算，結(jié)合懸掛式帷幕的3種基坑底部封底阻水方法以及其不同的優(yōu)缺點進行了探討，并提出建議方案。

1　永定門外站基本情況

1.1 車站基本情況

永定門外站為北京地鐵8號線三期與14號線的換乘站，位于永定門外大街與京滬鐵路的立交路口南部，永定

門外大街沙子口路口北部。車站為地下四層三跨框架結(jié)構(gòu)。車站總長139.2m，標準段寬度為24.7m，軌面埋深約29.7m，基坑最大深度約35m。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工。

1.2 場區(qū)地層及地下水情況

人工堆積層：

雜填土①層：雜色，松-稍密，稍濕，含磚塊、灰渣、水泥塊、碎石等，局部夾粉土薄層，路上鉆孔約有20cm瀝青路面；

粉土填土①2層：褐黃色，松-稍密，稍濕-濕，含云母、氧化鐵、磚塊、灰渣和植物根等；

人工填土層連續(xù)分布，厚度為1.1～6.2m，層底標高為40.10～33.65m。

一般第四紀沖洪積層：

粉土③2層：褐黃色，中密-密實，稍濕-濕，壓縮模量平均值=8.5MPa，=10.0MPa，含云母和氧化鐵等，局部夾粉質(zhì)粘土薄層；

粉細砂③3層：褐黃色，中密-密實，濕-飽和，標貫擊數(shù)平均值為25，局部夾粉質(zhì)粘土、粉土薄層。

粉土④2層：褐黃色，中密-密實，稍濕-濕，壓縮模量平均值=12.7MPa，=13.8MPa，含云母和氧化鐵等，局部夾粉質(zhì)粘土薄層；

粉細砂④3層：褐黃色，中密-密實，濕，標貫擊數(shù)平均值為43，局部夾粘性土、粉土薄層；

卵石⑤層：雜色，密實，濕-飽和，重型動力觸探數(shù)平均值為85，局部夾粘性土，中粗砂填充約35%；

粉細砂⑤3層：褐黃色，密實，濕-飽和，標貫擊數(shù)平均值為46，局部夾粘性土、粉土薄層；

卵石⑦層：雜色，密實，飽和，重型動力觸探數(shù)平均值為115，中粗砂充填約30%～35%；

粉細砂⑦3層：褐黃色，密實，飽和，局部為中粗砂，夾粘性土、粉土薄層；

卵石⑨層：雜色，密實，飽和，重型動力觸探數(shù)平均值為136，中粗砂充填約30%～35%；

粉細砂⑨3層：褐黃色，密實，飽和，局部夾粘性土、粉土薄層。

上層滯水（一）：該層地下水本次勘察施工鉆孔未能測得，根據(jù)場區(qū)地層情況及往年勘察資料，該層地下水局部地段可能存在。主要含水層為粉土③2層及局部填土層，其分布不連續(xù)，透水性較差，主要接受大氣降水、綠化灌溉等垂直補給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、向下越流補給的方式排泄。

潛水（二）：含水層巖性主要為粉細砂③3、粉土④2層，該層地下水分布不連續(xù)，在本次勘察范圍內(nèi)未能測得，主要接受側(cè)向徑流及越流補給，以側(cè)向徑流方式排泄。

表1　基坑涌水量計算結(jié)果

層間潛水（三）：含水層巖性為卵石⑤層、卵石⑦層、粉細砂⑦3層及卵石⑨層，水位標高為16.55～17.64m，水位埋深為23.2～23.7m，觀測時間為2013年09月。主要接受側(cè)向徑流及越流補給，以側(cè)向徑流和人工開采的方式排泄。

永定門外站縱剖面與場區(qū)地層情況見圖1。

圖1　 永定門外站縱剖面與場區(qū)地層情況

2　常規(guī)基坑降水支護方法及存在的問題

2.1 常規(guī)基坑降水支護設計

根據(jù)永定門外站的地面環(huán)境及地質(zhì)條件，基坑可以按常規(guī)的方法進行降水和基坑支護，即在基坑外側(cè)布置降水井，要求將地下水降至結(jié)構(gòu)底板以下0.5m。設計時對卵石⑦層采取潛水完整井模型計算，對卵石⑨層采用承壓-潛水非完整井模型計算，計算結(jié)果見表1。

