超深基坑內(nèi)⑨層井廢井封井方法研究

韓 澤 亮

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002)

1 工程概況及背景

1.1 工程概況

硬X射線(xiàn)自由電子激光裝置是我國(guó)“十三·五”規(guī)劃重點(diǎn)科技項(xiàng)目，它是目前世界上最為先進(jìn)的X射線(xiàn)光源，它將覆蓋整個(gè)X射線(xiàn)波段，可以支撐十幾條世界一流的光束線(xiàn)和數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)終端，為物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域，提供最新一代的大科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和前所未有的研究手段，它的出現(xiàn)將會(huì)推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)全新的階段。項(xiàng)目位于上海軟土地區(qū)，其中一號(hào)工作井基坑呈類(lèi)矩形，最大開(kāi)挖深度達(dá)到40.6 m，開(kāi)挖過(guò)程中需降⑨層承壓水，坑內(nèi)布置了⑨層降壓井和⑨層觀(guān)測(cè)井(見(jiàn)圖1)。

1.2 地質(zhì)水文條件

本工程區(qū)域基本為上海市正常沉積地層，分布有①1層為人工填土；②層為褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土；③層為灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土；④層為灰色淤泥質(zhì)黏土；⑤1層為灰色黏土；第⑥層暗綠～草黃色黏性土，下部分別為⑦1層砂質(zhì)粉土和⑦2層粉細(xì)砂；⑧21層灰色粉質(zhì)黏土與粉砂互層；⑨層為青灰色粉細(xì)砂；層為青灰色粉細(xì)砂；各土層基本以水平狀沉積為主，分布穩(wěn)定，層面起伏較小。

一號(hào)井場(chǎng)地區(qū)域有第Ⅰ承壓含水層(⑦1,⑦2層)，第Ⅱ承壓含水層(⑨層)，第Ⅲ承壓含水層(層)。第Ⅰ承壓含水層頂板標(biāo)高為-23.17 m～-40.22 m，水位埋深為標(biāo)高-1.40 m～-2.64 m，第Ⅱ承壓含水層第⑨層(局部為第⑧22層)頂板標(biāo)高為-61.98 m～-77.01 m，水位埋深為標(biāo)高-4.78 m～-7.04 m。

1.3 事件經(jīng)過(guò)

2019年6月，一號(hào)工作井在正式開(kāi)挖前進(jìn)行了第一階段⑨層承壓水抽水試驗(yàn)。期間一口編號(hào)為1Y9-2的降水井發(fā)生水泵掉落事故，撈出水泵后繼續(xù)試驗(yàn)。

按照試驗(yàn)程序開(kāi)啟1Y9-2降壓井(見(jiàn)圖1)，后發(fā)現(xiàn)水質(zhì)較渾濁，大約2 min后發(fā)現(xiàn)井口出砂(見(jiàn)圖2)，立即停止抽水。檢查發(fā)現(xiàn)地面軟管中砂土沉淀較多，經(jīng)與土層展示柜土層樣品比較，確認(rèn)沉淀砂土為⑨層砂。水泵拔出后，測(cè)量井管深度為77 m，與設(shè)計(jì)井深83 m相比，井管內(nèi)沉積物高度約為6 m。判斷可能原因?yàn)椋褐暗袈涞乃脤⒕艿自覊?見(jiàn)圖3)，水泵成功打撈后，測(cè)試井管深度正常，但在開(kāi)始大量抽?、釋铀畷r(shí)，水流將⑨層土從破壞的井管底部帶入井管，砂土經(jīng)由泵管抽至地面。

考慮到該⑨層井位于基坑內(nèi)，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中該井存在成為⑨層承壓水的滲漏通道的可能，因此必須進(jìn)行妥善的處理。

2 坑內(nèi)廢井處理方案比選

根據(jù)以往的拔樁、清障經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出3種可行性方案進(jìn)行比選：

方案一：全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)清障拔井后封閉鉆孔；

方案二：沖孔灌注樁機(jī)清障后封閉鉆孔；

方案三：保留井管，井管外側(cè)MJS封堵，井內(nèi)灌注混凝土及注漿封堵。

方案一：全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)清障拔井后封閉鉆孔。

采用φ1 200 mm全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，利用套管的自重力、夾持機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)力和夾持機(jī)構(gòu)壓力的復(fù)合作用下逐步增大第一節(jié)套管鉆頭負(fù)荷，開(kāi)始回轉(zhuǎn)切削，然后用落錘抓斗抓去套管內(nèi)井管。拔井后的鉆孔采用水泥土回填至地面，同時(shí)為防止⑨層承壓水沿鉆孔突涌，采用MJS工法對(duì)地下40 m～70 m范圍(坑底至⑧層底)的鉆孔進(jìn)行旋噴加固。

