咬合樁止水帷幕在PBA暗挖隧道中的應(yīng)用研究

秦東平 ，邊 可，王偉東，李全才 ，聶金池

（1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037；2. 城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；3. 天津市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300051；4. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458）

1 研究背景

地下水是威脅暗挖施工安全的重要因素，施工前需對存在潛在危害的地下水進(jìn)行處理。受城市水資源保護(hù)、復(fù)雜的工程地質(zhì)、地下管線以及地面環(huán)境等條件制約，降水井的施作經(jīng)常受到影響，此時(shí)需采用其他措施以達(dá)到阻水的目的。

譚忠盛等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究隧道在全封堵、限排、變水頭三種不同條件下，管幕和襯砌背后的水壓力分布規(guī)律[1]。楊萬里針對青島萬達(dá)游艇產(chǎn)業(yè)園工程設(shè)計(jì)了咬合樁和高壓旋噴樁組合止水帷幕[2]，有效阻止了地下海水的滲流，保障了基坑工程的順利施工。黃向平等以蛇口郵輪中心基坑支護(hù)項(xiàng)目為依托，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了塑性混凝土咬合樁工藝方案，分析了塑性混凝土樁的受力特點(diǎn)和計(jì)算方法[3]，結(jié)果表明拋水地基臨?；又胁捎盟苄曰炷烈Ш蠘赌苡行е顾４送?，鄭邦友、江毅、韓林、朱斌、李義堂等分別針對基坑或暗挖隧道止水帷幕的設(shè)計(jì)和效果評價(jià)開展了系列研究[4-8]，取得了有益的成果，推動了止水帷幕在巖土工程中的應(yīng)用。

受施工空間、環(huán)境復(fù)雜和咬合樁施工進(jìn)度等因素制約，目前對于暗挖隧道內(nèi)止水的相關(guān)技術(shù)仍然處于研究、探索階段。塑性混凝土與鋼筋混凝土咬合樁止水帷幕具有強(qiáng)度高、防滲性強(qiáng)、成本可控的優(yōu)勢，在地鐵防排水工程中具有長遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值。筆者結(jié)合北京地鐵12號線某PBA暗挖隧道咬合樁止水帷幕應(yīng)用案例，研究了PBA暗挖隧道洞內(nèi)有限空間條件下，塑性混凝土與鋼筋混凝土咬合樁止水帷幕施工技術(shù)的可行性，采用數(shù)值模擬、抽水試驗(yàn)等手段驗(yàn)證了咬合樁帷幕的止水效果，為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程環(huán)境

隧道采用PBA(洞樁法)施工，上導(dǎo)洞凈寬4 m，凈高5 m，邊樁為Φ1 200@1 700混凝土灌注樁。隧道位于北京城區(qū)內(nèi)主干路下方，道路范圍內(nèi)橋梁、大型管線等市政設(shè)施密布，道路兩側(cè)眾多建筑物林立，因此不具備在地面打設(shè)降水井條件。隧道周邊環(huán)境平面圖和剖面圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境 Figure 1 Photographs of the surrounding structure

2.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

隧道主要穿越北京東部較為典型的粉質(zhì)黏土、粉土、砂層等細(xì)顆粒土交互地層。土層分布見圖2。

圖2 地層分布 Figure 2 Stratum distribution

隧道范圍內(nèi)賦存四層地下水，其中上層滯水(一)位于隧道結(jié)構(gòu)上方，且與隧道頂板之間存在有效隔水層，通常不需要處理；層間潛水(二)水量小且不連續(xù)，開挖過程中采用抽排方式即可；隧道洞身大范圍穿越潛水(三)含水層，且底板進(jìn)入承壓水(四)水頭范圍內(nèi)，因此需要重點(diǎn)對這兩層地下水進(jìn)行處理。

3 止水帷幕設(shè)計(jì)