車站主體圍護結(jié)構(gòu)擴大段采用φ1000@1200鉆孔灌注樁，標準段采用φ1000@1500鉆孔灌注樁，嵌固深度10～11m，豎向共設置六道鋼支撐+兩道換撐。

2.2 存在的問題

以上常規(guī)降水支護方案存在以下問題：

①排水量太大，造成地下水資源嚴重浪費，對于北京這種嚴重缺水城市是不允許這樣浪費地下水資源，專項方案審查不能通過；

②周邊排水管線能力不能滿足如此大的排水量，若專為本基坑排水埋設地下管線，其費用很高且工期很長；

③降水耗電費用很高，對照過去類似條件下的降排水費用，預計降水費用要超過6000萬元；

④根據(jù)場區(qū)水文地質(zhì)條件分析，卵石⑨層滲透性非常好，且為承壓含水層，若基坑降水期間出現(xiàn)停電，地下水位上升速度很快，很容易造成工程事故。

3 懸掛式帷幕阻水方案及存在問題

3.1 懸掛式帷幕阻水方案

將基坑支護方案改為地下連續(xù)墻，由于卵石⑨層的底板很深，在本次勘察中沒有揭穿，引用附近的地質(zhì)資料，可將該含水層底板標高定在-22.8m，在這種條件下，地下連續(xù)墻的深度要達到卵石⑨層的底板形成完整阻水結(jié)構(gòu)，其深度需大于60m，這樣不僅工程造價太高，施工難度大，而且連續(xù)墻的搭接精度也難以保證，在這種條件下提出采用懸掛式帷幕阻水方案。

懸掛式帷幕阻水是和基坑圍護結(jié)構(gòu)為一體，利用地下連續(xù)墻來實現(xiàn)，只是連續(xù)墻的深度未到含水層底板。

標準段：頂板覆土3.9m，連續(xù)墻厚度0.8m，地連墻深約36.014m；地連墻嵌固深度7m，插入比約為0.19；支撐第一道采用混凝土支撐，其余五道為鋼支撐，加兩道換撐；第一道撐水平間隔約9m；第二～六道撐水平間隔約3m。

擴大段：頂板覆土3.9m；地連墻厚度0.8m；地連墻深約37.553m；地連墻嵌固深度8m，插入比約為0.21 ；支撐第一道采用混凝土撐，其余五道為鋼支撐，加兩道換撐；第一道撐水平間隔約6m；第二～六道撐水平間隔約3m。

3.2 阻力系數(shù)改進法計算排水量

當采用上述懸掛式帷幕阻水方案，在外部不采用任何減壓措施條件下，我們借鑒船閘工程廣泛采用的處理板樁滲流問題的阻力系數(shù)改進法，通過滲流計算來確定保證基坑順利開挖的坑內(nèi)排水量。

阻力系數(shù)法公式如下：

式中：hi——各段水頭損失；

H——總水頭損失；

k——含水層滲透系數(shù)；

ξi—— 第i段阻力系數(shù)。

繞過止水帷幕底端滲入基坑的單寬流量為：

式中：k——含水層滲透系數(shù)（dm/）

H——總水頭損失（m）

Li、iq分別為第i段止水帷幕的長度和繞過止水帷幕底端滲入基坑的單寬流量。

經(jīng)過計算，基坑總涌水量為12.47萬m3。

3.3 數(shù)值法計算排水量

利用Visual MODFLOW 2011.1版本，模型如圖2。

圖2　 懸掛式帷幕數(shù)值模型三維圖

經(jīng)過模型計算，基坑涌水量約13.4萬m3。

3.4 懸掛式帷幕阻水方案中存在的問題

通過計算分析，利用地下連續(xù)墻形成的懸掛式帷幕阻水，必須結(jié)合坑內(nèi)降水井控制連續(xù)墻底部繞流，將地下水控制在基坑底以下0.5m，在永定門外站這種地質(zhì)條件下的排水量仍然很大，并沒有達到減少地下水資源浪費之目的，排水管道仍不能滿足排水量要求，且降水井的數(shù)量很多，對結(jié)構(gòu)施工影響很大。