方案二：沖孔灌注樁機(jī)清障后封閉鉆孔。

沖孔灌注樁機(jī)利用機(jī)械將沖錘提升到適當(dāng)高度，利用沖錘自由下落產(chǎn)生的沖擊力將井管從地面沖擊至地面以下約70 m(⑧層以下)，之后采用水泥土將鉆孔回填至地面。

方案三：保留井管，井管外側(cè)MJS封堵，井內(nèi)灌注混凝土并注漿。

由于井管出過(guò)砂，井管外回填料的結(jié)構(gòu)形式很可能發(fā)生破壞，為防止基坑開(kāi)挖過(guò)程中，⑨層承壓水沿著井管壁涌出，采用MJS工法對(duì)井管外側(cè)40 m～70 m進(jìn)行旋噴封堵。井管內(nèi)采用細(xì)石混凝土二次回填，并在井管濾管段附近采用注漿管進(jìn)行注漿處理。

方案比選：

1)方案一成本最高、工期最長(zhǎng)；

2)方案二尚無(wú)處理如此深度井管的先例，且存在井管被沖擊偏位或折斷后難以處置的問(wèn)題；

3)方案三對(duì)井管內(nèi)、外分別封堵，在進(jìn)行底板墊層澆筑之前割除底板以上井管，工藝成熟穩(wěn)定，工期短、成本低。

綜上比較，選擇方案三作為廢井的最終處理方案。

3 方案實(shí)施

3.1 井外處理

3.1.1MJS設(shè)計(jì)施工方案

本工程⑨層降壓井成孔直徑為850 mm，井管直徑為325 mm。井管與孔之間回填依次采用中粗砂回填8 m；黏土球回填12 m；混凝土回填24 m；最后用黏性土回填至地面。井管周?chē)临|(zhì)較差，為防止⑨層承壓水沿井管突涌，故采用MJS工法對(duì)井周?chē)馏w進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)MJS樁徑為2 m；旋噴深度為40 m～70 m；旋噴范圍為90°擺噴。以廢井為重心，邊長(zhǎng)為2 m布置等腰三角形，以三角形的三個(gè)頂點(diǎn)為本次MJS施工的三個(gè)中心。保證MJS將井孔周?chē)馏w完全加固(見(jiàn)圖4)。

3.1.2MJS質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)由于MJS旋噴深度達(dá)到70 m對(duì)預(yù)成孔的垂直度要求很高(垂直度不大于1/200)。根據(jù)成孔垂直度的要求選用XY-42A型成孔鉆機(jī)進(jìn)行引孔施工，并在成孔過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注成孔垂直度，成孔后用成孔垂直度檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)待垂直度滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行下步工序的施工(如圖5所示)。

2)根據(jù)勘測(cè)資料顯示，本工程砂層自穩(wěn)定性較差，容易塌孔，因此預(yù)成孔結(jié)束后，清孔，進(jìn)行PVC管安裝，管直徑200 mm,單節(jié)長(zhǎng)度4 m，安裝深度自地面以下40 m，更好的保護(hù)孔壁穩(wěn)定性。

3)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的水灰比1∶1制備水泥漿液,水泥漿液要在噴漿前制備好,保證水泥漿液的攪拌充分且不得過(guò)度攪拌。噴漿過(guò)程中加強(qiáng)漿液比重檢測(cè),控制泥漿比重為(1.5±0.02)g/cm3。

4)噴漿及供漿。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定前臺(tái)主機(jī)各項(xiàng)運(yùn)作參數(shù),每步距為2.5 cm,每步距提升時(shí)間15 s(擺噴90°),鉆桿旋轉(zhuǎn)速度為3 rpm/min～4 rpm/min，噴漿壓力不小于40 MPa,噴漿流量85 L/min～100 L/min[1]。

3.2 井內(nèi)封堵

3.2.1封井流程

1)井內(nèi)安裝兩根注漿管，注漿管插入深度為80 m；

2)采用導(dǎo)管進(jìn)行水下細(xì)石微膨脹混凝土第一次澆筑；

3)混凝土凝固后井內(nèi)放置水泵將上部余水抽干；

4)采用細(xì)石微膨脹混凝土進(jìn)行二次澆筑(見(jiàn)圖6)；

5)混凝土澆筑7 d后進(jìn)行注漿；

6)基坑開(kāi)挖過(guò)程中保留井管，基坑開(kāi)挖至底后割除坑底以上多余井管；

7)井口焊接止水鋼板封閉。

3.2.2井內(nèi)兩側(cè)埋設(shè)注漿管

本工程井管的濾水管為橋式濾水管，水下混凝土與橋式濾水管結(jié)合面會(huì)因混凝土骨料而結(jié)合不密實(shí)；或混凝土在進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)收縮產(chǎn)生接縫。因此埋設(shè)注漿管是用于混凝土與井管濾水管施工縫的永久密封，注漿管直徑為3 cm。

