超深止水帷幕在武漢長江Ⅰ級階地沖積相基坑支護工程中的選取和應用

邵 勇， 李光誠， 帥紅巖， 張玉山

(湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢 430070)

大部分基坑工程事故與地下水有著密切關系，尤其是處于高地下水位和臨近江河湖等地下水補給源的基坑工程，易發(fā)生流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象，從而造成工程事故。武漢長江Ⅰ級階地沖積相地層呈現(xiàn)典型的二元結構，上部由填土、淤泥、黏性土及砂土互層組成，下部為粉細砂(局部分布黏性土透鏡體)、中粗砂夾礫石，砂層中賦存孔隙承壓水[1]。因此，在武漢臨江約3 km范圍內(nèi)的高承壓水頭深基坑設計及施工中，地下水的止水處理是一個極其重要的環(huán)節(jié)，合理選擇止水和降水方法來保證施工與工程安全需引起高度重視[2-4]。

止水帷幕在基坑降水中的作用是延緩或阻止地下水流向基坑，避免因地下水位下降而引起的基坑外圍地面沉降及其他問題，同時保證基坑內(nèi)部基本干燥，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。蔡忠祥等[5]在上海某項目采用CSM(Cutter Soil Mixing)工法構建了等厚度水泥土攪拌墻作為懸掛隔水帷幕。李成巍等[6]在上海地區(qū)首次采用50 m深CSM工法等厚度水泥土攪拌墻作為落底式止水帷幕，隔斷承壓水含水層。王建軍[7]采用CSM工法等厚度水泥土攪拌墻解決了南昌某地復雜地層條件下深基坑工程的封閉隔水問題。王衛(wèi)東等[8]對臨地鐵的超深TRD(Trenchcutting Re-mixing Deep Wall)工法控制承壓水的基坑工程設計開展了實踐研究。魏祥等[9]在武漢地區(qū)某深基坑工程中應用了TRD水泥土攪拌墻。談永衛(wèi)[10]探討了超深TRD等厚度水泥土攪拌墻與地下連續(xù)墻組合式隔水帷幕在深大基坑工程中的應用效果。丁振明等[11]開展了SMW (Soil Mixing Wall)工法在富水非軟土基坑支護工程中的應用研究。馬鄖等[12]以武漢長江I級階地基坑工程為例，研究了SMW+水泥土樁錨結構在基坑工程中的應用。目前對止水帷幕的研究還著重于某一種具體的工法，尚缺乏對不同止水帷幕優(yōu)缺點的分析并探討如何科學合理地選擇止水帷幕。隨著基坑支護設計理論水平的不斷提高和工程案例的逐漸增加，可以對武漢地區(qū)基坑支護止水樁效果、可靠性及類型選擇開展綜合研究。本文選擇武漢長江Ⅰ級階地沖積相中鄰近的三個基坑，通過對比CSM水泥土攪拌墻、TRD水泥土攪拌墻和三軸攪拌樁用作止水帷幕的選取方法和應用效果，為具有類似工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基坑支護工程止水帷幕的設計提供參考。

1 CSM、TRD、三軸攪拌樁工法特點

CSM工法是應用原有的液壓銑槽機結合深層攪拌技術進行的地下連續(xù)墻或防滲墻施工方法，結合了液壓銑槽機的設備技術特點和深層攪拌技術的應用領域，將設備應用到更為復雜的地質(zhì)條件中，通過對施工現(xiàn)場原位土體與水泥漿進行攪拌，形成防滲墻、擋土墻、地基加固處理工程。TRD工法將滿足設計深度的附有切割鏈條和刀頭的切割箱插入地下，在進行縱向切割、橫向推進成槽的同時，向地基內(nèi)部注入水泥漿并達到與原狀地基充分混合攪拌，從而在地下形成等厚度連續(xù)墻。三軸攪拌樁工法以多軸型鉆掘攪拌機向一定深度進行鉆掘，同時在鉆頭處噴出水泥固化劑并與地基土反復混合攪拌，在各施工單元之間采取重疊搭接施工，形成一道具有一定強度和抗?jié)B性能的連續(xù)完整的地下墻體。

CSM 、TRD和三軸攪拌樁工法均可單獨用于止水帷幕或地基加固處理工程，其中通過CSM、TRD工法施作的止水帷幕為水泥土攪拌墻，通過三軸攪拌樁工法施作的止水帷幕為三軸攪拌樁。三種工法的工藝特點及主要優(yōu)缺點如表1[13]所示。

表1 CSM、TRD、三軸攪拌樁工法工藝特點及主要優(yōu)缺點對比Table 1 Process characteristics，main advantages and disadvantages comparison of CSM，TRD and three-axis mixing pile

