德壽宮遺址展示工程永久防滲墻的研究與應(yīng)用

李 瑛，李淳學(xué)，馬永華，劉曉燕，劉興旺，童 星

（1. 浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2. 浙江吉通地空建筑科技有限公司，浙江 杭州 310015；3. 浙江省古建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

0 引 言

在浙江建設(shè)共同富裕示范區(qū)的進(jìn)程中，傳承弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，充分挖掘浙江文化優(yōu)勢(shì)，打造新時(shí)代文化高地，豐富人民精神文化生活，是其中不可或缺的重要內(nèi)容。浙江省文化深厚，良渚古城遺址、南宋太廟遺址、余姚井頭山遺址等19個(gè)發(fā)掘項(xiàng)目獲全國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)；杭州西湖、京杭大運(yùn)河、良渚古城等3處世界文化遺產(chǎn)閃耀杭城。浙江省近百年的考古與文物事業(yè)發(fā)展，補(bǔ)充和建構(gòu)了浙江乃至中華文明歷史，推動(dòng)著中華文明的探索，同時(shí)意味有數(shù)量眾多、跨度久遠(yuǎn)、意義重大、任務(wù)繁復(fù)的文物保護(hù)工作需要探索和實(shí)施。遺址保護(hù)是文物保護(hù)工作中無(wú)法回避的重要課題。

浙江省地處中國(guó)大陸東南沿海，屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛、季節(jié)變化明顯。人類喜歡鄰水而居，浙江省已發(fā)現(xiàn)的很多遺址附近分布有豐富的地表水和地下水。從地質(zhì)條件看，杭嘉湖平原分布深厚軟弱淤泥土，錢(qián)塘江兩岸分布透水性好的粉砂土。潮濕環(huán)境增加了遺址保護(hù)難度，已經(jīng)成為浙江省乃至我國(guó)南方地區(qū)文物保護(hù)的難題。潮濕環(huán)境遺址的病害大多和水密切相關(guān)，因此，潮濕環(huán)境遺址保護(hù)的前提是建造可靠的地下永久防滲墻，關(guān)鍵在于對(duì)水環(huán)境的控制，包括防止地表水對(duì)遺址的沖刷和下滲，地下水對(duì)遺址的浸泡和侵蝕，水的作用帶來(lái)遺址土體的軟化、坍塌，干濕循環(huán)和冷熱交替導(dǎo)致遺址土體粉化等[1]。

從對(duì)國(guó)內(nèi)遺址保護(hù)的各種技術(shù)路徑的調(diào)查和研究來(lái)看，潮濕環(huán)境遺址保護(hù)主要是將其所處環(huán)境轉(zhuǎn)換為干燥環(huán)境，進(jìn)而配合其他措施來(lái)保護(hù)。南京報(bào)恩寺遺址區(qū)是通過(guò)建造地下防滲隔水墻、地表排水系統(tǒng)、地表硬化修整等措施對(duì)地宮進(jìn)行搶救[2]。南越王墓防滲水工程，是沿墓室四周修筑一道底寬400 mm、頂寬200 mm的鋼筋混凝土防水墻[3]。蒲津渡遺址區(qū)為控制地下水對(duì)地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透，設(shè)計(jì)選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的扶壁式擋土墻，且在擋土墻底板以下的垂直和水平防滲體的布置和結(jié)構(gòu)形式上，選用了沉箱防滲墻水平旋噴淺層封底式結(jié)構(gòu)[4]。撫順平頂山殉難同胞遺骨館選擇了在遺骨館外圍進(jìn)行帷幕注漿，形成“桶壁結(jié)構(gòu)”，達(dá)到隔水防滲、長(zhǎng)期妥善保存遺骨的目的[5]?！爸腥A第一井”遺址的搶救則是通過(guò)采用四周地下防滲帷幕、建立地表排澇系統(tǒng)、建立人工抽水泵站的措施來(lái)解決防滲防澇問(wèn)題[6]。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)潮濕環(huán)境遺址保護(hù)多采用防滲墻，且防滲墻多為鋼筋混凝土墻。

潮濕環(huán)境遺址保護(hù)是個(gè)復(fù)雜工程，其地下防滲墻施工工藝要求具有微擾動(dòng)性、可靠性和耐久性。對(duì)深度較小的鋼筋混凝土墻可采用開(kāi)挖后支模澆筑的方式；對(duì)深度較大的鋼筋混凝土墻應(yīng)采用現(xiàn)澆工藝，即地下連續(xù)墻。除地下連續(xù)墻，目前地下工程常用的防滲墻（止水帷幕）還有三軸水泥攪拌樁和高壓旋噴樁。這3種形式的防滲墻不僅對(duì)周邊土體有擾動(dòng)，而且應(yīng)用條件有限制，止水的可靠性和耐久性不能保證。

德壽宮遺址展示工程為杭州弘揚(yáng)南宋文化的開(kāi)篇大作，開(kāi)創(chuàng)性地采用了渠式切割裝配式地下連續(xù)墻（TAD）作為地下永久防滲墻，且已基本施工完成，效果總體良好。本文介紹了TAD技術(shù)在德壽宮遺址展示工程的應(yīng)用，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)成墻試驗(yàn)對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

