高水頭條件下超深豎井滲透特性及防滲技術(shù)研究

薛惠江，周王鵬，蒲仕洋，陳保國

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

地連墻作為一種深基坑圍護結(jié)構(gòu)，具有較好的支擋效果[1-2]。豎井常用圓形地連墻作為主要圍護結(jié)構(gòu)，圓形地連墻由于拱效應(yīng)的存在比矩形地連墻具有更好的擋土、擋水效果，但地連墻成槽施工時，圓形地連墻兩槽段間將形成折角，使接縫處質(zhì)量難以把控[3-4]。因此，如何提高富水地區(qū)圓形地連墻的施工質(zhì)量及豎井的防滲能力值得進一步研究。

某豎井隧洞受黃河影響明顯，地下水系豐富，豎井地連墻施工存在塌孔、接縫漏水等問題，為了防止地連墻滲漏，謝向榮等[5]分析了在基坑外15m 設(shè)置防滲灰漿墻，用于隔絕砂層中的水力聯(lián)系，并對盾構(gòu)出洞段采用冷凍法進行防滲。孫秋龍等[6]針對30m 深圓形地連墻施工提出采用純抓法成槽，對兩槽段間的折角進行修槽處理，提高槽段接縫質(zhì)量。針對盲豎井在掘砌過程中出現(xiàn)不同程度的涌水，李文光等[7]提出采用注漿進行堵水，為保證注漿效果，增設(shè)了注漿鉆孔數(shù)量，采取低壓力中流量注入。針對穿越卵石夾漂石層的某豎井地連墻施工技術(shù)難題，代保平[8]提出在地連墻槽壁兩側(cè)注漿，使卵石夾漂石層固結(jié)，隨后再進行地連墻成槽施工。針對填海區(qū)含巨厚人工填土層及軟土層，地下水系豐富，地連墻接縫處易發(fā)生滲漏的問題，韓龍偉等[9]使用高壓旋噴樁進行接縫處止水加固，取得了較好的效果。

根據(jù)目前研究現(xiàn)狀可知，由于豎井深度一般較大，需考慮高水頭地下水的作用并進行防滲處理，目前對于80m 超深豎井的防滲研究較少。本文依托深圳市內(nèi)水資源配置工程中的超深豎井公明檢修井工程，研究富水地區(qū)高水頭作用下，復(fù)雜地層中豎井的滲漏特點，提出超深豎井的防滲處理系統(tǒng)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)的配套項目，公明檢修排水井位于深圳市區(qū)，是該輸水隧洞工程中重要的節(jié)點工程。該檢修井邊有緊鄰建筑及管線，豎井外徑34.9m，開挖深度77m，支護采用“地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)襯墻”的形式，地連墻深度80m。

公明檢修排水井周邊環(huán)境復(fù)雜。該豎井處于茅洲河南岸，屬沖積平原地貌；豎井位于南光大道與公明北環(huán)大道夾角間空地；以北約45m 為合水口排洪渠，以南約78m 為上下村調(diào)蓄池，以西約190m 為茅洲河，北西側(cè)緊鄰閘室泵站管理房約13m，地下水豐富，開挖過程中水頭壓力大。圖1 為公明檢修排水井周邊環(huán)境。

圖1 公明檢修排水井周邊環(huán)境

1.2 工程地質(zhì)條件

公明檢修排水井處茅洲河南岸，屬沖積平原地貌，地勢平緩，地面高程4.5～7.3m。地表人工填土厚4～6m，其下為第四系沖洪積（Qal+pl）細砂（厚2m）、淤泥質(zhì)黏性土（厚2.94m）、中粗砂（厚3.09m）及砂礫層（厚3.08m），下伏基巖為侏羅系塘廈組（J1-2t）泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖等；表層泥巖（泥質(zhì)粉砂巖）全、強風化厚1.2～5.5m，局部厚度達13.8m，風化不均；弱風化層厚1.4～11.0m。井位區(qū)巖層產(chǎn)狀（38°～52°）∠（10°～20°），井區(qū)發(fā)育1條斷層，主要分布于巖屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖中，鉛直厚度5～8m，傾向北東與南東，以中傾角為主，斷層物質(zhì)主要為角礫巖、碎裂巖。