為此，我們應進一步考慮如何既能減少地下水排放量，又能保證基坑安全施工，工程造價又合理的方案，即在基坑底以下考慮封底阻水措施。

4　基坑底以下封底阻水思路

4.1 水下灌注混凝土封底阻水

可考慮在設計基礎底標高以下挖出一定厚度的土方量，然后采用水下灌注混凝土至基坑底標高，與連續(xù)墻形成一個整體，以達到完全堵水之目的（如圖3）。

圖3　 地下連續(xù)墻與水下灌注混凝土封底阻水示意圖

采用這種方式進行基坑封底阻水，要注意以下幾個問題：

①混凝土厚度需經(jīng)過驗算，要求滿足基坑抗突涌要求；

②由于水下灌注面積太大，不易形成一個混凝土整體，因此需分塊開挖，分塊灌注，當開挖深度較大時，還需進行分塊地下連續(xù)墻支護；

③每一塊混凝土灌注區(qū)，必須確保開挖底面的平整性以及灌注混凝土厚度的均勻性；

④周邊連續(xù)墻設計深度應按基坑開挖深度加混凝土灌注厚度考慮；

⑤按水下灌注混凝的技術(shù)要求，一次性灌注所需方量較大，因此需保證混凝土來源充足。

4.2 在基坑內(nèi)深孔注漿封底阻水

在基坑底以下一定深度范圍內(nèi)采用深孔注漿，利用漿液充填地層顆粒間的空隙，與地層顆粒形成膠結(jié)體，改變原地層的滲透性，使原地層滲透系數(shù)減小3～4個數(shù)量級，這樣就將基坑內(nèi)的卵石⑨層被人為分為兩層，注漿體以下的含水層雖然具有很高的承壓性，但只能以越流的形式補給基礎底以下含水層，這樣大大減少了基坑排水量（見圖4）。

圖4　 地下連續(xù)墻與深孔注漿/高壓旋噴樁封底阻水示意圖

采用這種方式進行基坑封底阻水，要注意以下幾個問題：

①注漿體厚度加上基坑底至注漿體頂部的土層厚度，要滿足基坑抗突涌驗算要求；

②注漿施工可在基坑開挖至地下水位附近時開始，以減少注漿孔空鉆量、提高鉆孔成孔精度以及提高工效；

③注漿體形成應在地下連續(xù)墻深度以上，基坑底以下5m左右，留出的含水層作為基坑底以下地下水控制的“緩沖帶”，使坑內(nèi)降水井保持有效的過濾器長度，用以調(diào)節(jié)抽水量。

④可采用WSS注漿工法，漿液按卵石層止水配制，控制漿液擴散范圍，通過試驗確定漿液配比；

⑤要注意注漿孔的布置間距，太近造成浪費，太遠會造成注漿體搭接不好，影響封底阻水效果。

4.3 超高壓旋噴封底阻水

在基坑底以下一定深度范圍內(nèi)采取高壓旋噴（壓力應超過常規(guī)的20MPa），利用旋噴樁體之間的咬合來達到封底阻水目的。這種方法在上海星港國際中心項目已成功利用，在該項目中利用高壓旋噴樁在粉細砂地層封底阻水，控制住30m高的承壓水頭，封底阻水面積約2000m2，根據(jù)據(jù)現(xiàn)場資料，旋噴體強度達7Ma以上，滲透系數(shù)達到10-7cm/s。該方法與深孔注漿阻水方法相同，也是將含水層通過旋噴樁體分為兩層，旋噴樁體以下的含水層雖然具有很高的承壓性，也只能以越流的形式補給基礎底以下含水層，這樣大大減少了基坑排水量（見圖4）。

