南昌红谷隧道临江富水砂层干坞基坑防渗墙施工技术

韩秀娟，陈 旺，王秋林

(1.上海市政工程设计研究总院有限公司，上海 200092;2.中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

近年来，随着沉管技术的不断成熟和推广，沿江的许多城市开始兴建沉管隧道。干坞是用于沉管隧道预制的基坑，须经历开挖、管段预制、灌水、舾装、坞口2次破除、1次恢复、回填等复杂工况，使用周期长，因此，选择合适的干坞防渗体系至关重要。

天津海河隧道、宁波常洪隧道等干坞采用深层水泥搅拌桩帷幕止水［1－2］，南昌地区深基坑多数采用三轴搅拌桩、高压旋喷桩、地下连续墙等帷幕止水。就成熟度和应用广泛度来说，塑性混凝土远不及普通混凝土、三轴搅拌桩等，目前国内已建、在建的几条沉管隧道中，干坞均未采用塑性混凝土防渗墙作为防渗体系，国内外塑性混凝土防渗墙主要用于坝基、土石围堰防渗和病险坝的防渗处理等水利施工中。塑性混凝土防渗墙具有强度低、弹模低、极限应变大、能适应较大变形、水泥用量少、施工方便、工效高、造价低等优点［3］，且防渗墙嵌入下部基岩后，下部基岩为相对不透水层与防渗墙形成了一个巨大的封闭箱形结构体，保证了基坑开挖的止水效果［4］。

本文以南昌红谷隧道干坞基坑为工程背景，场地内水位降深大，砂层渗透性好，在防渗要求高，针对槽段之间接头防渗、坞口破除、恢复新做防渗墙与既有防渗体系有效衔接等特殊工况，首次成功应用了塑性混凝土防渗墙作为干坞防渗体系，优势明显，防渗效果好，对类似工程具有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 设计概况

南昌红谷隧道江中沉管段长1 329 m，是国内内河规模最大、最长的城市道路沉管隧道，设置2个分体式独立子坞用于沉管管段预制，干坞位于隧址上游约8.56 km处，赣江河漫滩上，临赣江最近距离仅15 m左右，东侧紧邻赣江防洪东大堤。干坞顶部尺寸为559 m×298 m，坞底尺寸为139 m×138 m，基坑深16 m。子坞四周采用塑性混凝土防渗墙，防渗墙长1 922.8 m，墙厚800 mm，抗渗等级为P8，墙深有20.0、20.5、21.0、21.5 m 4 种类型，且要求墙底标高进入地层隔水层不小于2.0 m。干坞场地平面布置如图1所示。

图1 干坞场地平面布置图Fig.1 Plan layout of dry dock

1.2 地质情况

隧道自上而下依次穿过①素填土、③细砂、③1淤泥质粉质黏土、⑤粗砂、⑥砾砂、⑨1强风化泥质粉砂岩、⑨2中风化泥质粉砂岩、⑨3微风化泥质粉砂岩。地质剖面如图2所示。

图2 地质剖面图(单位:m)Fig.2 Geological profile(m)

1.3 地下水情况

上层滞水主要分布于①素填土中。松散岩类孔隙水主要为潜水，局部为承压，主要赋存于第四系全新统冲积层③细砂、⑤粗砂、⑥砾砂层中，该场地水位年变化幅度在3～13 m，渗透性较好，渗透系数一般为120 m/d。红色碎屑岩类裂隙水、溶隙水富水性不均一，裂隙(节理)多呈闭合状，一般富水性较差，含水层渗透系数较小。

