強風化粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑圍堰滲流分析及其施工技術(shù)

鞏利軍，常自昌，王 軍，張衛(wèi)旗

（甘肅省長城建設(shè)集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著城市區(qū)建筑密集度越來越高，在建項目大多為高層及超高層建筑，其基礎(chǔ)深度越來越深，且在地下水位以下，而集水坑、電梯基坑等對作業(yè)環(huán)境和抗隆起能力要求更高。蘭州市位于濕陷性黃土區(qū)，地質(zhì)分布特殊，在滲流作用下粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑的施工易出現(xiàn)塌方和隆起等現(xiàn)象。于懷昌等［1］通過三軸壓縮試驗研究了飽和粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變與應(yīng)力水平的關(guān)系；張杭生［2］結(jié)合工程案例對軟土地區(qū)深基坑“坑中坑”采取壓力注漿法加固土體，解決了“坑中坑”成形過程中涌水和土體不穩(wěn)定等問題。王保田和陳西安［3，4］模擬了懸掛式防滲墻的防滲效果。王曉燕等［5］研究了懸掛式防滲墻深度對大渡河某水電站圍堰工程防滲功效。通過查閱文獻鮮見對蘭州地區(qū)粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑施工技術(shù)的介紹，為避免坑中坑坑壁塌方和坑底隆起，本文結(jié)合蘭州市城關(guān)區(qū)某小區(qū)基坑施工案例，分析粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑圍堰滲流情況及其施工技術(shù)。

1 工程案例

1.1 工程概況

某工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)，建筑抗震設(shè)防烈度為 8 度，設(shè)計地震基本加速度值為 0.20 g，設(shè)計地震分組為屬第三組，設(shè)計特征周期 0.45 s，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑物場地類別為 Ⅱ 類。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為 50 年。該工程主體為地下 2 層，地上 25 層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下 2 層為庫房、設(shè)備用房，地下 1 層為自行車車庫，地上部分為住宅。建筑高度 96.0 m，總建筑面積 14 356.64 m2?；A(chǔ)為平板式筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為卵石層，依據(jù)該項目地勘報告知，卵石層地基承載力特征值為 500 kPa［6］。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)《××××工程地勘報告》，該場地自上而下地層分布為填土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層、細砂層、卵石層、粉砂質(zhì)泥巖層，其中粉砂質(zhì)泥巖層桔紅色，厚層狀構(gòu)造，泥狀膠結(jié)，碎屑結(jié)構(gòu)，成巖較差，雨水和暴露易風化。其工程地質(zhì)特征如表 1 所示。

1.3 基坑降水及地下水位概況

該施工區(qū)域地下水為孔隙潛水，主要賦存于卵石層中，接受大氣降水和地表徑流的側(cè)向補給，受補給源的影響，水位隨季節(jié)及人工降水的影響，年波動幅度在0.5～1.5 m，地下水埋深 8.4～9.10 m，對應(yīng)的標高為1 508.28～1 508.59 m。在基坑開挖前沿基坑周邊每15 m 設(shè)管井降水點，地下水位標高穩(wěn)定在 1 505.59 m 處，如圖 1 所示。

通過臨近基坑無圍堰坑中坑施工發(fā)現(xiàn)，坑壁易塌方，坑底涌起，如圖 2 所示；為了避免坑中坑壁塌方和坑底涌起，選基坑內(nèi)某電梯集水坑進行有限元分析，以得出適宜的圍堰深度。

圖1 粉砂質(zhì)泥巖分布圖

圖2 無圍堰坑中坑施工

2 不同深度圍堰有限元分析

2.1 有限元模型及參數(shù)

2.1.1 模型參數(shù)

基坑底強風化粉砂質(zhì)泥巖材料屬性：密度 2.36 t/m3，彈性模量 360 kPa，泊松比：0.20，滲透系數(shù) 2×10-8m/s，孔隙比 0.38；素混凝土墻體材料屬性：密度 2.4 t/m3，彈性模量 2×107 kPa，泊松比：0.2。集水坑頂面水壓為30 kPa，集水坑底面水壓為 0 kPa。

2.1.2 計算模型

幾何尺寸：選強風化粉砂質(zhì)泥巖厚度 9 m，寬度為 8.5 m，基坑深度為 1.5 m，基坑底寬 4.0 m，基坑深度1.5 m，基坑坡度 45 度。圍堰寬 0.5 m，深度 2.0 m，坑中坑圍堰平面圖如圖 3 所示。墻體不考慮滲流單元格式選擇為 CPE 4，取其一半進行研究?？又锌拥妆O(jiān)測點 1～監(jiān)測點 5 如圖 4 所示。