2 CSM、TRD水泥土攪拌墻及三軸攪拌樁止水帷幕的選取

在選取止水帷幕形式時，需要綜合考慮成樁深度、設備高度所要求的垂直條件、土層情況、施工成本、基坑開挖深度、降水需要和落底情況等因素。本次研究選擇武漢長江Ⅰ級階地沖積相中鄰近的三個基坑，即武漢市江岸區(qū)紅橋村K7、K8和K15地塊基坑(圖1)，實證對比研究CSM、TRD水泥土攪拌墻與三軸攪拌樁用作止水帷幕的選取方法和應用效果。

2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

紅橋村K7、K8和K15基坑均位于武漢長江Ⅰ級階地沖積相Ⅰ3工程地質(zhì)亞區(qū)，距離長江北岸線3.0～3.7 km(圖1)。Ⅰ3工程地質(zhì)亞區(qū)主要沿長江、漢江及府河兩岸分布，是除灘地外適合工程建設的沿江地段，該亞區(qū)表層一般被松散人工雜填土所覆蓋，其下依次為軟—可塑狀的互層土(黏土、粉質(zhì)黏土、粉土互層)、中密—密實的砂土及砂卵石層，再往下則為基巖。互層土、砂土、砂卵石層中賦存孔隙承壓水。在該亞區(qū)砂層埋深淺、承壓水位高的地段開挖基坑時，易產(chǎn)生基坑底板突涌及基坑側壁流土流砂現(xiàn)象，需做好降水及支護措施。

圖1 K7、K8和K15基坑位置示意圖Fig.1 Location diagram of K7, K8 and K15 foundation pit1.Ⅰ級階地界線；2.Ⅱ級階地界線；3.工程地質(zhì)分區(qū)界線及代號；4.工程地質(zhì)亞區(qū)界線及代號；5.基坑位置及編號。

K7基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細砂，賦存兩層地下水，上層為雜填土層中的滯水，其穩(wěn)定水位埋深1.1～1.6 m，標高19.45～21.83 m；下層為砂層中的承壓水，其水位受長江水位變化影響，在3#鉆孔中測得水位埋深6.8 m，標高14.53 m。K8基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與粉土互層、粉砂和細砂，雜填土層中賦存滯水，其穩(wěn)定水位埋深1.0～1.7 m，標高18.81～20.55 m；砂層中賦存承壓水，其水位受長江水位變化影響，臨近的K6地塊抽水試驗測得承壓水埋深7.6 m，標高12.83 m。K15基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂和細砂，雜填土層滯水的穩(wěn)定水位埋深0.6～2.5 m，標高17.78～20.70 m；砂層承壓水的水位受長江水位變化影響，勘察期間測得其埋深7.0 m，標高12.92 m。總體來看，三個基坑的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件相近，承壓水頭標高為K7>K15>K8。

2.2 基坑周邊環(huán)境狀況

K7、K8、K15地塊位于武漢市江岸區(qū)花橋街道，其中K7地塊位于三眼橋路以西、荷花池街以北，北邊和西邊鄰香江花園小區(qū)，民房較密集，環(huán)境條件較敏感。K8地塊位于三眼橋路以北、黃孝河路以西，北鄰紅橋K6地塊，西臨三眼橋路，周邊環(huán)境較復雜。K15地塊位于三眼橋路以北、黃孝河路以西，北邊為待拆遷民房，西邊的拆遷空地擬用作規(guī)劃道路，現(xiàn)狀建有施工道路，周邊民房密集，環(huán)境條件較復雜?？傮w來說，K7基坑周邊環(huán)境最為敏感，K8、K15基坑周邊環(huán)境相當。

2.3 基坑支護設計

K7、K8、K15基坑周邊距紅線較近，坑壁土層軟弱，均存在承壓水問題，不能采用錨桿。K7基坑開挖深度為12.90～13.40 m，為控制變形，從經(jīng)濟性和安全性考慮，選鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護。K8基坑開挖深度為9.10～10.70 m，為控制變形并兼顧土方開挖的便利性，選用雙排樁支護，角部采用鉆孔灌注樁+混凝土角撐支護。K15基坑開挖深度為12.4～14.9 m，因開挖深度大需采用二層內(nèi)支撐，采用鉆孔樁+兩道混凝土內(nèi)支撐的支護形式。

2.4 基坑止水帷幕的選取

對于K7、K8、K15這三個基坑來說，雜填土中的滯水因水量有限、水壓力小，側壁止水帷幕升至地面附近即可阻隔滯水向基坑內(nèi)流動。而賦存于砂土層的承壓水與長江水力聯(lián)系非常緊密，水量豐富，因基坑開挖均已揭穿黏土蓋層，因此需采取中深井疏干降水。場區(qū)均為長江I級階地沉降重點防控區(qū)，基坑降水降深要求高，若敞開式降水，則抽排水強度大、持續(xù)時間長，因降水引發(fā)的沉降將對周邊道路、管線、民房等產(chǎn)生顯著的破壞效應，因此必須采用止水帷幕，以最大限度減小對周邊環(huán)境的影響。