1.4 总体方案及施工关键技术

总体方案为:作业平台－槽壁加固－导墙－Ⅰ期槽孔成槽－验孔－清孔换浆－锁扣管下放－浇筑混凝土－Ⅱ期槽孔...－防渗墙墙体检测。防渗墙施工流程见图3。

图3 防渗墙施工流程图Fig.3 Flowchart of construction of anti-seepage wall

施工关键技术有:1)塑性混凝土缺乏广泛和普遍的经验配合比，采用正交试验法试配验证。2)地质、水文条件使造孔成槽过程中易塌孔，采用三轴搅拌桩对槽壁进行加固。3)泥浆性能对成槽质量至关重要，泥浆性能指标要保证泥浆生产、供应过程控制。4)受干坞基坑特殊工况影响，槽孔划分、验孔、清孔换浆、接缝处理等工艺的选择是决定施工工期、成本、质量的主要因素。5)塑性混凝土生产、供应系统设备的配置，加强混凝土浇筑过程的控制。6)防渗墙墙体质量检测与普通混凝土地连墙不同，采用高密度电阻率法进行墙体检测。

2 混凝土配合比试配和验证

依据塑性混凝土抗压强度、渗透系数及弹性模量3个主要控制性设计指标，根据现有砂石料规格、粒径级配和水泥品种，在水泥用量区间取值，采用正交设计法，利用"均衡分散性"与"整齐可比性"的正交性原理，分3个阶段逐步确定配合比。

1)初选试验。做无侧限压缩试验，测定抗压强度和初始模量。

2)复选试验。根据初选试验挑选出抗压强度较高和水灰质量比较高的配合比。掺入与水泥等量的矿渣粉，对配合比进行复选试验，并做单轴压缩和渗透试验。

3)终选试验。选择强度、模强比和渗透系数均满足设计要求的配合比。

现场根据终选试验确定的配合比进行试配生产，然后取样复核试验，复核试验结果符合要求后进行正式量产［5］。塑性混凝土配合比及试验结果见表1和表2。

表1 塑性混凝土优选配合比Table 1 Optimized mixing proportion of plastic concrete kg/m3

表2 塑性混凝土性能指标Table 2 Performance indexes of plastic concrete

3 三轴搅拌桩槽壁加固

按以往施工经验，春夏季的南昌地区处于丰水季节，地下水位高，砂层渗透性好，在防渗墙造孔过程中经常发生槽壁塌孔现象，故采用三轴搅拌桩对槽壁进行加固。桩径φ850 mm@600 mm布置，普通桩加固深度取地面以下10 m，防渗墙接缝处两侧各3根搅拌桩进入中风化岩层不小于50 cm，接缝桩嵌入防渗墙墙体15 cm，成槽时需切削搭接宽度15 cm，以达到接缝处帷幕止水效果。布置型式如图4所示。

图4 防渗墙槽壁加固平面布置图(单位:cm)Fig.4 Plan layout of reinforcement of slot of anti-seepage wall(cm)

采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水灰质量比为1.5～2，水泥掺量为15%，桩身28 d无侧限抗压强度≥0.5 MPa。

4 泥浆制备及使用

4.1 泥浆的制备和检验

泥浆起到护壁、携渣、冷却机具、切土润滑的作用。采用膨润土泥浆，选用钠质膨润土，分散剂为工业碳酸钠，降失水剂采用钠羧甲基纤维素，搅拌用水从赣江中抽取。

根据现场试验确定，泥浆采用的配合比为膨润土∶水∶CMC∶碳酸钠 =111∶1 000∶1.11∶4.4(质量比)。膨润土泥浆性能指标如表3所示。

4.2 施工要点

泥浆系统包括泥浆池、制浆设备、输浆设备、泥浆回收净化处理装置。泥浆池容量需满足施工需要，中间设置隔挡，分别作为沉淀池、储浆池、膨化池等。搅拌设备选用立式高速搅拌机，每盘泥浆制作时间不少于3 min，存放24 h膨化后才能使用，采用压缩空气经常搅动，保持均匀。加强对新制泥浆、储浆池泥浆、成槽时槽孔内泥浆、清孔前槽孔内泥浆性能指标的检测频次。造孔泥浆和清孔泥浆宜回收，经泥浆净化装置处理后，泥浆性能指标检验合格时方可重复使用。

