開放懸掛式止水帷幕在黃土地區(qū)的應(yīng)用實(shí)踐

楊艷霞，劉衛(wèi)斌（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

黃土地區(qū)的降水問題一直被工程界視為難題，關(guān)于“采用止水還是降水”這一問題一直存在爭論，對飽和黃土降水產(chǎn)生的附加沉降變形的研究也一直在進(jìn)行。目前，西安地區(qū)的基坑降水一般采用管井降水的方式，當(dāng)土層滲透性較大或者深基坑周邊有需要保護(hù)的重要建筑物時(shí)，一般考慮采用止水帷幕加坑內(nèi)降水的方式或采用降水加回灌的方式。由于黃土覆蓋層深厚，無法插入不透水層，因此，通常采用懸掛式止水帷幕的方式。止水帷幕增大坑外地下水向坑內(nèi)的滲流路徑、降低坑內(nèi)地下水水位的同時(shí)，能夠避免坑外地下水水位快速下降使基坑周邊土體產(chǎn)生固結(jié)沉降這一問題的發(fā)生，從而保護(hù)坑邊重要建筑物。

懸掛式止水帷幕在深基坑中的排布方式，通常為基坑四周一圈相互咬合或與支護(hù)樁組合咬合，構(gòu)成閉合的止水體系。某工程（以下簡稱“本工程”）在考慮安全經(jīng)濟(jì)的原則下，僅在基坑南部有重要建筑物的區(qū)域針對性地布置了懸掛式止水帷幕，并未形成閉合的止水體系。

本文基于未閉合的開放懸掛式止水帷幕降水方案及應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際基坑降水情況及變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，探討了采用本降水方案的實(shí)際降水效果及對周邊建筑物的影響。

1 項(xiàng)目概況

1.1 支護(hù)方案簡介

擬建場地位于西安市北院門，建筑場地的地貌單元屬于黃土洼地。場地勘查資料顯示，場地地形稍有起伏，地面標(biāo)高介于96.74 m～99.95 m之間，地下穩(wěn)定水位埋深為5.8 m～8.7 m，基坑影響范圍共有5層土?；娱_挖深度為15.2 m，平面形狀大致為L形，長約120 m，寬約45 m。基坑采用樁錨支護(hù)，排樁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樁，長度為19.5 m～24.5 m、直徑為0.8 m～1.0 m，間距為1.5 m。在地表以下4 m、7 m、10 m和13 m處各設(shè)一道錨索，上、中上、中下和下四道錨桿自由段長度均為6 m，錨固段長度分別為12 m、12 m、6 m和6 m；傾角均為15°；預(yù)應(yīng)力分別為300 kN、300 kN、200 kN和200 kN。帷幕采用高壓旋噴樁，直徑為0.6 m，搭接距離為0.25 m，與排樁咬合接觸。

1.2 基坑周邊建筑物情況

本工程基坑北側(cè)為蓮湖區(qū)政府內(nèi)部道路，道路緊挨基坑側(cè)壁，基坑北側(cè)中部為3層鍋爐房，獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深約2 m；基坑南側(cè)開挖線外3 m～8 m為框架結(jié)構(gòu)8層辦公樓（5號(hào)樓），條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約2.5 m；西側(cè)開挖線外為蓮湖區(qū)政府內(nèi)部道路，東側(cè)開挖線外9 m為框架結(jié)構(gòu)9層辦公樓，1層地下室，為樁基礎(chǔ)。

1.3 工程地質(zhì)條件

巖土工程勘察報(bào)告顯示，據(jù)勘探揭露，場地內(nèi)地層自上而下依次由雜填土、素填土、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、殘積古土壤及中更新統(tǒng)風(fēng)積）黃土、殘積古土壤、風(fēng)積粉質(zhì)黏等組成。擬建場區(qū)在勘察深度范圍內(nèi)地下水5.8 m～ 8.7 m。本場地地下水主要由大氣降水及地下徑流補(bǔ)給，并通過自然蒸發(fā)、人工開采以及徑流排泄。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本場地水位年變化幅度為1.0 m～2.0 m。土層綜合滲透系數(shù)為35 m/d～5 m/d。

2 降水設(shè)計(jì)方案

2.1 止水帷幕及降水井的設(shè)計(jì)

由于本工程基坑南側(cè)及東側(cè)有辦公樓，距離基坑較近且建成年代久遠(yuǎn)，采用常用管井降水方式可能造成不均勻沉降，經(jīng)多次專家論證分析后，確認(rèn)本工程采用開放懸掛式止水帷幕與坑內(nèi)管井降水相結(jié)合的方式，即在基坑南側(cè)及東側(cè)設(shè)置止水帷幕進(jìn)行阻水，增加滲流路徑，減緩坑外建筑物下水位下降速度，并降低坑外建筑物下水頭差，同時(shí)在坑內(nèi)布置降水井，從基坑內(nèi)進(jìn)行降水，確保降水對南側(cè)及西側(cè)的建筑物降水影響最小，保證南側(cè)及西側(cè)建筑物的安全。