在放置注漿管時(shí)，兩個(gè)注漿管緊貼井管管壁對(duì)稱(chēng)布置(見(jiàn)圖7)，由于井管內(nèi)徑較小(325 mm)，防止采用鋼筋環(huán)箍固定注漿管時(shí)卡住混凝土導(dǎo)管，因此采用人工貼邊下注漿管。注漿管連接處采用綁膠條包住注漿管連接環(huán)箍，保證注漿管連接質(zhì)量的同時(shí)防止卡導(dǎo)管。

注漿管下放到位后立即下混凝土導(dǎo)管，導(dǎo)管直徑為10 cm，下放過(guò)程中時(shí)刻注意注漿管是否異常，如有異常，及時(shí)拔出導(dǎo)管進(jìn)行處理。

在混凝土澆筑7 d之后，首先對(duì)任意一根注漿管進(jìn)行注漿，注漿壓力為2 MPa，另一根注漿管留置備用。在對(duì)井管進(jìn)行拆除之前首先將井管在底板處鑿一洞口，觀(guān)察洞口處是否持續(xù)有水流溢出。如果洞口處持續(xù)有水流溢出，對(duì)另一根注漿管進(jìn)行注漿，如洞口處沒(méi)有水流溢出可直接割除井管[2]。

3.2.3井管內(nèi)采用細(xì)石混凝土二次回填

考慮到導(dǎo)管直徑過(guò)小，選擇混凝土標(biāo)號(hào)為C25。坍落度選擇(220±20)mm的細(xì)石微膨脹混凝土，避免由于混凝土坍落度過(guò)小而發(fā)生堵管情況?？紤]到混凝土達(dá)到強(qiáng)度的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮變形，本工程中的⑨層井封堵采用二次回填澆筑的方法，根據(jù)⑨層承壓水抗突涌穩(wěn)定驗(yàn)算(安全系數(shù)取1.05)，第一次使用水下細(xì)石微膨脹混凝土通過(guò)導(dǎo)管回填至深度為55 m；澆筑完成后實(shí)測(cè)井管內(nèi)混凝土澆筑高度。待初次澆筑混凝土凝固后放置水泵將上部余水抽干，再次回填細(xì)石微膨脹混凝土至距地面為40 m。待混凝土與澆筑7 d后通過(guò)注漿管注漿，保證井管的永久密封[3]。

3.2.4井口焊接止水鋼板

在基坑開(kāi)挖完成后將底板墊層以上的井管割除，觀(guān)測(cè)井內(nèi)第二次回填面上是否存在滲水，如存在持續(xù)滲水再次向井內(nèi)澆筑水下細(xì)石微膨脹混凝土至底板墊層底20 mm，然后在井管口焊接10 mm厚止水鋼板；如未存在持續(xù)滲水即可直接在井管口焊接10 mm厚止水鋼板進(jìn)行后續(xù)施工(見(jiàn)圖8)。

4 總結(jié)分析

1)MJS工法加固深度深，能滿(mǎn)足⑨層井的處理深度要求；垂直度控制好；水泥漿噴射壓力大，對(duì)井管的包裹性好；能夠定向擺噴，對(duì)井管附近土體加固的同時(shí)對(duì)外圍原狀土體的擾動(dòng)小，同時(shí)節(jié)約水泥，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2)井內(nèi)灌注細(xì)石混凝土并注漿屬于常規(guī)工藝且無(wú)需大型設(shè)備，施工簡(jiǎn)單占用場(chǎng)地少；兩根注漿管一注一備，有兜底措施的同時(shí)也保證了安全性(備用注漿管無(wú)需使用時(shí)灌注水泥漿即可)。

3)井外MJS加固、井內(nèi)灌注細(xì)石混凝土并注漿的工藝整體操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，場(chǎng)地占用少且效果明顯(現(xiàn)場(chǎng)已驗(yàn)證)。該方法對(duì)類(lèi)似的廢樁、勘探孔、無(wú)需拔除的遺落鉆桿等處理問(wèn)題也有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

1)井外MJS加固、井內(nèi)灌注細(xì)石混凝土并注漿的方法在硬X射線(xiàn)自由電子激光裝置項(xiàng)目廢井處理上取得了成功，可供參考，但內(nèi)坑⑨層井封堵事關(guān)基坑開(kāi)挖安全，其他項(xiàng)目需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)制定方案。

2)事后處理或多或少都存在一定的隱患，與其事后補(bǔ)救，不如事前考慮周全，采取有效措施(比如水泵常掛安全繩，防止跌落)來(lái)防止意外發(fā)生，保證降水井本身安全，方為上策。