德壽宮遺址展示工程位于杭州市上城區(qū)，中河中路東側(cè)，直吉祥巷以西，河坊街以南，望江路以北，既有建筑汪宅的北側(cè)。項(xiàng)目平面位置及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 德壽宮遺址位置及周邊環(huán)境Fig. 1 Project plan of Deshou Palace site

1.2 地層描述

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，結(jié)合場(chǎng)地土成因類型及附近勘察資料分析，勘探深度范圍內(nèi)巖土層可劃分為 6個(gè)工程地質(zhì)層，細(xì)分為10個(gè)工程地質(zhì)亞層，各土層主要特征自上而下分述如表1。

表1 巖土層主要特性Table 1 Characteristic of soil layer

1.3 地下水

孔隙潛水主要賦存于淺層的雜填土、素填土及①1層砂質(zhì)粉土夾粉砂中，主要接受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給，徑流緩慢，水量小，蒸發(fā)是其主要排泄方式。水位隨季節(jié)和氣候動(dòng)態(tài)變化，勘察期間場(chǎng)地內(nèi)所有鉆孔水位埋深在2.10～2.50 m之間，一般地下水水位年變幅在1.00 m左右。

孔隙承壓水主要賦存于上更新統(tǒng)②1層粉砂和⑤3層粉砂中，分布于勘察區(qū)中部，透水性良好，富水性好，徑流遲緩。承壓水水位標(biāo)高 3.50～4.50 m，一般變化幅度為0.50～1.00 m。

基巖裂隙水主要賦存于基巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，主要受上部潛水的補(bǔ)給，以滲透等形式排泄，動(dòng)態(tài)變化較大，水量一般?；鶐r有強(qiáng)烈溶蝕現(xiàn)象且部分已形成溶洞或空洞，勘察期間未發(fā)現(xiàn)巖溶空洞涌水，但存在少量水跡，主要沿裂隙和巖溶部分滲流，主要受上部含水層補(bǔ)給，以滲透等形式徑流排泄，動(dòng)態(tài)變化較大，流動(dòng)性較強(qiáng)，水量一般。

2 永久防滲墻

2.1 設(shè)計(jì)思路

按照保護(hù)要求，遺址應(yīng)保持合適的含水率，既不可因干燥而皸裂，又不可因潮濕而消失。遺址含水率與所處環(huán)境、土壤類型等有關(guān)，目前無(wú)明確控制標(biāo)準(zhǔn)，一般做法是先使遺址處于可控環(huán)境然后根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)控。具體思路如下：

（1）止水：建造可靠的止水帷幕切斷遺址展示區(qū)與外界的地下水聯(lián)系，并與⑩3層中等風(fēng)化硅質(zhì)白云巖形成封閉的防滲體系，如圖2所示。中等風(fēng)化硅質(zhì)白云巖滲透系數(shù)相對(duì)較小，并不是理想的隔水層，但性質(zhì)堅(jiān)硬，很難被止水帷幕切穿?？紤]白云巖下部的⑨2層含礫粉質(zhì)黏土厚度大且滲透性好，結(jié)合場(chǎng)地地下水位進(jìn)行計(jì)算分析，⑩3層中等風(fēng)化硅質(zhì)白云巖選定為隔水層。

圖2 防滲體系Fig. 2 Anti-seepage system

（2）調(diào)節(jié)土壤含水率：因展示區(qū)上方有結(jié)構(gòu)屋蓋，導(dǎo)致大氣降水無(wú)法補(bǔ)給。四周的渠式切割裝配式地下連續(xù)墻、頂部的上部結(jié)構(gòu)屋蓋和底部的中等風(fēng)化硅質(zhì)白云巖組成的封閉式止水帷幕，完全隔斷遺址和外部的水聯(lián)系。長(zhǎng)期蒸發(fā)導(dǎo)致遺址含水率降低，并導(dǎo)致遺址不均勻沉降和開(kāi)裂，擬定期通過(guò)噴霧系統(tǒng)對(duì)表層土的含水率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）地下水監(jiān)控：通過(guò)在止水帷幕內(nèi)設(shè)置深井來(lái)監(jiān)測(cè)地下水位，必要時(shí)抽水降低帷幕內(nèi)地下水位或回灌升高帷幕內(nèi)地下水位。

2.2 防滲墻比選

三軸水泥攪拌樁、高壓旋噴樁和地下連續(xù)墻是基坑工程中常用的止水帷幕施工工藝，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成熟，但是對(duì)周邊土體存在一定程度的擾動(dòng)。