止水帷幕樁采用φ600 mm@450 mm、樁長為19.5 m（南側(cè)）、14.5 m（東側(cè)及東南側(cè)）的旋噴樁，樁頂高程為－6.5 m（南側(cè)）、－8.5 m（東側(cè)及東南側(cè)）；樁底高程為－26 m（南側(cè)）、－22 m（東南側(cè)）、－25 m（東側(cè)）。保證隔水帷幕旋噴樁樁底與支護(hù)樁樁底在同一高程。隔水帷幕樁布置在護(hù)坡樁的中間，與護(hù)坡樁咬合后稱為帷幕，起到防滲及增加降水水流滲流路徑的作用，減小水頭差。

護(hù)坡樁采用旋挖鉆孔灌注樁施工工藝，旋噴樁采用高壓旋噴注漿成樁施工工藝，先施工灌注樁，后施工高壓旋噴樁（如圖1所示）。高壓旋噴樁施工采用二重管法，注漿壓力為22 MPa～25 MPa，氣壓為0.6 MPa～0.8 MPa，注漿管提速控制在0.18 m/min～0.22 m/min，漿液水灰比1∶1。

圖1 護(hù)坡樁旋噴樁搭接咬合示意

基底深度約15 m，施工期間水位埋深約8.0 m，預(yù)計(jì)水位降至基坑底板下1.5 m?；?xùn)|西長約120 m，南北寬約45 m，水位設(shè)計(jì)控制深度16.5 m，水位降深S＝8.5 m；含水層厚度H=22 m。采用大井法計(jì)算基坑涌水量Q＝3157.3 m3/d，基坑布置22口降水井，井深30 m?；幽蟼?cè)降水井布置在止水帷幕以內(nèi)，基坑北側(cè)降水井布置在坑外或者基坑肥槽中?；佑克克闶?/p>

式1中：Q為基坑降水總涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）；H為潛水含水層厚度（m）；R為降水影響半徑（m）；Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深（m）；r0為基坑等效半徑（m）。

2.2 降水對周邊建筑物的影響

降水會(huì)引起周邊建筑物的微小沉降。根據(jù)沉降計(jì)算公式，沉降量計(jì)算式

式2中：S為降水所引起的沉降值；ΔP為降水產(chǎn)生的自重壓力；ΔH為降水深度，取6 m～8.5 m（基坑南側(cè)5號(hào)樓及東側(cè)消防樓取6 m，基坑北側(cè)鍋爐房取8.5 m）；γw為水重度，取10 kN/m3；E為降水深度范圍內(nèi)土的壓縮模量，取12000 kPa。

經(jīng)計(jì)算，降水引起的沉降量為17.6 mm～30 mm。根據(jù)本地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際沉降一般小于理論計(jì)算值，降水不會(huì)對現(xiàn)有建筑及路面造成影響，實(shí)際施工時(shí)需加強(qiáng)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

3 運(yùn)用實(shí)踐效果

3.1 基坑實(shí)測水位及抽水量情況

抽水前場地內(nèi)水位埋深約為－10.0 m～－8.0 m。降排水工作自基坑土方開挖至－6 m開始啟動(dòng)，至基坑土方開挖至基底后，計(jì)劃基坑內(nèi)水位緩慢下降至－18 m。降水水位穩(wěn)定后觀察各降水井及觀測井水位情況如下：基坑外四周觀測井水位為－14.5 m～－12.0 m；坑內(nèi)降水井動(dòng)水位埋深－22 m（北側(cè)）、－26 m（南側(cè)），井水位降深14 m（北側(cè)）、18 m（南側(cè)）；基坑內(nèi)部水位降深為11 m～ 13 m；基坑北部（無止水帷幕）坑外觀測井水位下降為6.5 m～8.5 m，基坑南部（有止水帷幕）坑外觀測井水位下降3 m～5 m。通過觀測數(shù)據(jù)可知，基坑內(nèi)井水位與坑內(nèi)實(shí)際水位存在3 m～5 m井損，同時(shí)受止水帷幕截流影響，基坑南側(cè)坑內(nèi)外存在水位差，差值約為8 m。

本基坑降水面積為120 m×45 m，按照無限含水層潛水非完整井計(jì)算，出水量約143.5 m3/h；做開放懸掛式止水帷幕后現(xiàn)場實(shí)際測量降水井單井排水量最大約為6 m3/h，基坑排水量為100 m3/h；采用本方案后，節(jié)水率達(dá)到30.3%。不僅從止水體系上，還從抽水量上節(jié)約了工程造價(jià)。