暗挖隧道施工主要需要對層間潛水(三)和承壓水(四)的影響進(jìn)行處理，結(jié)合周邊無打設(shè)降水井的條件，采用有效的阻水措施是本工程研究的重點(diǎn)。為解決阻水問題，設(shè)計(jì)考慮隧道底部5 m以下存在11 m厚的粉質(zhì)黏土層，可以作為有效隔水層，為有效地阻斷隧道內(nèi)外側(cè)潛水(三)的補(bǔ)給，同時(shí)考慮承壓水(四)抗突涌問題，止水帷幕插入隧道下方有效隔水層即可，因此采用落底式止水帷幕。

3.1 阻水設(shè)計(jì)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)[9]，動水條件下砂類地層中旋噴樁成孔困難，止水帷幕成型效果差，難以保證止水效果。鋼筋混凝土灌注樁強(qiáng)度高、抗?jié)B性能強(qiáng)，但單獨(dú)使用無法完全閉合成有效帷幕；塑性混凝土樁彈模低、極限變形大、抗?jié)B能力好且成本相對較低。鑒于此，項(xiàng)目采用Φ1 200@1 700鋼筋混凝土+ Φ1 200@1 700塑性混凝土組合樁交替布置，如圖3所示。

圖3 咬合樁止水帷幕平面 Figure 3 Floor plan of occlusal pile water-stop curtain

基于地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS，對落底式帷幕實(shí)施前后層間潛水(三)的地下水流進(jìn)行模擬分析，本次模擬僅包含暗挖隧道。地下水水位標(biāo)高為18.68 m，含水層厚度為4.7 m，將模型概化成一層均質(zhì)各向同性含水層。模擬范圍大于設(shè)計(jì)降深影響半徑的2～3倍，為了處理邊界的側(cè)向補(bǔ)給，邊界采用通用水頭邊界，模擬期內(nèi)邊界對基坑涌水量的影響很小。網(wǎng)格剖分如圖4所示，水平方向上剖分為12 m×12 m矩陣的單元格，暗挖隧道部分細(xì)化剖分為1.2 m×1.2 m矩陣的單元格，豎直方向上共1層。使用咬合樁的水文地質(zhì)參數(shù)作為暗挖隧道邊界的水力屬性，水文地質(zhì)參數(shù)見表1?；诜欠€(wěn)定流模型，通過采用定水頭方式模擬基坑地下水位標(biāo)高由18.68 m降至13.48 m時(shí)的涌水量。

圖4 二維離散網(wǎng)格剖分示意 Figure 4 Schematic diagram of the three-dimensional discrete meshing

表1 水文地質(zhì)參數(shù) Table 1 Hydrogeological parameters

落底式帷幕實(shí)施前模型運(yùn)行2d后，涌水量基本穩(wěn)定，達(dá)到2 129 m3/d，此時(shí)地下水位等值線見圖5。止水帷幕實(shí)施后模型運(yùn)行1d，涌水量基本穩(wěn)定，僅為6.8 m3/d，此時(shí)地下水位等值線見圖6。落底式帷幕實(shí)施前后地下水位標(biāo)高及涌水量隨時(shí)間變化曲線如圖7和圖8所示。經(jīng)比較可知，落底式帷幕實(shí)施后地下水位和涌水量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短，同時(shí)穩(wěn)定涌水量由2 129 m3/d變?yōu)?.8 m3/d，止水效果明顯，可在洞內(nèi)采用明排法進(jìn)行處理。

圖5 帷幕實(shí)施前地下水位等值線 Figure 5 Groundwater level contour prior to curtain implementation

圖6 帷幕實(shí)施后地下水位等值線 Figure 6 Groundwater level contours after implementation of the waterproofing curtain water-proofing curtain

圖7 水位標(biāo)高變化曲線 Figure 7 Change curve of water level elevation

圖8 涌水量變化曲線 Figure 8 Change curve of water inflow

3.2 塑性混凝土樁指標(biāo)設(shè)計(jì)及檢測

3.2.1 塑性混凝土樁指標(biāo)設(shè)計(jì)