渠式切割水泥土連續(xù)墻（TRD）、全方位高壓噴射系統(tǒng)（MJS）和微擾動(dòng)水泥攪拌樁（IMS）對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)相對(duì)較小，在鄰近地鐵設(shè)施的工程中應(yīng)用較多[7]。渠式切割水泥土連續(xù)墻的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)性好，作為止水帷幕十分可靠，但在轉(zhuǎn)角或場(chǎng)地狹小處施工有一定難度，可采用其他旋噴工藝等進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。全方位高壓噴射系統(tǒng)屬于改進(jìn)后的高壓旋噴樁，對(duì)周邊土體擾動(dòng)微小[8]。微擾動(dòng)水泥攪拌樁（IMS）屬于改進(jìn)后的攪拌樁，僅對(duì)攪拌范圍內(nèi)的土體有影響[9-10]。

渠式切割裝配式地下連續(xù)墻（TAD）是在渠式切割水泥土連續(xù)墻（TRD）內(nèi)插入帶有榫卯結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制板材[11]，如圖 3所示，拼接形成完整的地下連續(xù)墻，形成集擋土與截水功能于一體的裝配式地下連續(xù)墻。該種形式的地下連續(xù)墻由中間的預(yù)制板材和兩側(cè)的水泥土形成“三明治”結(jié)構(gòu)，既有良好的止水性和耐久性，又有較強(qiáng)的抗彎剛度，可作為水平受力構(gòu)件和豎向受力構(gòu)件。

圖3 渠式切割裝配式地下連續(xù)墻Fig. 3 Trench cutting assembled diaphragm wall (TAD)

上述 6種不同工藝形成防滲墻的特點(diǎn)以及在德壽宮遺址展示工程中的適用性評(píng)價(jià)列于表2。

表2 不同工藝防滲墻特性參數(shù)Table 2 Characteristics of different cutoff walls

2.3 永久防滲墻

德壽宮遺址展示工程采用的渠式切割裝配式地下連續(xù)墻（TAD）是在墻厚為700 mm的渠式切割水泥土連續(xù)墻（TRD）內(nèi)插入截面尺寸為400 mm（厚度）×1 000 mm（寬度）的振搗成型高強(qiáng)混凝土預(yù)制板材[12]。預(yù)制板材在豎向采用具有可靠性能的螺鎖式機(jī)械連接[13]，在橫向采用榫卯連接并內(nèi)插通長(zhǎng)止水鋼板和二次注漿。地下連續(xù)墻轉(zhuǎn)角處采用全方位高壓噴射系統(tǒng)（MJS）補(bǔ)強(qiáng)，形成封閉的永久防滲墻。圖4為預(yù)制板材的截面詳圖；圖5為預(yù)制板材的豎向連接節(jié)點(diǎn)；圖6為預(yù)制板材的橫向連接示意。

圖4 混凝土預(yù)制板材截面Fig. 4 Section of precast concrete plate

圖5 混凝土預(yù)制板材螺鎖式接頭Fig. 5 Schematic of socket and spigot joint

圖6 混凝土預(yù)制板材榫卯連接Fig. 6 Mortise-tenon joint of precast concrete plate

3 應(yīng) 用

在防滲墻正式施工前，先選取外圍空地進(jìn)行非原位成墻試驗(yàn)，確保相關(guān)工藝可行性，并監(jiān)測(cè)成墻施工對(duì)周邊土體的影響。測(cè)斜管與墻體外邊緣的水平位移為1.0 m。圖7所示為試成墻后深層土體位移，最大水平變形接近5 mm，且隨著土層深度增加而減小，成懸臂型曲線，對(duì)周邊土體擾動(dòng)較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 深層土體位移曲線Fig. 7 Lateral soil displacement along depth

此后，經(jīng)過(guò)約一個(gè)月的施工，永久防滲墻施工完成。開(kāi)挖后，連續(xù)墻表面平整，接縫微小。項(xiàng)目已完成全部基礎(chǔ)施工，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。圖8為現(xiàn)場(chǎng)照片，由于⑩3層中等風(fēng)化硅質(zhì)白云巖性質(zhì)堅(jiān)硬且?guī)r層面起伏，墻頂標(biāo)高不一致。

圖8 永久防滲墻Fig. 8 Picture of permanent cutoff wall

本項(xiàng)目涉及遺址保護(hù)，施工要求高，防滲墻施工前，應(yīng)對(duì)相關(guān)范圍遺址區(qū)域進(jìn)行回填，具體回填要求按文物保護(hù)相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。由于采用裝配式構(gòu)件，項(xiàng)目節(jié)省了施工工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 論

渠式切割裝配式地下連續(xù)墻（TAD）是在渠式切割水泥土連續(xù)墻（TRD）內(nèi)插入帶有榫卯結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制板材，由中間的預(yù)制板材和兩側(cè)的水泥土形成“三明治”結(jié)構(gòu)，既有良好的止水性和耐久性，又有較強(qiáng)的抗彎剛度，可作為水平受力構(gòu)件和豎向受力構(gòu)件。德壽宮遺址展示工程的試成墻試驗(yàn)和工程應(yīng)用，表明渠式切割裝配式地下連續(xù)墻具有施工快速、微擾動(dòng)、止水可靠等優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)南方潮濕地區(qū)地下遺址保護(hù)提供新的防滲墻形式。