表3 膨润土泥浆性能指标Table 3 Performance indexes of bentonite slurry

5 造孔成槽

5.1 槽孔划分

结合现场实际情况，北坞防渗墙作为工期节点，制约着基坑开挖及沉管预制工期。槽孔分2序施工，先施工1期槽孔，后施工2期槽孔，槽孔以7.2 m长为主，北坞158幅，南坞114幅，共272幅槽孔。槽孔划分如图5所示。

图5 槽孔划分示意图(单位:m)Fig.5 Division of slot boreholes(m)

5.2 成槽工艺的选择

1)抓取法。采用液压抓斗成槽施工，耗时60 h/单槽孔，需15台液压抓斗才能满足6幅/d的工期要求。

2)钻抓法。采用旋挖钻机配合液压抓斗成槽施工，旋挖钻机钻取主孔导向，液压抓斗抓取副孔。

槽孔6幅/d机械配置情况如表4所示。

表4 所需机械配置Table 4 Machinery required

现场采集的岩样与设计存在差异，现有液压抓斗超负荷成槽施工，尤其入岩部分施工难度大、耗时长，造成设备故障率极高，工效低下。因此，无论采用何种工艺，均需增加大功率液压抓斗及旋挖钻机设备用于解决硬岩成槽。综合考虑地质情况、槽孔施工顺序、设备移动顺序、劳力配置及其他配套设备，拟需投入3台金泰SG60液压成槽机及2台旋挖钻机。

采用"两钻一抓"衍生的"两钻两抓"施工工艺。先利用旋挖钻机钻取主孔，再利用现有液压抓斗抓取副孔中泥砂部分，最后利用新增的金泰SG60液压抓斗抓取副孔中硬岩部分，不仅实现机械设备最优配置，而且能满足持续、平行、流水作业能力，工效明显增加，完成成槽6幅/d，满足工期计划要求。两钻两抓施工示意如图6所示。

图6 两钻两抓施工示意图(单位:m)Fig.6 "Two rotary drilling machines+two hydraulic grabbing machines"construction mode(m)

5.3 终孔检查

成槽结束后进行终孔检查，采用UDM100超声波检测仪检查成孔质量。超声波检测仪不仅能对最终成槽效果进行检验，而且可对成槽过程中的槽体进行检验，发现问题可及时纠正，因此，对成槽施工具有很好的指导作用［6］。仪器检测后自动绘制的典型剖面如图7所示。

5.4 接头处理及清孔换浆

清孔换浆采用气举反循环法，如图8所示。清孔换浆设备的能力及数量应满足清孔质量和清孔速度的要求，清孔换浆过程中应置换出孔内1/2～1/3的泥浆。清孔质量检验在清孔换浆完成1 h后进行，取距槽底50～100 cm高度内的泥浆比重不大于1.1 kg/m3，马氏漏斗黏度不应大于42 Pa·s，含砂率小于4%，沉渣厚度不大于10 cm。清孔合格后，应在4 h内及时浇筑混凝土［7］。

对于1期槽孔，清底后立即下放锁口管，锁口管中线与分幅线对齐，锁口管在槽口采用钢销连接，顶升架锁定，在锁口管外侧回填砂石包或土袋，以防混凝土绕流及泥浆串槽［8］。当混凝土初凝后，应经常微动锁口管，终凝后及时拔出。1期槽孔锁口管布置形式见图9。

图7 槽孔超声波成槽检测示意图Fig.7 Inspection of slot boreholes by means of ultrasonic wave

图8 气举反循环法示意图Fig.8 Sketch of inverse slurry circulation under compressed air

图9 1期槽孔锁口管布置形式(单位:m)Fig.9 Layout of interlocking pipes of Phase I slot boreholes(m)

对于2期槽孔，需切屑1期槽孔防渗墙5～10 cm，用特制带钢丝刷的方锤洗刷槽孔端头的泥皮和地层残留物，以刷子上不带泥屑、孔底淤积不再增加为合格标准。

6 混凝土施工

混凝土浇筑是防渗墙成败的关键工序。混凝土浇筑前，要拟定浇筑方案，计划浇筑方量、混凝土供应能力、运输路线、浇筑高程，导管等浇筑机具及埋设间的布置与组合，浇筑方法、开浇顺序等。