3.2 基坑監(jiān)測情況

本基坑監(jiān)測工作中，水平位移監(jiān)測極坐標(biāo)法或小角度法，使用Leica TCA1201＋全站儀進(jìn)行觀測。

根據(jù)第三方基坑頂部水平位移監(jiān)測報(bào)告，基坑?xùn)|側(cè)鄰樓區(qū)域相對變形較大，最大累計(jì)位移8.5 mm，其他區(qū)域變形均較小，滿足規(guī)范要求。

通過錨桿軸力監(jiān)測，本工程預(yù)應(yīng)力錨索在鎖定穩(wěn)定后，錨索有6%～10%的損失，穩(wěn)定后的軸力約為310 kN。

整個(gè)基坑支護(hù)體系安全可控。采用開放懸掛式止水帷幕，在基坑南部造成了坑內(nèi)外較大的水位差，且與基坑其他側(cè)相比，基坑南側(cè)坑外水壓較大，但并未對基坑水平變形造成明顯影響。

3.3 基坑四周建筑物沉降情況

本基坑沉降監(jiān)測采用天寶Dini03高精度電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行獨(dú)立閉合水準(zhǔn)測量。本文主要選取基坑鄰近3棟建筑物，包括消防樓（東側(cè)）、鍋爐房（北側(cè)）及5號(hào)樓（南側(cè)）沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

消防樓（東側(cè)）設(shè)置了4個(gè)沉降觀測點(diǎn)，分別為XF01、XF01、XF03和XF04。鍋爐房（北側(cè)）設(shè)置了4個(gè)沉降觀測點(diǎn)，分別為J301、J301、J303和J304。5號(hào)樓（南側(cè)）設(shè)置了5個(gè)沉降觀測點(diǎn)，分別為J501、J503、J504、J505和J506。

根據(jù)累計(jì)沉降量位移圖，沉降量的變化呈波動(dòng)上升增大趨勢。最大沉降量并不是最后一期的累計(jì)沉降監(jiān)測結(jié)果，而是出現(xiàn)在降水中間過程中?；?xùn)|側(cè)消防樓最大沉降量為8.3 mm，基坑北側(cè)鍋爐房最大沉降量為6.9 mm，基坑南側(cè)5號(hào)樓最大沉降量為8 mm。最大沉降量監(jiān)測數(shù)據(jù)約為理論計(jì)算值的1/3，基坑支護(hù)及降水達(dá)到了比較理想的效果，整個(gè)施工期間建筑物的沉降變形控制均處于安全受控狀態(tài)。

3.4 小 結(jié)

經(jīng)過對基坑水位、基坑變形及基坑四周建筑物變形情況的持續(xù)觀測可知，施工過程中基坑邊坡穩(wěn)定，基坑四周建筑物變形可控，基底水位保持穩(wěn)定，對基坑主體施工無影響，因此，采用開放懸掛式止水帷幕應(yīng)用效果良好。

（1）在西安地區(qū)黃土地層條件下，采用高壓旋噴樁作為止水帷幕，通過精心施工，能夠做到高壓旋噴樁之間、旋噴樁與支護(hù)樁之間有效咬合，充分保證帷幕的完整性，能夠滿足止水及基坑支護(hù)需要。

（2）開放懸掛式止水帷幕能有效改變帷幕背后坑外地下水滲流路徑，地下水通過從止水帷幕底端及帷幕兩端部開口處繞流與坑內(nèi)地下水產(chǎn)生水力聯(lián)系，能夠有效減緩止水帷幕外地下水下降速度，防止土體產(chǎn)生過大沉降，從而對坑外建筑物起到保護(hù)作用。

（3）采用開放懸掛式止水帷幕在改變地下水滲流路徑的同時(shí)，能一定程度地減小基坑涌水量，減小了對地下水的抽取，間接防止了過快降水，保護(hù)了鄰近建筑物，同時(shí)保護(hù)了地下水資源。

4 結(jié)語

西安地區(qū)黃土層降水一般采用管井降水方式，在基坑周圍有重要建筑物時(shí)，可采用開放懸掛式止水帷幕。開放懸掛式止水帷幕一方面可以有效保護(hù)基坑周圍建筑物安全，另一方面能減少抽水量，保護(hù)地下水資源，同時(shí)還可以節(jié)約工程造價(jià)，避免造成建筑資源浪費(fèi)。本工程為西安市采用開放懸掛式止水帷幕隔水的成功案例，通過采取上述有效措施，有效保證了鄰近建筑物安全和基坑穩(wěn)定并降低了工程造價(jià)，說明開放懸掛式止水帷幕聯(lián)合坑內(nèi)降水的方法可作為飽和黃土有效的降水方法，可作為本地區(qū)類似工程的借鑒。