選用這種方法進行基坑封底阻水時，應注意以下幾個問題：

①旋噴樁體厚度加上基坑底至旋噴樁體頂部的土層厚度，要滿足基坑抗突涌驗算要求；

②旋噴樁施工可在基坑開挖至地下水位附近時開始，以減少引孔空鉆量、提高引孔成孔精度以及提高工效；

③旋噴樁體形成應在地下連續(xù)墻深度以上，基坑底以下5m左右，留出的含水層作為基坑底以下地下水控制的“緩沖帶”；

④可采用超高壓的RJP工法，壓力達到40MPa，這樣可以增加旋噴樁體直徑和咬合精度，減少旋噴樁數(shù)量，降低工程造價；

⑤旋噴的漿液制作也可按卵石層止水的目的進行配制，除水泥漿以外，還可加入有利于止水的其它漿液。

4.4 三種封底阻水方法優(yōu)缺點比較

通過以上介紹，3種封底阻水方法都能達到目的，但從工程造價，施工的難易程度，施工質(zhì)量控制以及工期進度等各方面來比較，都存在不同程度的問題。

⑴水下混凝土灌注封底阻水存在的問題

①由于要在基底以下挖出一定厚度的土層，減少了基坑的被動土壓力，連續(xù)墻的厚度和嵌固深度可能要增加；

②由于基坑面積較大，需要分塊灌注，需要在基坑內(nèi)建分塊連續(xù)墻；

③由于基坑加深，建筑物基礎埋深加大，可能會引發(fā)抗浮問題，為此需施工抗浮樁或加重混凝土；

④基坑加深后，減少了承壓水頭以上的土層厚度，可能會引發(fā)基坑底突涌，破壞地基土的承載力，為此可能需在基坑外圍設置減壓井；

⑤混凝土灌注時需控制底部和頂部平整，在水下操作難度較大。

⑥若出現(xiàn)連續(xù)墻搭接（周邊和坑內(nèi)）不好，或是混凝土灌注時缺陷造成基坑底滲水，只能采取靶向注漿方式解決。

以上是采用水下灌注凝混土封底阻水時將要面對的問題，需權(quán)衡采用以上措施時所增加的費用，總體來說操作是可行的，封底阻水效果應該很好，但施工難度較大，工期也較長，附加的費用也較高，為了防止突涌，減壓排水量也很大，預計每天約幾萬方排水量。

⑵基坑底以下深孔注漿封底阻水存在的問題

①深孔注漿擴散范圍不易控制，尤其是在大厚卵石地層；

②注漿結(jié)石體的滲透性不易控制，尤其是在一個較大面積的基坑內(nèi)，極易造成非均質(zhì)各向異性，且差異較大；

③深孔注漿封底阻水的效果可以通過在基坑內(nèi)部進行富水性試驗來檢驗，但出水點不易檢查，若有太多的出水點，處理起來很麻煩；

④砂卵石地層注漿量估算難度較大，注漿成本估算出入較大。

總體來說，深孔注漿封底阻水從施工方面比水下灌注混凝土要簡單，所引發(fā)的其他問題也不多，其主要問題是注漿阻水質(zhì)量控制難度較大，若有少量滲漏，可以通過基坑底和注漿體之間的幾米“緩沖帶”解決，若有大量漏點存在，在“緩沖帶”抽出的水達到每天幾萬方，則我們上述的整體目標就沒實現(xiàn)。

⑶基坑底以下超高壓旋噴封底阻水存在的問題

①在粒徑較大的卵石地層，確保旋噴樁體直徑比較困難，根據(jù)以往試驗資料，在大直徑卵石地層，旋噴樁體的強度和滲透性比較理想，但由于設備控制參數(shù)的原因使旋噴樁體直徑保證率達不到100%；

②超高壓（RJP工法）旋噴樁施工速度較慢，若不能保證有足夠的設備，將嚴重影響工程整體進度；

③砂卵石地層高壓旋噴注漿量估算難度較大，成本估算出入較大；

④高壓懸噴樁封底阻水效果可通過基坑內(nèi)進行富水性試驗來檢驗，但若出現(xiàn)大量旋噴樁咬和不好情況，還必須采用其它方法處理。

總體來說，和深孔注漿封底阻水一樣，從施工方面比水下灌注混凝土要簡單，所引發(fā)的其他問題也不多，但若保證不了成樁直徑，就無法保證樁之間的咬合，也就無法保證封底阻水效果。若出現(xiàn)少量的咬合不好問題，還可以通過“緩沖帶”來抽水解決，但若出現(xiàn)大量滲水，必須通過靶向注漿來解決，因為旋噴樁布樁和成樁有一定的規(guī)律性，即使出現(xiàn)咬合不好，但結(jié)石體的排列也有一定的規(guī)律，可通過高密度電法形成三維影像圖，可以找出咬合不好的部位，再通過注漿予以彌補。

5　結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

①以北京地鐵8號線永定門外站為例，類似條件下若僅以懸掛式帷幕阻水，其基坑排水量也是很大的，為了節(jié)約寶貴的地下水資源，采用懸掛式帷幕配合基坑底封底阻水措施是必要的。