表1 工程地質(zhì)特征

圖3 坑中坑圍堰平面圖

圖4 坑中坑圍堰 A-A 剖面圖

2.2 不同深度圍堰總孔隙壓力分析

對基坑粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況進行有限元分析，其中 2.00 m 圍堰總孔隙壓力分布如圖 5 所示，提取五種不同深度圍堰監(jiān)測點 1～監(jiān)測點 5 總孔隙水壓，并進行對比分析如圖 6 所示。

圖5 2.00 m 圍堰總孔隙壓力分布（單位：kPa）

圖6 圍堰不同深度總孔隙水壓對比

分析圖 6 可知，粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰時，在監(jiān)測點 1 處總孔隙水壓力為最大值 4.76×10-44kPa，于監(jiān)測點 2 處，總孔隙水壓力陡降至 8.41×10-45kPa；其余點 3、點 4 和點 5 總孔隙水壓力變化較平緩，介于 1.26×10-44～1.68×10-44kPa。當圍堰分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，監(jiān)測點 1～監(jiān)測點 5 總孔隙水壓力變化趨勢一致，監(jiān)測點 1 處總孔隙水壓力均大于其他監(jiān)測點值；其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監(jiān)測點總孔隙水壓力大小幾乎相等。

2.3 不同深度圍堰流體速度及流速矢量分析

分析粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況流體速度分布，其中 2.00 m 圍堰流體速度如圖 7 所示，圍堰不同深度流體速度對比圖如圖 8 所示。

圖7 2.00 m 圍堰流體速度（單位：m/s）

圖8 圍堰流體速度對比

分析流體速度圖 8 可知，粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰時，在監(jiān)測點 1 處流體速度為最大值 1.55×10-7m/s， 于監(jiān)測點 2 處，流體速度陡降至1.46×10-8m/s；其余點 3、點 4 和點 5 流體速度變化較平緩，介于1.51×10-8m/s～2.13×10-8m/s。當圍堰分別為1.50、1.75、2.00和 2.25 m 時，監(jiān)測點 1～監(jiān)測點 5 流體速度變化趨勢一致，監(jiān)測點 1 處流體速度均大于其他監(jiān)測點值；其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監(jiān)測點流體速度大小幾乎相等。

2.4 不同深度圍堰滲流量分析

分析粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰、圍堰深度分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 五種情況坑底滲流量分布，其中 2.00 m 圍堰滲流量如圖 9 所示，圍堰不同深度各監(jiān)測點坑底滲流量對比圖和總滲流量對比圖如圖 10 和圖 11 所示。

圖9 2.00 m 圍堰滲流量（單位：m3/s）

圖10 不同深度不同監(jiān)測點滲流量對比

圖11 不同深度總滲流量對比

由圖 10 可知，粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰時，在監(jiān)測點 1 處滲流量為最大值 4.26×10-8m3/s，于監(jiān)測點2 處，滲流量陡降至 3.73×10-9m3/s；其余點 3、點 4 和點 5 滲流量變化較平緩，介于 7.78×10-9m3/s～8.89×10-9m3/s。當圍堰分別為 1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，監(jiān)測點 1～監(jiān)測點 5 滲流量變化趨勢一致，監(jiān)測點 1 處滲流量均大于其他監(jiān)測點值；其中圍堰深度為2.00 m 和 2.25 m 時，5 個監(jiān)測點滲流量大小幾乎相等。分析圖 11 可知，粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑無圍堰時，總滲流量為 7.50×10-8m3/s。當圍堰分別為1.50、1.75、2.00 m 和 2.25 m 時，總滲流量變化逐漸減小，其中圍堰深度為 2.00 m 和 2.25 m 時，總滲流量的變化趨勢更為平緩。

綜上所述，是否設(shè)置圍堰對各監(jiān)測點總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量影響較大；當圍堰為2.00 m 和 2.25 m 時，總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量變化較小，即圍堰深度為 2.00 m 時，為最經(jīng)濟深度；故粉砂質(zhì)泥巖坑中坑圍堰深度較坑深 0.5 m 為適宜深度。

3 施工技術(shù)