工程區(qū)第四系黏性土具微～弱透水性，細砂土具中等～弱透水性，中粗砂具有中等～強透水性，砂礫層具強透水性，泥巖（粉砂質(zhì)泥巖）一般具微透水性，砂巖具弱透水性。地下水位埋深約為6.5m，砂層中的地下水具承壓性，承壓水頭1～2m，可能與地表水存在聯(lián)系。

2 圓形地連墻滲透特點分析

2.1 圓形地連墻成槽質(zhì)量分析

圓形地連墻的成槽質(zhì)量直接關(guān)系到豎井的防滲能力，分析圓形地連墻滲透特點首先需對成槽質(zhì)量進行分析。

公明檢修排水井的圓形地連墻成槽施工共分為兩個槽序進行跳槽施工，兩個槽段間搭接。由于地連墻為圓形，因此在槽段接頭部位將出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角的出現(xiàn)增加了地連墻接頭的施工難度，同時圓形地連墻深度達80m，進一步增大了施工誤差，導致超深圓形地連墻接頭部位薄弱，施工縫隙大，且縫隙分布不均，易出現(xiàn)滲漏和破壞。圓形地連墻穿越第四系沖洪積（Qal+pl）層及泥、砂質(zhì)沉積巖層，以上地層含泥、砂量大，在地連墻成槽時將導致循環(huán)泥漿含砂率過高，易使地連墻在墻體和接頭部位出現(xiàn)夾渣、夾泥等現(xiàn)象，降低施工質(zhì)量。

2.2 含水層分析

公明檢修排水井周邊存在河流、蓄水池、湖泊，地下水位高（埋深6.5m，開挖深度77m），且地下水與地表水存在水力聯(lián)系。豐富的地表水資源是地下水的主要補給源。

工程區(qū)第四系中粗砂、砂礫層厚度大，具中等～強透水性，是滲流的主要通道，嚴重影響地連墻成槽時槽壁穩(wěn)定。泥質(zhì)粉砂巖與巖屑砂巖裂隙較發(fā)育，局部破碎，為導水通道，且后續(xù)卸荷開挖將導致裂隙進一步擴大，增加滲流量。中粗砂滲透系數(shù)平均為3.19×10-3，砂礫層滲透系數(shù)平均為2.27×10-2。

壓水試驗結(jié)果表明，公明檢修井穿越的巖層為弱透水層，透水率普遍介于1Lu～2Lu 之間，而裂隙發(fā)育處平均為5.9Lu，最大可達8.5Lu。

通過以上分析可知，工程區(qū)地下水補給豐富，第四系砂性土與基巖中裂隙為主要的導水通道，在公明檢修排水井的圓形地連墻成槽時需對覆蓋層深度段進行槽壁加固、止水，對全段地連墻應(yīng)進行防滲處理。

3 超深豎井防滲處理系統(tǒng)

通過圓形地連墻滲透特點分析可知，需對全段地連墻進行防滲處理。為此，本文針對不同防滲部位選用不同的防滲措施，綜合考慮采用高壓旋噴樁、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、接縫和墻趾注漿防滲與內(nèi)襯墻防滲聯(lián)合防滲處理系統(tǒng)。

3.1 高壓旋噴樁防滲

高壓旋噴樁是一種有效的防滲處理手段，將噴嘴插入設(shè)計標高，旋噴提升噴嘴，噴嘴噴射水泥漿切割土體形成水泥加固體，從而達到改善土體的作用。施工區(qū)覆蓋層為松散填土、軟土和砂層，砂層厚度大且與地下水聯(lián)系緊密，在圓形地連墻成槽及開挖時將存在涌水、涌砂等問題。為了提高圓形地連墻成槽質(zhì)量，防止成槽及開挖過程中出現(xiàn)涌水、涌砂、槽壁坍塌等問題，公明檢修排水井采用高壓旋噴樁進行防滲及槽壁加固處理。

