臨海巖溶地區(qū)基坑工程止水施工技術(shù)

溫文峰，嚴(yán)志娟

（1、廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州510925；2、廣州華商職業(yè)學(xué)院 廣州511300）

0 引言

巖溶為可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱［1］。在臨海的巖溶地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖石孔隙發(fā)育，裂隙貫通，并有溶洞影響，因此在此類地區(qū)開挖基坑時(shí)涌水量大，施工極其困難。針對(duì)此類地區(qū)的基坑工程，必須采取有效的止水措施，隔斷基坑內(nèi)外聯(lián)系并減小坑內(nèi)涌水量，以確保基坑施工的安全及穩(wěn)定。

本文對(duì)國外某電廠循環(huán)水泵房的基坑止水施工技術(shù)進(jìn)行了研究，以期為今后類似地質(zhì)條件基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

某工程位于東南亞地區(qū)的海島上，循環(huán)水泵房位于電站場(chǎng)區(qū)內(nèi)西北角，平面布置如圖1?所示，泵房平面尺寸為35 m×27 m，向北與前池及引水渠相連，泵房北側(cè)為海洋侵蝕岸線，屬臨海水工建筑物。泵房立面如圖1?所示，其地下結(jié)構(gòu)由底板層、水泵層、電機(jī)層、密閉層等組成，采用大板式箱型結(jié)構(gòu)，平均埋深約10 m，基坑底標(biāo)高為-8.75 m（采用該國國家高程基準(zhǔn)面作為高程起算面，下同），基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁，有效樁長(zhǎng)28 m。

圖1 泵房平面布置及立面Fig.1 Layout Plan and Elevation of the Pump Room

該地區(qū)為典型的溶蝕性火山灰?guī)r地質(zhì)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地面標(biāo)高為1.1～1.5 m，地下水位為-0.2 m，地下水豐富。泵房區(qū)的地質(zhì)斷面如圖2所示，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的土層為：①表層耕植土沖積層，厚度較薄；②全風(fēng)化灰?guī)r，層底埋深約10 m，層厚約9 m，該層風(fēng)化嚴(yán)重；③強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，層底埋深為25～32 m，層厚約20 m，該層巖溶現(xiàn)象發(fā)育，為蜂窩狀溶蝕，鉆探過程中局部標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于10擊；④中風(fēng)化灰?guī)r，未揭穿，該層較完整，裂隙發(fā)育不均勻，未發(fā)現(xiàn)有大的溶蝕現(xiàn)象。其中強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化灰?guī)r裂隙發(fā)育極不均勻，局部裂隙連通性較好。泵房北側(cè)距海約10 m，靠海側(cè)在-14～-20 m深度范圍內(nèi)發(fā)育有強(qiáng)烈的溶蝕灰?guī)r軟弱夾層，滲透系數(shù)達(dá)2×10-1m∕s，即170 m∕d，屬超強(qiáng)透水巖層。

圖2 泵房區(qū)地質(zhì)斷面Fig.2 Geological Cross Section of the Pump Room Area

該地區(qū)屬正規(guī)日潮，漲潮平均歷時(shí)為12.2 h，落潮平均歷時(shí)為11.8 h，各潮位特征值如下：最高潮位0.75 m，平均高潮位0.50 m，平均低潮位-0.74 m，最低潮位-1.07 m，平均海平面-0.126 m，平均潮差1.24 m，最大潮差1.82 m。

2 基坑工程止水施工

2.1 強(qiáng)挖排水方案

由于缺乏類似地質(zhì)條件的工程施工經(jīng)驗(yàn)，第一次施工對(duì)基坑開挖期內(nèi)的涌水量預(yù)估不足，主要參照國內(nèi)侵蝕性海岸地區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，以強(qiáng)排施工為主?；娱_挖平面布置如圖3 所示，在泵房海側(cè)構(gòu)筑施工圍堰，分層開挖基坑，在開挖過程中安排水泵抽水，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后采用井點(diǎn)降水控制海水和地下水，保證底板干地施工。