表2為K7、K8和K15三個基坑止水帷幕選取條件的對比情況。K7基坑周邊環(huán)境最復雜，需重點保護鄰近香江花園小區(qū)的西邊；緊鄰小區(qū)施工的作業(yè)環(huán)境較差，且基坑挖深較大，承壓水頭標高及設防水頭最大，止水帷幕深度也較大，但是基坑周長及工程量相對較小，因此可選用造價較高但施工成墻質(zhì)量較高的CSM水泥土攪拌墻。K7基坑可采用800 mm厚CSM水泥土攪拌墻，水泥用量為460 kg/m3；墻底進入強風化基巖形成落底式帷幕。K8基坑開挖深度相對較淺，承壓水頭標高及設防水頭最小且不需要落底，但基坑周長最長，有一定的工程量，因此可選用造價經(jīng)濟且帷幕深度不大時成墻質(zhì)量依然有保障的三軸攪拌樁。K8基坑可在雙排樁間采用三排Φ850 mm三軸攪拌樁加固，兼作側壁止水帷幕，水泥用量為360 kg/m3。K15基坑挖深和周長較大，其最明顯的特點是基坑為狹長型，相當于兩個規(guī)則矩形基坑拼接而成，因此可選用成墻深度較大的TRD水泥土攪拌墻，其可在較低凈空區(qū)域施工，有效避開沿狹長基坑邊線施工時的各種障礙物。K15基坑可采用800 mm厚TRD水泥土攪拌墻，水泥用量為460 kg/m3；墻底進入強風化基巖形成落底式帷幕。

3 基坑止水效果及降水沉降監(jiān)測結果

三個基坑在開挖階段均未發(fā)生明顯的孔狀或縫隙狀漏水、涌砂、漏空、裂縫或坍塌現(xiàn)象，整體止水效果良好(圖2)。

K7基坑監(jiān)測結果[14]顯示，其周邊建筑物沉降累計變化最大值為5.61 mm，支護樁頂沉降累計變化最大值為5.72 mm，立柱沉降累計變化最大值為4.52 mm，支護樁頂水平位移累計變化最大值為15 mm，均滿滿足規(guī)范要求。K8基坑監(jiān)測結果[15]顯示，其周邊建筑物沉降累計變化最大值為8.8 mm，支護樁頂沉降累計變化最大值為13.36 mm，支護樁頂水平位移累計變化最大值為36.5 mm，基坑場外地表沉降累計變化最大值為36.16 mm，均滿足規(guī)范要求。K15基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)結果[16]顯示，其支護樁頂水平位移累計變化最大值為5.4 mm,支護樁頂沉降累計變化最大值為3.18 mm，周邊建筑物沉降累計變化最大值為6.17 mm，周邊管線沉降累計變化最大值為3.04 mm,其他監(jiān)測數(shù)據(jù)也均無異常情況，基坑場外觀測井絕對標高基本維持在7 m左右，場內(nèi)觀測井絕對標高基本維持在2 m左右，滿足施工要求。

圖2 基坑止水效果圖(從左至右分別為K7、K8、K15)Fig.2 Water stop effect drawing of foundation pit

監(jiān)測結果表明，K8基坑相比K7、K15基坑整體位移偏大，這是由于其采用了雙排樁支護結構，與樁撐支護結構相比，其變形控制效果不占優(yōu)勢；同時坑外地表有一定的沉降量，與其采用懸掛式側壁止水帷幕有關；基坑抽排地下水對周邊的影響比采用落底式帷幕的K7和K15基坑大，與基坑止水帷幕的深度有直接關系，也和三軸攪拌樁的連續(xù)性和整體性較CSM和TRD工法差有一定的關系。但由于K8基坑挖深較淺，承壓水頭標高及設防水頭最小，周邊沒有非常近距離的敏感建筑物，因此可以適當放寬位移控制條件，以達到經(jīng)濟性和安全性的統(tǒng)一。采用CSM和TRD落底式止水帷幕的K7、K15基坑整體位移控制在毫米級以內(nèi)，也充分說明這兩種止水帷幕在武漢長江Ⅰ級階地沖積相基坑支護工程中的應用是比較成功的。

4 結論與建議

(1) 在武漢長江Ⅰ級階地沖積相區(qū)域實施基坑工程并揭露承壓含水層時，應優(yōu)先采用中深井疏干降水，并視基坑挖深、降水幅度及周邊環(huán)境條件而采用懸掛式或落底式止水帷幕。在實際工程中，應綜合成樁深度、設備高度所要求的垂直條件、土層情況、施工成本、基坑開挖深度、降水需要和落底情況等因素，選取CSM、TRD水泥土攪拌墻或三軸攪拌樁止水帷幕，方能達到良好的基坑止水效果和安全性、經(jīng)濟性與效率的統(tǒng)一。

(2) 建議結合更多工程案例，統(tǒng)計各項監(jiān)測結果，在相關統(tǒng)計和經(jīng)驗總結的基礎上，應用地下水數(shù)值模擬技術，為相似地質(zhì)條件下的止水帷幕選型和設計提供更科學、可量化與直觀易用的解決方案。