騎馬井施工過程基坑滲漏水原因分析與治理方法探究

祁 濤（上海市政建設(shè)有限公司，上海 200126）

0 引 言

隨著城市化的發(fā)展，早期建造的污水管道的運行工況均發(fā)生了較大變化，一般都處于長期超負(fù)荷運行狀態(tài)，產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的老化問題。常見的問題有腐蝕、開裂、變形、滲漏或其他損壞等。為了確保老舊管道的正常運行，并延長其使用壽命，需要進(jìn)行修復(fù)和改造。一般常用老舊管道的修復(fù)方法有更換整段管道、內(nèi)襯修復(fù)、化學(xué)清洗增加防腐涂層等，這些方法均需要將人工以及相關(guān)物料輸送至作業(yè)地點，同時也需要創(chuàng)造良好的通風(fēng)作業(yè)條件。在原有管道上新建騎馬井對老舊管道開蓋與其連接可以有效解決上述問題，并可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況靈活設(shè)置騎馬井，因此采用新建騎馬井的方法對原有管道進(jìn)行修復(fù)和改造是一種非常靈活、便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的方法。然而，由于騎馬井的特殊構(gòu)造，在騎馬井的施工和運行過程中，基坑滲漏問題時有發(fā)生，這嚴(yán)重影響了騎馬井施工和運行的安全。因此，騎馬井基坑滲漏水問題的原因分析和治理措施研究具有重要的理論意義和實踐價值。

1 騎馬井概況及基坑構(gòu)造

1.1 項目概況

本項目為某市老舊污水管道修復(fù)項目，該管道位于高架正下方，高架橋樁基騎跨于管道之上，管徑內(nèi)徑為3.5 m。舊管道由于已滿負(fù)荷運行30年，現(xiàn)已腐蝕嚴(yán)重，存在較大的安全隱患，為了保證老舊管道在各種工況條件下的可靠性和安全性，需要對其采取修復(fù)措施。舊管道在當(dāng)時采用頂管法施工，相鄰井位間隔1 km左右，為滿足管道修復(fù)期間臨時排水，修復(fù)期間不中斷運行、投料、人員進(jìn)出、管道內(nèi)通風(fēng)換氣以及修復(fù)完成后管道維護(hù)等功能需求，需要在待修復(fù)管段區(qū)間新開若干井位，新開井采用騎馬井形式。

新開井騎跨于原有管道上，在原有管道上新建檢查井，把原有管道開蓋以實現(xiàn)管道與新開井的連接，這種騎跨于原有管道上的井俗稱為騎馬井[1]。本工程管道位置示意圖如圖1所示。

圖1 管道位置示意圖

1.2 騎馬井基坑構(gòu)造情況

騎馬井基坑尺寸寬度為5.5 m，基坑開挖深度為7.0 m左右，長度根據(jù)使用要求的不同（投料井及臨泵始發(fā)井）分為7.5 m和10.5 m2種，筆者以長度為10.5 m的基坑為例進(jìn)行相關(guān)分析。

根據(jù)設(shè)計要求，騎馬井施工基坑圍護(hù)采用Ф600鉆孔灌注樁，樁長16.5 m，遇到管道打至基坑短邊上方300 mm；長邊止水帷幕采用Ф2400@1800MJS旋噴樁；短邊止水帷幕，角部采用Ф2400@1800MJS旋噴樁，管頂以上采用斜打14°豎向變徑MJS旋噴樁。基坑開挖遵循“先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”原則，并采用疏干降水確?？觾?nèi)水位位于開挖面下1 m。新開井處保留半環(huán)管道，通過植筋與新澆井壁連接，半環(huán)管道底部兩側(cè)交叉斜打MJS旋噴樁能夠在管道底部形成有效加固體，通過上拉下托的組合方式，確保半截管道荷載的有效傳遞。管道修復(fù)完成后，所有新開井將繼續(xù)保留，為將來再次檢修管養(yǎng)時使用。騎馬井基坑截面及構(gòu)造模型如圖2、圖3所示。