塑性混凝土是一種水泥用量較低，采用較多黏土、膨潤土等摻和而成的大流動性混凝土[10]。其防滲強(qiáng)、彈模低、變形能力強(qiáng)，適合作為防滲材料。為同時(shí)滿足止水和可切削要求，其強(qiáng)度不易過高。本工程中所采用的塑性混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

表2 塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo) Table 2 Plastic concrete design index

為獲得滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的塑性混凝土，對塑性混凝土進(jìn)行4組試配試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。經(jīng)對比，編號為YH002塑性混凝土水泥用量較少，且坍落度和28d抗壓強(qiáng)度均符合塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足防滲墻施工要求，故選用編號為YH002的塑性混凝土。

表3 塑性混凝土試配試驗(yàn) Table 3 Trial test of plastic concrete

3.2.2 塑性混凝土樁滲透系數(shù)檢測

施工現(xiàn)場依據(jù)《水工塑性混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對咬合樁塑性混凝土進(jìn)行了全樣檢測，取樣詳見圖9，測定試驗(yàn)結(jié)果表明：塑性混凝土滲透系數(shù)平均值為8.6×10-7cm/s，滲透系數(shù)小于設(shè)計(jì)要求的1.0×10-5cm/s，本方案的止水效果明顯。

圖9 咬合樁塑性混凝土取樣 Figure 9 Sampling diagram of plastic concrete for occluded piles

4 止水效果驗(yàn)證

結(jié)合洞內(nèi)及地表、地下管線邊界條件，開展抽水試驗(yàn)以驗(yàn)證咬合樁的止水效果。根據(jù)現(xiàn)場條件按最不利水頭簡化工程試驗(yàn)，以最不利水頭高度測定透水系數(shù)，現(xiàn)場采用一個抽水孔及三個坑外觀測孔的抽水試驗(yàn)方案，觀測孔及抽水孔均為導(dǎo)洞內(nèi)成孔，透水層厚度取4.7 m，降深至潛水(三)下方隔水層0.5 m，孔位布置如圖10所示。

圖10 抽水試驗(yàn)孔位布置 Figure 10 Pumping test hole layout drawing

抽水試驗(yàn)待抽水孔水位低于28.0 m后每間隔12小時(shí)觀測1次，連續(xù)觀測4次，三個觀測井靜水位與動水位觀測成果如圖11所示。可以看出，抽排水后，抽水井水位標(biāo)高維持在22.4 m左右，觀測井水位標(biāo)高維持在28.0 m左右，即抽水試驗(yàn)前后觀測井水位標(biāo)高無明顯變化，判定咬合樁止水效果較好。

圖11 抽水試驗(yàn)水位觀測成果 Figure 11 Observation of water level for pumping test

暗挖通道范圍內(nèi)主要受層間潛水(三)影響，結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，樁間基本無滲水，與計(jì)算結(jié)果較吻合，判定咬合樁止水效果較好，現(xiàn)場開挖成果如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場開挖成果 Figure 12 Photographs of site excavation results

5 結(jié)語

1) 根據(jù)現(xiàn)場檢測得出咬合樁滲透系數(shù)k=8.6× 10-7cm/s，滿足設(shè)計(jì)要求，即該方案的止水效果明顯。

2) 通過理論分析可得帷幕實(shí)施后地下水位和涌水量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間更短，帷幕實(shí)施前后穩(wěn)定涌水量由2 129 m3/d變?yōu)?.8 m3/d，止水效果良好。

3) 基于防滲要求，擬定了塑性混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并通過試配試驗(yàn)確定采用YH002號塑性混凝土。

4) 抽水試驗(yàn)前后觀測井水位標(biāo)高無明顯變化，現(xiàn)場開挖無滲水，即咬合樁止水效果滿足設(shè)計(jì)要求。