截水帷幕在某基坑工程中的應(yīng)用

廖文智

(閩武長城建設(shè)發(fā)展有限公司,福建 福州 350013)

深基坑開挖時(shí)如何有效控制地下水,是確?；邮┕ぐ踩闹饕蝿?wù)[1]。采用截水帷幕截水是控制地下水的常用方法,在現(xiàn)有規(guī)范中也有要求對(duì)地下水的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)有多篇文獻(xiàn)對(duì)止水帷幕的施工及工作機(jī)理進(jìn)行了研究。但各文獻(xiàn)都是深大基坑,建設(shè)方及施工方都會(huì)高度重視,且多數(shù)止水帷幕均穿過透水層進(jìn)入隔水層,而在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)有在深厚含水層中且基坑深度不深的基坑,基坑周邊較近處又存在淺基建筑物。由于基坑較淺,建設(shè)方及施工方對(duì)地下水控制不重視。若截水帷幕穿過透水層進(jìn)入隔水層,在經(jīng)濟(jì)上會(huì)造成浪費(fèi);若采用懸掛式截水帷幕,則必須計(jì)算取值正確截水帷幕長度。本文通過典型的基坑工程實(shí)例,分析在深厚透水層中開挖較淺基坑采用懸掛式截水帷幕設(shè)計(jì)時(shí)平時(shí)容易忽略的點(diǎn)及在整個(gè)施工過程中的注意事項(xiàng)。

1 工程概況

該工程位于某街道,場地位于沖洪積平原地貌單元,原已建物尚未完全拆除,待基坑開挖時(shí)該建筑將被全部拆除,距離場地西側(cè)約5.0 m外均為2～6層磚混結(jié)構(gòu)民房,距離南側(cè)約2.0 m為生產(chǎn)廠房,基礎(chǔ)型式為淺基獨(dú)立基礎(chǔ),東西兩側(cè)均有一水泥便道,交通較便利。

本場地現(xiàn)場整平高程為19.0 m。本基坑工程為一層地下室,基坑開挖至承臺(tái)墊層底時(shí),基坑開挖深度為4.8～5.7 m。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本次鉆探結(jié)果,場地上部為素填土、泥質(zhì)細(xì)砂和卵石,中部為燕山期二次侵入的花崗巖風(fēng)化層,下伏基巖為燕山期二次侵入的花崗巖。巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)條件

本場地位于沖洪積平原地貌單元,場地全部鉆孔均有揭示地下水。②泥質(zhì)細(xì)砂和③卵石中的孔隙型潛水,透水性較好,富水性一般,補(bǔ)給來源主要為大氣降水和水頭位置較高的同一含水層的側(cè)向補(bǔ)給,其水位動(dòng)態(tài)受季節(jié)影響變化較大。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),②泥質(zhì)細(xì)砂的滲透系數(shù)約在3 m/d,③卵石的滲透系數(shù)約在50 m/d。花崗巖風(fēng)化層中的裂隙型潛水,其透水性差,富水性一般。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn),④砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的滲透系數(shù)約在1 m/d,⑤中風(fēng)化花崗巖的滲透系數(shù)約在0.5 m/d?？辈炱陂g場地初見水位埋深在3.2～3.8 m之間,標(biāo)高為15.64～15.93 m,穩(wěn)定水位埋深在3.0～3.5 m之間,標(biāo)高為15.84～16.23 m,地下水年水位變化幅度約為0.5 m。通過調(diào)查附近民用鉆井資料,可知場地3～5年最高水位標(biāo)高約為16.50 m,歷史最高地下水位標(biāo)高約為19.00 m。

2 原支護(hù)方案及存在問題

2.1 原支護(hù)方案

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[2]要求,通過計(jì)算比較,基坑截水型式可采用懸掛式截水帷幕。根據(jù)式(1)計(jì)算截水帷幕進(jìn)入基坑底的插入深度,其中潛水位采用勘察報(bào)告提供的穩(wěn)定水位值,基坑開挖深度取最深處,即5.7 m。計(jì)算得到截水帷幕進(jìn)入基坑底的插入深度為2.3 m,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)截水帷幕總長為8.0 m。

(1)

式(1)中,ld為截水帷幕在坑底以下的插入深度,m;D1為潛水面或承壓水含水層頂面至基坑底面的土層厚度,m;γ′為土的浮重度,kN/m3;Δh為基坑內(nèi)外水頭差,m;γw為水的重度,kN/m3;Kf為流土穩(wěn)定性安全系數(shù),安全等級(jí)為一、二、三級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu),Kf分別不應(yīng)小于1.6、1.5、1.4。