圖2 騎馬井基坑剖切（沿管道縱向）截面示意圖

圖3 騎馬井基坑構(gòu)造模型

1.3 周邊環(huán)境及工程地質(zhì)水文情況

本項目騎馬井基坑位于老城區(qū)，周邊交通繁忙、市政設(shè)施眾多，情況復(fù)雜；涉及的重點保護(hù)設(shè)施有高架、燃?xì)夤?、給水管、道路等，在騎馬井施工過程中為了盡量減少施工對地面交通的干擾，在需要進(jìn)行占道施工時選擇在夜間進(jìn)行。

根據(jù)本項目地質(zhì)勘察資料，本項目地基土在25.3 m深度范圍內(nèi)均為第四系松散沉積物，屬濱海平原相，全線主要由飽和黏性土、粉性土組成。

按地基土地質(zhì)時代、成因類型、分布發(fā)育規(guī)律及工程地質(zhì)特征，可將其劃分為4個主要工程地質(zhì)層，8個工程地質(zhì)亞層。根據(jù)場地土層分布情況，擬建工程沿線主要以正常沉積區(qū)為主，土層分布存在一定變化。

工程部位潛水賦存在淺部土層中，②3為潛水含水層。其穩(wěn)定水位埋深為1.2～1.6 m，平均水位埋深為1.37 m，相應(yīng)水位標(biāo)高為+1.3～+1.8 m，平均水位標(biāo)高為+1.62 m。

1.4 騎馬井施工滲漏情況

在進(jìn)行基坑開挖過程中，當(dāng)開挖至第二道支撐（開挖深度4 m左右）以下1 m時發(fā)生了滲漏情況，坑底短邊方向出現(xiàn)嚴(yán)重滲水并有擴(kuò)大趨勢。為避免對周邊土體穩(wěn)定造成影響，并影響周邊道路、高架的安全，施工單位立即采取措施對基坑進(jìn)行回填處理，回填高度至第二道支撐位置。根據(jù)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，在發(fā)生滲漏以后，水位觀測點反映水位出現(xiàn)了下降的情況，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，滲漏點位于基坑短邊位置，為此，施工項目部對基坑滲漏原因進(jìn)行分析，以便制訂相應(yīng)處理措施。

2 騎馬井基坑滲漏情況分析

2.1 基坑止水情況

騎馬井基坑沿管道縱向的長邊止水帷幕深入管道下方，且與管道底部MJS基坑加固及管道、圍護(hù)樁形成閉合整體，不存在滲水通道，因此能有效止水。

受現(xiàn)狀管道影響，限于施工條件，騎馬井基坑橫跨管道上方的短邊止水帷幕及圍護(hù)樁（鉆孔灌注樁）打至管道上方300 mm，因此在管道上方與鉆孔樁及MJS止水帷幕之間形成高度為300 mm，厚度（圍護(hù)及止水結(jié)構(gòu)厚度）為2.6 m，寬度（基坑寬度）為5.2 m的夾層。這是騎馬井施工普遍存在的情況。騎馬井短邊圍護(hù)樁模型如圖4所示。

圖4 騎馬井短邊圍護(hù)樁模型

綜上可知，騎馬井基坑短邊方向的夾層可能形成滲漏通道，是基坑發(fā)生滲漏的關(guān)鍵，因此需對其進(jìn)行詳細(xì)分析，從而為后續(xù)施工以及滲漏處理提供可靠數(shù)據(jù)，以便在施工時采取有效的針對措施，規(guī)避由此引發(fā)的風(fēng)險。