高壓旋噴樁施工于地連墻成槽前，沿著地連墻平面位置兩側(cè)進行布置，樁與樁之間咬合形成連續(xù)的防滲墻。高壓旋噴樁直徑1.2m，樁間距0.89m，設(shè)計樁長為20～32m，在實際施工中高壓旋噴樁底部高程根據(jù)地層變化確定，要求高壓旋噴樁插入強風化不小于3m。高壓旋噴樁根據(jù)噴射方法不同分為單管法、雙管法和三管法，三管法噴射高壓水泥漿、高壓氣、高壓水，因此固結(jié)范圍大、成樁樁徑大，一般用做止水帷幕樁，本工程中高壓旋噴樁采用三管法成樁。

注漿效果是影響高壓旋噴樁成樁質(zhì)量的主要因素。漿液采用42.5 級礦渣硅酸鹽水泥與清水1:1 制備；旋噴管從下向上旋轉(zhuǎn)注漿，如果出現(xiàn)停電故障，再次注漿時向下搭接0.5m 保證旋噴樁的連續(xù)性；在底部噴射時，加大噴射壓力，重復(fù)旋噴或降低噴嘴的旋轉(zhuǎn)提升速度；提升至砂礫層等較堅硬土層和中粗砂（承壓水層）時可適當加大噴射壓力，降低旋轉(zhuǎn)提升速度，以增加固結(jié)范圍，防止旋噴樁出現(xiàn)縮頸。當旋噴管提升接近樁頂時，從樁頂以下1.0m 開始，放慢提升速度，旋噴數(shù)秒后再向上慢速提升至樁頂面，當漿頂面高度達到要求后停止水泥漿及空氣的輸送，將旋噴漿管旋轉(zhuǎn)提升出地面，關(guān)閉鉆機。詳細施工流程見圖2。

圖2 高壓旋噴樁施工流程

3.2 泥漿循環(huán)系統(tǒng)防滲

公明檢修排水井圓形地連墻深80m，穿越覆蓋層包括細砂、淤泥質(zhì)黏性土、中粗砂、砂礫層等，穿越下伏基巖，包括泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖等。泥、砂質(zhì)巖土層將導致泥漿循環(huán)時含砂率高，循環(huán)泥漿性能差，最終導致地連墻成槽時接頭及墻體部位夾渣、夾泥，產(chǎn)生滲漏，因此需對該問題設(shè)計出一套高效泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

圓形地連墻成槽深度大，地層條件復(fù)雜，護壁泥漿需具有較好的泥漿穩(wěn)定性。根據(jù)室內(nèi)泥漿配比研究，圓形地連墻成槽護壁泥漿配比見表1。泥漿箱采用可裝配結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)混凝土泥漿池相比，可利用性高，運輸方便。循環(huán)泥漿的除砂尤為關(guān)鍵，泥漿含砂率過高，將導致混凝土澆筑時，泥砂沉降在混凝土表面，本工程選用ZE250（250m3/h）泥漿除砂機，處理效率高，除砂效果好，除砂率在90%以上。圓形地連墻成槽時產(chǎn)生大量廢漿，傳統(tǒng)廢漿處理方式常為密封罐車外運遺棄或囤積曬干運出[10]，其占用場地大，污染嚴重，資源利用率低。本工程中選用中俄1500 型壓濾機對廢棄泥漿進行處理，壓濾機將廢漿分為清水和泥餅，其中清水可用于工地混凝土養(yǎng)護、灑水降塵等，泥餅可用作回填土、有機土等再利用。泥漿循環(huán)流程見圖3。

表1 新制泥漿配合比（1m3漿液）

圖3 泥漿循環(huán)流程圖

若在使用過程中發(fā)現(xiàn)由于泥砂過多導致除砂機效率低下，還可在除砂機之前先用較大孔徑振篩網(wǎng)進行初篩，再使用除砂機二次除砂。當過濾泥漿含砂量仍過高時可與新制泥漿混合，降低含砂率。

3.3 地連墻接縫與墻趾防滲

公明檢修排水井地下連續(xù)墻墻厚1200mm，采用套銑接頭形式，共劃分了Ⅰ序槽段及Ⅱ序槽段各12 個，Ⅰ序槽段采用三銑成槽，Ⅱ序槽段采用一銑成槽。Ⅰ序槽段中間存在兩個173.17°轉(zhuǎn)角，Ⅰ序槽段與Ⅱ序槽段轉(zhuǎn)角為171.83°。轉(zhuǎn)角的存在使地連墻接頭施工難度增大，質(zhì)量難以控制。施工時，在Ⅱ序槽段成槽結(jié)束后需刷壁3～5 次，清除Ⅰ序墻接頭面上的泥皮和淤積物，防止接頭夾泥、夾渣。