有限元法分析了不同圍堰深度對坑中坑坑底總孔隙水壓力、流體速度和滲流量及總滲流量的影響，得出了合理的理論數(shù)據(jù)，為了驗證有限元法的可靠性，現(xiàn)場選電梯集水坑進行了試驗，并對其施工技術(shù)進行了總結(jié)?，F(xiàn)場電梯集水坑尺寸模型如圖 3 和圖 4 所示，圍堰材料選用 C 15 素混凝土，采用小型履帶反鏟式挖掘機開挖，挖斗采用寬度規(guī)格最小的三齒斗，斗寬450 mm，開挖后槽寬 500 mm，開挖深度為坑中坑坑底以下 0.5 m。

3.1 施工工藝

由于粉砂質(zhì)泥巖暴露于空氣中易分化，遇水易坍塌，故對粉砂質(zhì)泥巖中混凝土圍堰施工工藝要求較高，其施工工藝具體如圖 12 所示。

圖12 圍堰施工工藝

3.2 基坑清底

基坑清底要嚴格按照開挖方案進行，坑中坑施工完畢前基底面應(yīng)當至少保留 150 mm 厚土層，墊層施工前人工清除。

3.3 抄平放線

確定圍堰開挖位置及標高，抄平放線后并進行復核，并考慮擬施工部位對相鄰后澆帶、坑中坑的影響，如圖 13 所示。

圖13 圍堰抄平放線

3.4 圍堰分段開槽

由于強風化粉砂質(zhì)泥巖層裂隙分布不規(guī)則，同一位置不同方向開挖槽壁穩(wěn)定性均不同。開挖前要做好充分的準備工作，開挖時要有應(yīng)急措施。

1）開挖時選取長邊對邊先挖并澆灌，24 h 后開挖另一對平行邊。在不影響挖機開挖作業(yè)時及時在槽上口進行支撐，沿槽長方向間距≤0.5 m，自槽上口向下支撐深度≥0.5 m，混凝土澆筑完畢取出并重復利用，如圖 14 所示。

2）注意觀察槽壁滲水情況，及時調(diào)整開挖長度。如遇坍塌，可隨挖隨灌，錯時間分段澆筑，如圖 15 所示；為利于混凝土接茬，開槽沿長度方向底部要大于上口，即梯形狀。轉(zhuǎn)角部位不宜一次開挖，否則容易發(fā)生塌槽現(xiàn)象。

圖14 圍堰槽開挖

圖15 圍堰槽滲水

3.5 混凝土分段澆筑及養(yǎng)護

混凝土澆筑過程中使用插入式振搗棒振搗密實；混凝土澆筑后采用覆土自然養(yǎng)護，養(yǎng)護時間＞48 h。

3.6 排水固結(jié)

圍堰施工完畢應(yīng)在坑中坑中部開挖集水坑，集水坑深略深于坑底，使圍堰內(nèi)水份自然滲入集水坑內(nèi)，2 d 內(nèi)會自然固結(jié)。集水坑內(nèi)有明水時要及時排除。集水坑用小型履帶式反鏟挖機開挖，尺寸要盡量??；低于坑底部分墊層施工時素混凝土回填。

3.7 坑中坑開挖

坑中坑開挖以小型履帶反鏟式為主，人工修整為輔，如圖 16 所示。修整合格的集水坑面立即使用高標號硅酸鹽早強干水泥均勻撒一層，以不露底為準，盡快封閉基巖表面。個別滲水部位在墊層施工完畢后用堵漏靈處理，如圖 17 所示。

圖16 素混凝土圍堰集水坑

圖17 墊層澆筑后集水坑

4 結(jié)語

通過有限元分析、現(xiàn)場試驗及工程實踐證明了無圍堰、四種不同深度圍堰時，坑中坑底部監(jiān)測點的總孔隙水壓力、流體速度和滲流量，得出了以下結(jié)論。

1）同一工況下，設(shè)置圍堰可有效較少總孔隙水壓力、流體速度和滲流量，圍堰超過坑底深度 0.5 m 時對坑中坑坑底的總孔隙水壓力、流體速度和滲流量影響不大，即圍堰開挖深度以大于集水坑深度 0.5 m 為宜。

2）在工程實踐中，提出了強風化粉砂質(zhì)泥巖層坑中坑施工新方法，總結(jié)了其圍堰的施工技術(shù)并進行了詳解，工程案例證明：大于集水坑深度 0.5 m 的素混凝土圍堰有效地隔斷了地下水的滲流，實現(xiàn)了集水坑的干 作業(yè)。