2.2 基坑滲漏情況分析

2.2.1 模型建立

針對基坑短邊部位進(jìn)行分析。利用GeoStudio軟件進(jìn)行建模輔助分析。

MJS止水帷幕樁相互重疊形成密實整體，根據(jù)其施工參數(shù)，施工達(dá)標(biāo)滲透系數(shù)為1.0e-09 m/s，具有良好的防滲性。因此，以MJS止水帷幕樁及圍護(hù)樁簡化為連續(xù)密實的止水帷幕整體，同時，短邊方向上夾層工況一致，在基坑寬度（即短邊）上管道頂部高差變化較小。取基坑短邊中點截面作為分析截面，以簡化分析模型并能準(zhǔn)確反映短邊上的滲漏情況。

根據(jù)地質(zhì)勘測資料，基坑各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

地下水位取平均水位標(biāo)高為+1.62 m?；幽Ｐ图安牧戏謪^(qū)如圖5所示。

圖5 基坑模型及材料分區(qū)

模型有限元單元尺寸取0.4 m進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。模型為飽和—非飽和滲流模型，根據(jù)飽和—非飽和滲流基本原理，對模型土體賦予相應(yīng)的參數(shù)，利用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊可得到對應(yīng)土體的土-水特征曲線、滲透系數(shù)曲線。模型設(shè)置完畢后，運行并分析模型結(jié)果。

2.2.2 模擬結(jié)果及分析

模型分析的目的是為了分析夾層的滲漏情況，因此取基坑開挖到底時的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行分析。求解可得模型滲流情況。

模型壓力水頭等值線及流速矢量圖如圖6所示。

圖6 模型壓力水頭等值線及流速矢量圖

由圖6可知，滲流路徑主要集中在砂質(zhì)粉土層及止水帷幕下的夾層中；而粉質(zhì)黏土層形成了一個相對不透水層。止水帷幕與管道間300 mm的夾層空間也是砂質(zhì)粉土層，其與整個砂質(zhì)粉土層共同構(gòu)成了一條滲流通道，成為基坑滲漏的原因。

對該滲流通道進(jìn)行定量分析，得到壓力水頭曲線和單位流量曲線，如圖7、圖8所示。從基坑邊緣開始，在夾層范圍內(nèi)具有較大的單位滲流量，夾層上可達(dá)到0.015 m3/（h/m2），同時在基坑夾層邊界形成負(fù)壓，滲流將很快帶走砂質(zhì)粉土顆粒，如不采取有效措施，該滲流將很快在夾層形成管涌并擴(kuò)大，演變?yōu)閲?yán)重的基坑滲漏。

圖7 滲流通道壓力水頭曲線

圖8 滲流通道單位流量曲線

2.3 滲漏分析結(jié)論

通過以上分析，得到結(jié)論如下：

（1）騎馬井基坑施工是否出現(xiàn)滲漏，關(guān)鍵在于帷幕樁與管頂之間夾層及夾層所在土層的土質(zhì)情況。

（2）砂質(zhì)粉土層及300 mm夾層形成滲流通道，在夾層中形成較大的滲流。

（3）滲流易在夾層中形成管涌通道，導(dǎo)致滲漏擴(kuò)大。

（4）應(yīng)采取措施進(jìn)行防治，其關(guān)鍵在于封閉夾層，隔斷滲流通道。

（5）在施工基坑短邊吊腳樁時控制好樁基孔深，盡量不要擾動夾層處的土層，否則易在該處形成滲流通道，導(dǎo)致滲漏。

3 騎馬井基坑滲漏預(yù)防及治理措施

根據(jù)分析，防止基坑滲漏主要是隔斷滲流通道。對于本工程騎馬井基坑滲漏的防治方案有以下2種思路。

一是對于已出現(xiàn)滲漏的基坑，在基坑短邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采用20～50 MPa的高壓泵機，注漿壓力為40 MPa、水泥強度等級為42.5，水泥漿水灰比為1.2，水泥漿液流量為90 L/min、Ф19～22 mm的高壓漿管進(jìn)行施工，旋噴樁樁徑為800 mm，底部打至管道頂部，上方打至粉質(zhì)黏土層。這樣形成密實的止水土體，隔絕滲漏，從而起到堵漏的作用。