根據(jù)勘察報(bào)告提供的基坑周邊鉆孔的地層信息,截水帷幕均在稍密的泥質(zhì)細(xì)沙層中,故在基坑外側(cè)布置單軸攪拌樁作為截水帷幕。整體采用“排樁+內(nèi)支撐支護(hù)+單軸攪拌樁”截水帷幕支護(hù)。單軸攪拌樁在卵石層面層?；诱w采用“排樁+鋼筋混凝土”內(nèi)支撐。基坑降水采用井點(diǎn)降水,設(shè)置回灌井。

2.2 存在問題

施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙施工圍護(hù)樁及截水帷幕。在施工單軸攪拌樁截水帷幕過程中,由于實(shí)際地層卵石面有起伏,攪拌樁無法在中密卵石層施工,部分?jǐn)嚢铇段催_(dá)到設(shè)計(jì)圖紙長度,截水帷幕僅施工至卵石層面。施工單位未及時(shí)通知建設(shè)及設(shè)計(jì)單位,在施工完圍護(hù)樁、截水帷幕及內(nèi)支撐后,施工單位開始對(duì)基坑進(jìn)行抽水并分層開挖?；娱_挖時(shí)正值雨季,工程所在地連續(xù)兩周下大雨,施工單位擔(dān)心雨水回灌故加大了基坑的抽水量。雨停后基坑周邊出現(xiàn)多處下沉裂縫,且基坑側(cè)壁局部也發(fā)生了流土現(xiàn)象,基坑周邊淺基房屋墻壁產(chǎn)生裂縫。地面沉降裂縫寬約20 mm,高差約80 mm,基坑周邊磚砌圍墻裂縫呈八字形,情況十分危急,嚴(yán)重影響基坑周邊房屋及人員安全。

根據(jù)后期水位監(jiān)測數(shù)據(jù),基坑存在過度抽水現(xiàn)象。大雨期間地下水位比勘察報(bào)告提供的潛水位高出近1.5 m。根據(jù)施工記錄,發(fā)生流土現(xiàn)象處攪拌樁長度未達(dá)到設(shè)計(jì)長度。

3 臨時(shí)搶險(xiǎn)措施

險(xiǎn)情發(fā)生后立刻組織施工單位進(jìn)行搶險(xiǎn),回灌地下水使水位恢復(fù)正常值,采取土方回填反壓措施,土方回填至排樁冠梁底面,并且要求提高監(jiān)測頻率。著重監(jiān)測地下水位,最終監(jiān)測單位反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,基坑頂?shù)乇硭轿灰萍俺两?、坡體深層水平位移、坡頂建筑豎向、水平位移及傾斜等監(jiān)測數(shù)據(jù),均小于預(yù)警值。地下水位也恢復(fù)至原水位。

4 事故發(fā)生原因分析

此次事故發(fā)生的主要原因是地下水。首先在最初設(shè)計(jì)時(shí),采用穩(wěn)定水位進(jìn)行計(jì)算截水帷幕。該區(qū)域地下水水位受季節(jié)影響較大,應(yīng)事先向建設(shè)單位了解基坑開挖施工時(shí)間,若在雨季進(jìn)行施工,則應(yīng)該取最高水位計(jì)算。若暫時(shí)無法確定施工時(shí)間,由于距離基坑較近處存在淺基民房,應(yīng)采用最高水位計(jì)算懸掛式截水帷幕長度。在選用截水帷幕樁型時(shí)應(yīng)綜合考慮整個(gè)場地的地層情況,按最不利的情況選用樁型。其次攪拌樁施工不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求長度時(shí),施工單位應(yīng)及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)單位及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)當(dāng)天氣情況異常時(shí),應(yīng)及時(shí)反饋建設(shè)單位及設(shè)計(jì)單位,不應(yīng)私自過多抽水。施工攪拌樁時(shí)樁垂直度未達(dá)到要求,且搭接寬度亦未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后在施工過程中監(jiān)測未按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求頻率進(jìn)行。在地下水位及沉降位移超過預(yù)警值時(shí)未及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

5 方案變更設(shè)計(jì)

鑒于本基坑工程存在以上問題,必須對(duì)現(xiàn)有的截水帷幕進(jìn)行變更,以確?；幼陨矸€(wěn)定及周邊建構(gòu)物的安全。加固處理同時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:①已將原設(shè)計(jì)的支護(hù)樁施工完成,本次變更方案應(yīng)盡可能利用原支護(hù)樁,以免造成浪費(fèi);②控制基坑及周邊建構(gòu)物的繼續(xù)變形,最終保證基坑開挖過程的穩(wěn)定。