圖3 基坑開挖平面Fig.3 Layout Plan of Excavation of the Foundation Pit

基坑開挖至-1 m時(shí)開始出現(xiàn)地下冒水，但涌水量不大，開挖底標(biāo)高與平均涌水量的關(guān)系如圖4所示，開挖至-3 m 以后，涌水量明顯增加，并隨開挖深度呈線性增長(zhǎng)，挖至-4.5 m 時(shí)涌水量超過4 000 m3∕h，由于涌水量太大，工程被迫停止施工。

圖4 開挖底標(biāo)高-涌水量關(guān)系曲線（強(qiáng)挖強(qiáng)排方案）Fig.4 Excavation Elevation-gushing Water Relation Curves（excavation and Drainage Plan）

2.2 混凝土咬合樁止水帷幕

臨水或富水地區(qū)基坑工程的止水難度大，止水施工復(fù)雜［2-4］，第一次止水失敗證明了強(qiáng)挖強(qiáng)排止水方案不可行。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，泵房鄰近的海灘有多處直徑大小不等的溶洞，海水隨潮汐的變化而向基坑內(nèi)補(bǔ)水，基坑水位隨潮汐的變化而變化，表明基坑與海的連通性好，于是提出了混凝土咬合樁止水方案。

考慮海側(cè)來水是主要滲水源，在基坑的東、北、西3個(gè)方向設(shè)置U型咬合樁止水帷幕，從這3個(gè)方向阻斷地下水及海水進(jìn)入基坑，平面布置如圖5所示。咬合樁直徑為80 cm，兩樁中心距60 cm，有效咬合20 cm，樁與樁之間形成相互咬合排列的防水幕墻，有效墻厚52.90 cm，防水幕墻周長(zhǎng)為110 m，鉆孔共210 個(gè)。咬合樁設(shè)計(jì)有效樁長(zhǎng)20 m（實(shí)際施工調(diào)整至24 m），防水幕墻與土層的相對(duì)位置關(guān)系如圖6 所示，樁底標(biāo)高為-23 m，樁尖延伸至強(qiáng)風(fēng)化巖層中約10 m。咬合樁采用C15 素混凝土，分A 樁、B 樁相間設(shè)置，采用旋挖鉆孔工法施工，B 樁施工時(shí)采用鉆機(jī)切割掉相鄰先施工的A樁相交部分的混凝土，A樁采用超緩凝混凝土，以確保B樁能在A樁混凝土初凝之前完成施工。

圖5 咬合樁平面布置Fig.5 Layout Plan of the Concrete Bite Pile

圖6 止水帷幕與土層相對(duì)位置關(guān)系Fig.6 Relative Position of Curtain and Soil

咬合樁止水帷幕施工完成后，進(jìn)行基坑內(nèi)抽水并繼續(xù)開挖，實(shí)施咬合樁后的開挖底標(biāo)高與平均涌水量關(guān)系如圖7 中a 線所示，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)涌水量不斷增大，且涌水量與潮水漲落關(guān)聯(lián)，在-6 m時(shí)的潮位-涌水量變化關(guān)系如圖8中a線所示，涌水量隨潮位上漲而增加，高潮位時(shí)涌水量達(dá)4 300 m3∕h，此時(shí)抽水對(duì)降低基坑內(nèi)水位基本不起作用，無法進(jìn)行基坑內(nèi)余土開挖。

圖7 開挖底標(biāo)高-涌水量變化關(guān)系曲線（咬合樁及帷幕灌漿方案）Fig.7 Excavation Elevation-gushing Water Relation Curves（Concrete Bite Pile Water Curtains，Curtain Grouting）