接縫注漿與墻底雙排帷幕注漿用于基巖防滲，防滲要求為透水率q≤3Lu。預(yù)埋接縫灌漿管布置在Ⅱ期槽段鋼筋籠兩側(cè)端頭，采用φ76mm 鋼管，帷幕預(yù)埋灌漿管采用φ108mm 鋼管，布置在鋼筋籠兩側(cè)。預(yù)埋管布置詳見圖4。

圖4 槽段預(yù)埋灌漿管布置圖

接縫注漿在地連墻Ⅱ期槽段成槽完成后，待混凝土強度達設(shè)計強度時進行。墻底雙排帷幕注漿分序進行，在豎井開挖完成后，底板施工前，進行外側(cè)帷幕注漿，在豎井底板施工完成后，再進行內(nèi)側(cè)帷幕注漿。墻底灌漿壓力為1.5MPa。

3.4 鋼筋混凝土內(nèi)襯墻防滲

公明檢修井鋼筋混凝土內(nèi)襯墻采用逆作法施工，防滲部位包括上層內(nèi)襯墻與下層內(nèi)襯墻接縫，以及內(nèi)襯墻與地連墻連接部位。內(nèi)襯墻上、下層接縫采用接縫注漿防滲，接縫灌漿管采用全斷面可重復(fù)式注漿管，預(yù)埋在上層內(nèi)襯墻底部；內(nèi)襯墻與地連墻連接部位采用回填灌漿，回填灌漿管采用DN40鋼管。

在內(nèi)襯墻及底板施工完成后方可進行內(nèi)襯墻接縫灌漿。灌漿采用純壓式灌漿法，灌漿壓力為0.2～0.3MPa。灌漿采用水泥的強度等級為42.5 或以上，水泥細度宜為通過80um 方孔篩的篩余量不大于5%。采用普通水泥漿液，接縫灌漿水灰比為0.5，漿液中宜加入減水劑。在設(shè)計規(guī)定的壓力下灌漿孔停止吸漿，接縫灌漿延續(xù)灌注5min，即可結(jié)束灌漿。

回填灌漿管兼作澆筑下層內(nèi)襯墻混凝土排氣管，需防止混凝土澆筑時堵塞管口，回填灌漿管間距3m，分一序管和二序管，一序管和二序管間隔布置，一序管間距6m，夾角120°；二序管間距6m，夾角130°?；靥罟酀{待內(nèi)襯墻及底板施工完成后方可進行，灌漿采用純壓式灌漿法，灌漿壓力為0.3 ～0.5MPa?；靥罟酀{采用水泥強度等級為42.5 或以上，漿液的水灰比采用1.0 和0.5 兩級，一序孔可直接灌注0.5 級漿液，二序孔可灌注1.0 和0.5 兩級漿液?？障洞蟮牟课粦?yīng)灌注水泥基混合漿液或回填高流態(tài)混凝土。

4 結(jié)束語

公明檢修排水井處于富水環(huán)境，工程采用“圓形地連墻+鋼筋混凝土內(nèi)襯墻”的支護形式，地連墻深度大，基坑開挖深度達77m，水頭壓力大，開挖深度內(nèi)強透水性砂層厚度大、基巖裂隙發(fā)育，開挖施工過程中存在涌水、涌砂及井壁坍塌等問題。工程及地質(zhì)條件表明，公明檢修井在施工開挖過程中必須采取可靠的防滲措施來保證工程的施工安全。

文中詳細分析了超深地連墻槽段滲透特性，認為圓形地連墻兩槽段間接縫是滲漏的主要部位，同時第四系砂性土與基巖中裂隙為主要的導水通道。根據(jù)地連墻滲透特性提出了一套“高壓旋噴樁帷幕墻、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、地連墻接縫注漿及墻趾帷幕墻防滲、內(nèi)襯接縫注漿及地連墻-內(nèi)襯墻接觸面注漿防滲”聯(lián)合處理系統(tǒng)，保證了公明檢修排水豎井的安全施工，同時也可為類似工程提供參考。