5.1 變更方案

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場分析,基坑周邊發(fā)生沉降的主要原因?yàn)檫^度抽水,基坑側(cè)壁發(fā)生流土現(xiàn)象主要是因?yàn)閿嚢铇堕L度不夠。綜合以上原因,基坑加固的主要方案為調(diào)整增加截水帷幕。由于支護(hù)灌注樁已施工,無法在樁之間施工咬合樁,經(jīng)過綜合考慮及計(jì)算最終在支護(hù)灌注樁后施工一排咬合樁。咬合樁樁徑為800 mm,間距為600 mm,搭接長度為200 mm,樁長增加至15 m。咬合樁采用旋挖成孔,灌注素混凝土及M7.5水泥砂漿。素混凝土樁與水泥砂漿樁咬合形成截水帷幕。

5.2 計(jì)算分析

基坑淺基礎(chǔ)荷載取45 kPa,周邊地表沉降圖如圖1所示。

圖1 周邊地表沉降圖

選3～5年場地最高水位及地層最不利鉆孔以及監(jiān)測時(shí)最高水位進(jìn)行滲透穩(wěn)定性計(jì)算。水位埋深為0.5 m;水位標(biāo)高為18.0 m;卵石層頂標(biāo)高為11.5 m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[2]對(duì)滲透穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算(式(1))。按咬合樁長15 m計(jì)算,得到流土穩(wěn)定性安全系數(shù)為3.8,大于1.6,滿足要求。由圖1可知,坑頂最大沉降量為17 mm,距離基坑5 m處最大地面沉降為8 mm,滿足要求。

6 變更方案施工與檢測

咬合樁施工順序示意圖如圖2所示。圖中A1～A5為素混凝土樁Φ800,B1～B5為水泥砂漿咬合樁Φ800。施工順序?yàn)? B1→B2→A1→B3→A2→B4→A3→B5→A4→B6→A5。

圖2 咬合樁施工順序示意圖

水泥砂漿樁強(qiáng)度等級(jí)為M7.5,素混凝土強(qiáng)度為C20。水泥砂漿樁應(yīng)在場地整平標(biāo)高后采用旋挖成孔進(jìn)行施工。樁身檢測[3]:水泥砂漿樁應(yīng)在28 d齡期后綜合采用試塊試驗(yàn)檢測[4]。漿液試塊強(qiáng)度試驗(yàn)每臺(tái)班抽檢一根樁,每根樁2個(gè)取樣點(diǎn),每個(gè)取樣點(diǎn)制作3件試塊,試塊均滿足要求。 咬合樁滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也符合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[3]、《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50202—2018)[5]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[6]中有關(guān)規(guī)定及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

7 基坑監(jiān)測

基坑施工期的監(jiān)測由第三方具有資質(zhì)的單位進(jìn)行,監(jiān)測單位根據(jù)設(shè)計(jì)方案出具了監(jiān)測方案,并嚴(yán)格按照監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測?；釉谠斜O(jiān)測方案中新增了部分深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)、基坑地表水平位移及沉降監(jiān)測點(diǎn)、基坑周邊建筑豎向、水平位移及傾斜監(jiān)測點(diǎn)以及地下水位監(jiān)測。其中,基坑深層水平位移累計(jì)值為15.5 mm,支護(hù)樁身變形(測斜)累計(jì)值為14.0 mm,坑頂?shù)乇沓两道塾?jì)值為11.0 mm,基坑周邊建筑最大沉降累計(jì)值為6.0 mm。各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求,表明本次變更方案起到了控制地下水的作用,并使基坑開挖過程處于穩(wěn)定安全的狀態(tài)。

8 結(jié)論

在地下水豐富及地層透水性良好的地區(qū)開挖基坑要特別重視對(duì)地下水的控制。在地下水變化受季節(jié)影響較大且坑底以下含水層厚度大的地區(qū),采取懸掛式截水帷幕時(shí),應(yīng)對(duì)地下水從帷幕底繞流的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。在設(shè)計(jì)截水帷幕采用何種樁型時(shí),應(yīng)綜合考慮整個(gè)場地的地層情況,切忌僅參考基坑邊線的鉆孔資料。施工單位在施工過程中嚴(yán)禁盲目私自變更方案或偷工減量。基坑開挖過程中要有完整的監(jiān)測體系,監(jiān)測單位應(yīng)按設(shè)計(jì)或監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測,及時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。