圖8 潮位-涌水量變化關(guān)系曲線Fig.8 Tide Level - Gushing Water Relation Curves

2.3 帷幕灌漿止水方案

對(duì)上述施工方法進(jìn)行分析，其失敗的原因?yàn)樵摰貐^(qū)的巖體孔隙發(fā)育，巖層的層間裂隙貫通，使基坑內(nèi)水體與坑外海水連通，若想成功止水，應(yīng)設(shè)置封閉的隔水屏障，在基坑四周設(shè)置止水帷幕并至不透水層，從橫向及縱向隔斷坑內(nèi)外水體聯(lián)通路徑。最終確定采用帷幕灌漿止水方案，該方法適用于對(duì)防滲要求較高的基坑工程的開挖，國內(nèi)有眾多成功的案例［5-7］。

2.3.1 帷幕灌漿方案設(shè)計(jì)

止水帷幕設(shè)計(jì)目標(biāo)為開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)將剩余涌水量控制在500 m3∕h以內(nèi)，具體設(shè)計(jì)方案如下：

⑴防水帷幕分東、南、西、北4 個(gè)單元，如圖9 所示，每單元設(shè)A、B、C 三排灌漿孔，灌漿孔呈梅花形布置，孔距2 m，排距0.75 m。

圖9 帷幕灌漿平面布置Fig.9 Layout Plan of the Curtain Grouting

⑵根據(jù)先導(dǎo)孔的鉆孔情況，鉆孔注漿深度達(dá)到不透水巖層（巖體滲透系數(shù)K≤5×10-5cm∕s）不少于2 m，灌漿孔設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-36 m，設(shè)計(jì)孔深約3 m，帷幕體與土層的相對(duì)位置關(guān)系如圖6 所示，灌漿幕墻延伸至中風(fēng)化巖層中約5 m。

⑶鉆孔孔徑：帷幕灌漿孔φ60～76 mm，終孔孔徑不小于φ56 mm；檢查孔：φ75～91 mm；先導(dǎo)孔：φ75～91 mm。

⑷灌漿材料使用當(dāng)?shù)仄胀ü杷猁}水泥及中細(xì)砂，添加波美度為42～50 的水玻璃作為外加劑，單位水泥耗量210 kg∕m（為加強(qiáng)帷幕防滲能力，在施工中單位水泥用量調(diào)整至301 kg∕m）。

本方案灌漿孔共395 個(gè)，總長(zhǎng)度約15 000 m。為簡(jiǎn)化工序，節(jié)省施工時(shí)間，采用自下而上分段灌漿，每段灌漿長(zhǎng)度為5 m。

2.3.2 帷幕灌漿施工

單孔帷幕灌漿施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備?測(cè)量放樣?鉆孔?鉆孔沖洗?壓水試驗(yàn)?分段灌漿?封孔?結(jié)束。施工控制要點(diǎn)如下：

⑴測(cè)量放樣。測(cè)量放樣由專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行操作，確保測(cè)量精度。

⑵鉆孔。鉆孔先進(jìn)行先導(dǎo)孔（Ⅰ序孔）施工，進(jìn)一步探明地質(zhì)情況，然后進(jìn)行Ⅱ序孔施工；鉆孔的孔位要求對(duì)中，其水平偏差控制在10 cm以內(nèi)；鉆孔要求鉛直，各孔分段進(jìn)行孔斜測(cè)量，孔底偏差不大于0.8 m；孔深不小于設(shè)計(jì)深度。

⑶鉆孔沖洗。每個(gè)孔鉆在成孔后采用灌漿泵進(jìn)行沖洗，沖洗時(shí)采用大流量水流沖洗，直至回水澄清，無砂和巖粉，要求孔底殘留物厚度不大于0.2 m；沖洗順序?yàn)橄葲_洗鉆孔，再?zèng)_洗巖層裂縫；沖洗壓力不大于灌漿壓力的80%，以免引起裂縫擴(kuò)張和巖層的移動(dòng)、變形。

⑷壓水試驗(yàn)。先導(dǎo)孔分段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，并求透水率Lu 值；其它序孔灌漿前進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)，簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，壓水壓力為灌漿壓力的80%，壓水時(shí)每5 min 測(cè)讀1 次流量，連續(xù)5 次其最大值與最小值小于10%后，取最后1 次的流量值作為計(jì)算流量，并按文獻(xiàn)［8］計(jì)算透水率。