二是對于后續(xù)基坑圍護(hù)施工時，在設(shè)計要求的基礎(chǔ)上減小MJS止水樁的半徑即加密MJS止水樁，通過此方法來減少基坑的滲漏情況；還可按照原設(shè)計要求進(jìn)行MJS止水帷幕的施工，待施工完成后在基坑短邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采取補打高壓旋噴樁的方式進(jìn)行防滲漏處理，高壓旋噴樁的相關(guān)參數(shù)同上述滲漏處理方式。

通過本工程后續(xù)基坑開挖實際情況來看，采取高壓旋噴樁的措施取得了良好的防滲漏效果，加密MJS止水帷幕的方式防滲漏效果一般，由此說明在此類工況條件下，采用高壓旋噴樁可以有效隔絕整條滲流通道。因此上述關(guān)于基坑滲流通道的分析以及處理思路是正確的，并可得出此類型基坑防滲漏的關(guān)鍵是要分析得出滲流通道并將其封閉。

需要說明的是，本案例是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)及止水樁施工嚴(yán)格按照規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下進(jìn)行的。在止水帷幕施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況下，基坑仍可能出現(xiàn)滲漏情況。因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及止水樁施工時要嚴(yán)格按照規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保維護(hù)結(jié)構(gòu)強度及止水效果，待此項工程完成并檢測合格后方能進(jìn)行開挖。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程如果發(fā)生異常情況，要及時記錄、及時處理，減少隱患問題的發(fā)生。在基坑施工前要做好規(guī)劃，使各工序緊湊以有序減少基坑的暴露時間，這樣可以避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，從而降低滲漏的風(fēng)險。由于地下工程施工過程中不可預(yù)見的因素較多，地質(zhì)勘查也會存在一定的不確定性，有時也無法準(zhǔn)確反映土質(zhì)情況，所以會出現(xiàn)高壓旋噴樁失效的情況[2]，甚至?xí)?dǎo)致難以封堵的滲漏情況，因此基坑開挖前也要準(zhǔn)備好應(yīng)急搶險的物資確保有備無患。

4 注意事項及有效處理措施

筆者基于GeoStudio軟件對某市老舊污水管道修復(fù)項目中的騎馬井基坑進(jìn)行建模分析，得出此類基坑的滲流特點，并結(jié)合本工程的實際應(yīng)用，針對此類問題提出了如下需要注意的事項以及可采取的有效處理措施。

（1）當(dāng)管道頂部土層為滲透性較差的土體時，常規(guī)施工工藝預(yù)留300 mm的圍護(hù)夾層可避免滲漏問題，但當(dāng)土層滲透性較好時，此處容易形成滲透通道，導(dǎo)致基坑滲漏情況嚴(yán)重。因此，對于這類型基坑，應(yīng)采取有效措施對薄弱夾層進(jìn)行防滲處理。

（2）基于此種情況，在施工工藝上應(yīng)避免此滲漏層，當(dāng)不可避免地存在夾層時，在基坑開挖前可采用高壓旋噴樁進(jìn)行處理可以起到良好的防滲漏效果。

（3）對于已開挖的基坑，如果出現(xiàn)滲漏則可采取緊急回填，在坑外采用高壓旋噴樁進(jìn)行封堵等措施處理。

5 結(jié) 語

騎馬井由于其特殊的與其他結(jié)構(gòu)形成的騎跨形式，在圍護(hù)、止水方面有其自身的特點[3]。隨著社會的發(fā)展，需要修復(fù)的老舊污水管道將越來越多，通過修建騎馬井來實施老舊管道的修復(fù)工作是一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，因此騎馬井的運用將會越來越廣泛[4]。筆者基于某市老舊污水管道修復(fù)項目在實踐中取得了較好的效果，對騎馬井基坑的滲漏特點及預(yù)防措施進(jìn)行了闡述，為后續(xù)此類工程提供有益參考。