②水下灌注混凝土、深孔注漿、超高壓旋噴3種方法，從理論來說均能達到基坑底封堵地下水的效果，只是各有其優(yōu)缺點。

③從封底阻水施工質(zhì)量控制上來看，水下灌注混凝土保證率要高一點，但所帶來附加問題很多，將嚴重影響工程進度和工程造價，并且坑外減壓排水量可能也很大。

④深孔注漿和高壓旋噴封底阻水，施工難度和施工進度方面相對較好，附帶的問題也少，但在大粒徑卵石地層中施工質(zhì)量控制較為困難，通過富水性試驗可以判斷封底阻水效果。

⑤當封底阻水效果不好時，水下灌注混凝土和超高壓旋噴封底阻水方法可以通過靶向注漿來彌補，注漿封底阻水由于其漿擴散受地層影響很大，漏水點分布無規(guī)律可循，因此只能采用“緩沖帶”抽水來解決。“緩沖帶”抽水也適用于高壓旋噴樁封底漏水問題。

⑥無論是哪種方法封底阻水，若為了保證基坑開挖和基礎施工所采取的排水措施，其排水量仍保持在每天萬方以上，則認為本基坑阻水不成功。

5.2 建議

通過以上3種封底阻水方法的優(yōu)缺點比較，筆者認為超高壓旋噴樁封底阻水為最佳選擇，理由如下：

①施工難度小，進度可根據(jù)設備數(shù)量來調(diào)整；

②施工質(zhì)量可以通過高密度電法進行檢測，而其它2種方法無法檢測，檢測出漏水點后可以采取彌補措施，而利用“緩沖帶”抽水也可以彌補封底效果“稍差”的情況，即無論如何都能處理，無須坑外任何輔助降水措施；

③可在旋噴樁直徑上充分留有余地，在控制工程成本的基礎上，可采取大徑設計小徑施工，以提高成樁直徑的保證率；

④正式施工前可在卵石含水層中進行試驗，采用高密度電法檢測和取芯對照分析，既確定了旋噴樁的直徑保證率（在咬合部位取芯）、樁體強度、滲透系數(shù)，又確定了高密度電法檢測的有效性。

6　結(jié)語

截止本文發(fā)稿時，北京地鐵8號線永定門外站仍沒有確定選擇什么方案施工，但已確定選用地下連續(xù)墻作為支護和懸掛式帷幕阻水，筆者認為在北京地區(qū)這樣的地質(zhì)條件下選擇懸掛式帷幕阻水是大膽的創(chuàng)舉，也是首創(chuàng)，一些個人觀點提出探討，供大家參考。

參考文獻

［1］ 建設部.建筑地基基礎設計規(guī)范（GB 50007-2011）.

［2］ 城市建設工程地下水控制技術(shù)規(guī)范（DB11/1115-2014）.

［3］ 閏瑞明等.有懸掛式止水帷幕基坑降水中的幾個問題的探討.GEOTECHNICAL ENGINEERING WORLD ，VOL7，Supplemet.

中圖分類號：TV543

文獻標識碼：A

文章編號：1007-1903（2015）02-0061-06

Discussion on the Method about Groundwater Control with the Deaden Water Purdah above aquifer baseboard—Taking the Beijing Metro Line 8 YongDingMenWai Station as an example

ZHANG Zhilin，MA Tao，WANG Xiuli，LIU Siyuan

（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering，Beijing 100048）

Abstract:Taking the Beijing Metro Line 8 Yongding outside as an example， the calculation method of the foundation pit drainage quantity under the suspension type water stop curtain and the problems in the suspended water curtain stop water are put forward. Discuss the advantages and disadvantages of three kinds of pit bottom measures， namely， underwater concrete grouting and sealing， deep hole grouting and deep ultra high pressure rotary spraying how to improve the permeability of bottom layer of foundation pit in order to achieve the purpose of ‘back cover”. Putting forward the best suggestion of the suspension type curtain stop water combined with foundation pit bottom treatment， in order to achieve the purpose of saving groundwater resources， reducing the diffi culty of construction and engineering construction cost.

Keywords:deaden water purdah above aquifer baseboard；back cover deaden water；underground diaphragm wall；groundwater control