⑸制漿。水泥采用當(dāng)?shù)仄胀ü杷猁}水泥，存放嚴(yán)格防潮；制漿材料按規(guī)定的配比計(jì)量，計(jì)量誤差小于5%；每桶漿液攪拌均勻，漿液在使用前必須過篩，確保漿液質(zhì)量的穩(wěn)定性、連續(xù)均勻性；使用高速攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，攪拌泥漿時(shí)攪拌時(shí)間不小于30 s，從漿液制備至用完的時(shí)間不大于4 h；灌漿用水符合拌制水工混凝土用水的要求，攪拌漿液溫度保持在5～40 ℃。

⑹灌漿。灌漿嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范：SL 62—2014》［8］執(zhí)行，帷幕灌漿按分序加密原則進(jìn)行，先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中間排孔；單孔采用自下而上分段灌漿法，灌漿方式為循環(huán)式；鉆孔鉆至設(shè)計(jì)孔深并壓水沖洗完成后，提升鉆桿下入灌漿管，灌漿管距孔底小于0.4 m，灌漿段長(zhǎng)為5.0 m，接觸面灌漿段長(zhǎng)為2.0 m；灌漿漿液需保持流動(dòng)暢通，灌漿壓力以回漿壓力表讀數(shù)為準(zhǔn)，其值隨著孔深的增大而增大，灌漿壓力按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格執(zhí)行；灌漿施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。

⑺灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及封孔。在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)吸漿量不大于1 L∕min時(shí)，繼續(xù)灌漿30 min，可結(jié)束灌漿；全孔灌漿完畢后，采用水灰比為0.5的濃漿封孔，使用孔口封閉法，灌注壓力采用該孔最大灌漿壓力，封孔注漿時(shí)間為1 h。

2.3.3 施工效果

帷幕灌漿施工前及施工后的巖芯面貌如圖10 所示，左側(cè)為含大量孔隙的原狀巖體，右側(cè)為灌漿后水泥漿填充孔隙后的帷幕體，由圖10可知帷幕灌漿的填充效果良好，檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果也表明帷幕體的施工質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖10 天然巖體芯樣與帷幕灌漿后的芯樣Fig.10 Samples of Natural Rock and after Curtain Grouting

帷幕灌漿施工結(jié)束后，進(jìn)行基坑開挖作業(yè)。開挖底標(biāo)高-平均涌水量關(guān)系如圖8 中b 線所示，在-6 m時(shí)，涌水量約為800 m3∕h，較帷幕灌漿前4 000 m3∕h 的涌水量減少了80%?；娱_挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，涌水量約為1 500 m3∕h，雖未達(dá)到預(yù)定的要求，但在采取有效排水措施的前提下實(shí)現(xiàn)了干地作業(yè)條件，滿足了泵房底板澆筑及其他后續(xù)施工作業(yè)的要求，并確保整個(gè)工程最終順利完成。

3 分析及討論

循環(huán)泵房基坑開挖工程量并不大，但從開挖到完成，施工一波三折，使得工期滯后、投資增加，究其原因，主要是對(duì)臨海巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件及特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，施工經(jīng)驗(yàn)缺乏，以及主觀上重視程度不夠。

巖溶地區(qū)對(duì)勘探有較高的要求，該地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化灰?guī)r的裂隙發(fā)育極不均勻，局部存在溶蝕孔洞，而該項(xiàng)目的前期勘察工作不詳細(xì)，鉆孔深度在-20 m左右，只探明了地基持力層內(nèi)的情況，不足以支撐基坑止水施工方案的制定，加上對(duì)臨時(shí)工程的重視不足，使得前2次施工方案的制定不合理，造成止水效果不明顯。