塑性混凝土作为一种特殊材料，拌合系统需专机专用，且对原材要求高。根据本工程经验，需对拌合站水、砂、膨润土计量系统进行设备改造，采用山东潍坊地区膨润土，质量优良。因膨润土损耗系数较大，拌合站生产线需提前备料，以确保满足生产需要。

采用双导管直升浇筑法连续、均匀浇筑，导管安装前作水密封试验，导管应连接牢固，加设密封圈，首灌时放置隔离球。在浇筑过程中，勤校核实浇方量与所测量混凝土高程反映的方量是否相符，一旦发现导管漏浆、堵塞、提升困难及塑性混凝土面上升速度与实浇混凝土量严重不符时，应立即停止浇筑，并查明原因，及时处理。终浇高程应比设计高程至少高出50 cm，以便将混有泥渣的不合格混凝土凿出。相邻的1期槽孔混凝土浇筑间隔时间以混凝土终凝时间为准，1期和2期槽孔混凝土浇筑间隔时间约为10 d。

7 防渗墙墙体质量检测

7.1 检测方式

相比较钻芯法、超声波法、弹性波透射层析成像法等墙体检测方法，高密度电阻率法采集的信息量大，数据观测精度高，对不均匀体的探测精度高，可实现对数据的快速采集。数据传入计算机时利用数据处理软件成像，解释直观清晰，操作简单，且不对墙体造成损坏。

采用DUK－2B高密度电法测量系统，其基本原理与常规的电阻率法完全相同，不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，在设计和技术实施上，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。图10为高密度电法工作系统示意图。

图10 高密度电法工作系统示意图Fig.10 Working system of high-density electric method

7.2 检测线路布置

沿墙的中轴线布置测线，测点间距为4 m，单侧剖面测线长度约为240 m，有效探测深度约为25 m。高密度电法测线布置如图11所示。

图11 高密度电法测线布置示意图Fig.11 Layout of measurement line of high-density electric method

7.3 探测分析

对现场采集到的高密度电法测试数据进行数据格式转换，对非值排除修正，利用瑞典版高密度数据处理软件RES2DINV进行数据反演处理，得出的电阻率断面(或等值线图)如图12所示。通过对比分析，掌握防渗墙的视电阻率变化特征及不同电阻率介质层(体)的分布形态，判断是否存在电阻率异常区，进而判断防渗墙体质量。

图12 S5～S37剖面视电阻率及反演断面图Fig.12 Apparent electric resistance ratio and inversion profile of S5～S37 profiles

由图12可以看出:所探测防渗墙顶部(浅部1～5 m段)回填砂土的饱水、表面积水及210～236 m段降排水区域的电阻率低阻异常，与墙体质量无关;在断面深度为5～20 m段电阻率值稳定处于高值，未发现电阻率高阻或低阻异常区，据此推断:防渗墙墙体均匀连续，墙体塑性混凝土胶结密实，无异常隐患。次。因塑性混凝土强度低，坞口水上部分采用挖掘机破除，水下部分采用重型抓斗船破除，工效高，成本低。

坞口新做防渗墙与既有防渗体系采用镶嵌接缝，新做防渗墙嵌入相对不透水层不低于1.5 m，接缝处采用高压旋喷桩补强帷幕止水，高压旋喷桩嵌入岩层1.5 m。新旧防渗墙搭接方式见图13。

8 坞口破除及恢复时防渗墙处理方式

9 施工效果

每个子坞需预制2个批次，坞口需破除2次、恢复1

干坞基坑防渗墙于2014年4月14日开工，2014年6月29日完成，经历了南昌地区第1个汛期的考验，顺利完成了干坞基坑开挖施工，从防渗墙墙体质量检测结果及基坑开挖过程的渗水情况来看，塑性混凝土防渗墙止水防渗效果非常好，为基底处理及沉管预制施工创造了良好的条件。

图13 新旧防渗墙搭接方式示意图Fig.13 Connection between new anti-seepage wall and existing anti-seepage wall