本工程位于印度洋與太平洋之間的東南亞地區(qū)的海島上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，場(chǎng)區(qū)內(nèi)為溶蝕性灰?guī)r，表層巖體風(fēng)化程度高，巖石孔隙、裂隙發(fā)育，其中造成基坑大量涌水的原因主要有4個(gè)：①臨海，基坑外側(cè)水源豐富，滲透壓力大；②巖石孔隙發(fā)育極其豐富，局部裂隙連通性好；③堆積巖層的層間裂隙貫通；④在-14～-20 m范圍內(nèi)存在軟弱夾層，局部有相互貫通的溶洞。

工程區(qū)域的地質(zhì)條件跟我國沿海各地區(qū)的地質(zhì)情況均有較大差異，由于其特殊的地質(zhì)條件，因此該類地區(qū)的基坑止水不能簡(jiǎn)單照搬國內(nèi)的施工方法。在臨水地區(qū)如果存在透水土層，基坑開挖時(shí)的涌水量將非常大［9-10］，由圖2 可知，該泵房基坑處于全風(fēng)化巖層中，圖6中的鉆孔剖面表明該巖層透水率為無窮大，基坑開挖時(shí)到地下水位線以后將出現(xiàn)大量涌水，因此強(qiáng)排止水方案在該地區(qū)不可行。

采用混凝土咬合樁止水帷幕，由于混凝土帷幕較單薄，且設(shè)置深度較淺，雖然在水平方向上能起到一定的隔水作用，但對(duì)基坑下方縱向的滲水通道并沒有起到隔阻作用，因此無法限制基坑下方涌水。

帷幕灌漿方案在基坑四周設(shè)置止水帷幕并延伸至不透水層，由圖6 中的帷幕體與土層的相對(duì)位置關(guān)系可知，灌漿幕墻延伸至中風(fēng)化巖層中約5 m，該層巖體透水率約為10 Lu，透水率較小，因此灌漿幕墻對(duì)基坑形成了封閉的隔水屏障，起到了有效隔斷坑內(nèi)外水體聯(lián)系的作用。圖8中b線表明，在-6 m標(biāo)高時(shí)，帷幕灌漿施工后基坑內(nèi)的平均涌水量較帷幕灌漿前大為減少，且潮汐對(duì)其的影響也明顯降低。圖7中b線顯示，在-6 m標(biāo)高時(shí)，涌水量約為800 m3∕h，較帷幕灌漿前大幅降低，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，涌水量約為1 500 m3∕h，說明帷幕灌漿對(duì)基坑內(nèi)涌水起到了有效限制作用，雖然坑底仍有涌水，但在輔以有效排水措施的前提下可以實(shí)現(xiàn)止水目標(biāo)。

4 結(jié)論

⑴造成臨海巖溶地區(qū)基坑開挖大量涌水的主要原因?yàn)椋旱靥幣R海，坑外水源豐富，滲透壓力大；巖石裂隙、孔隙發(fā)育，巖層層間裂隙貫通，存在溶洞影響，巖層透水性強(qiáng)。

⑵由于基坑開挖過程中的涌水量大，強(qiáng)排止水方案不適用于臨海巖溶地區(qū)基坑工程的止水；由于存在復(fù)雜的橫向及縱向滲水路徑，在基坑側(cè)面設(shè)置淺層止水帷幕不能有效抑制基坑內(nèi)的涌水。

⑶臨海巖溶地區(qū)基坑工程的防滲要求高，可在帷幕灌漿的基礎(chǔ)上輔以有效排水措施進(jìn)行基坑止水。為有效控制坑內(nèi)涌水量，止水帷幕需沿基坑四周設(shè)置并延伸至不透水層，形成封閉的隔水體系。

⑷東南亞海島溶蝕性灰?guī)r地區(qū)的基坑工程的止水方法和施工經(jīng)驗(yàn)仍需進(jìn)一步探討和總結(jié)，采用文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)止水帷幕時(shí)可適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)，或采取合適的施工方法提高防滲能力。