10 结论

1)通过采用正交配比设计法，分3个阶段淘汰优选塑性混凝土配合比，试配验证、量产，拌合站计量系统改造及专机专用，保证膨润土质量和储料，并加强对混凝土浇筑过程的控制，使防渗墙质量得到了有效保障。

2)三轴搅拌桩对丰水季节富水砂层防渗墙槽壁加固效果明显，防渗墙接缝处三轴搅拌桩需切削15 cm，且嵌岩不少于50 cm，起到防渗墙接缝处帷幕止水作用。

3)根据既有工况，配套旋挖钻机 +SG40(35A、46)成槽机+SG60成槽机，采用"两钻两抓"成槽工艺，优化施工组织，设备的合理选型及配套是快速施工的重要保障，北坞防渗墙进度为6幅/d。

4)防渗墙成槽质量的控制应从细节入手，如泥浆性能指标确定、生产、供应系统，超声波检测仪验孔，气举法清孔换浆，接缝处理等，这是保证成槽质量的关键。

5)采用高密度电阻率法采集数据，通过数据格式转换、对非值排除修正，对比分析得出电阻率断面图，通过防渗墙的视电阻率变化特征及不同电阻率介质层(体)的分布形态，判断墙体质量。

6)防渗墙强度低，坞口破除可采用挖掘机、重型抓斗船等设备，工效高，成本低。坞口恢复时新旧防渗墙搭接处采用高压旋喷桩补强，并确保嵌岩深度，以达到帷幕止水的目的。

［1］ 张斌梁.海河沉管隧道干坞关键施工技术［J］.铁道建筑技，2010(4):32 －35.(ZHANG Binliang.Key construction technology for the dry dock of Haihe River＇s immersed tunnel［J］.Railway Construction Technology，2010(4):32 －35.(in Chinese))

［2］ 杜云龙，张斌，刘千伟.宁波常洪隧道干坞施工技术［J］.地下工程与隧道，2002(2):31－35.(DU Yunlong，ZHANG Bin，LIU Qianwei.Construction technology for the dry dock of Ningbo Changhong immersed tunnel［J］.Underground Engineering and Tunnels，2002(2):31 － 35.(in Chinese))

［3］ 王清友，孙万功，熊欢.塑性混凝土防渗墙［M］.北京:中国 水 利 水 电 出 版 社，2008.(WANG Qingyou，SUN Wangong，XIONG Huan.Plastic concrete cut-off wall［M］.Beijing:China Water＆ Power Press，2008.(in Chinese))

［4］ 张磊，梁仁旺.塑性混凝土防渗墙在深基坑防水中的应用［J］.科学之友，2011(8):19 －22.(ZHANG Lei，LIANG Renwang.Application of concrete cut-off wall in deep hole excavated for building foundation waterproofing［J］.Friend of Science Amateurs，2011(8):19 －22.(in Chinese))

［5］ 彭剑，杨清平.塑性混凝土防渗墙在深基坑开挖中的应用［J］.中国港湾建设，2014(6):48 －50.(PENG Jian，YANG Qingping.Application of plastic concrete cut-off wall in deep pit excavation［J］.China Harbour Engineering，2014(6):48 －50.(in Chinese))

［6］ 刘佳东，李良刚.超声波检测仪在地下连续墙施工控制中的应用［J］.港口技术，2014(2):59 －61.(LIU Jiadong，LI Lianggang.Application of ultrasonic detector in control of elevation deviation between adjacent grooves of concrete diaphragm wall［J］.Port Engineering Technology，2014(2):59 －61.(in Chinese))

［7］ JGJ/T 291－2012现浇塑性混凝土防渗芯墙施工技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.(JGJ/T 291－2012 Technical specification for construction of plastic concrete core wall［S］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2012.(in Chinese))

［8］ 孙立宝.地下连续墙施工中几种接头形式的对比分析及应用［J］.探矿工程，2011(5):53 －56.(SUN Libao.Comparison analysis on joint shapes of underground diaphragm wall construction and the application［J］.Exploration Engineering，2011(5):53 －56.(in Chinese))