膨润土球团在深基坑止水帷幕渗漏封堵中的应用

2015-07-09周付彬

地质装备 2015年4期

周付彬

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁272100）

0 引言

随着我国城市建设的迅猛发展，结合城市建设和改造的开发，各类用途的地下空间诸如高层建筑的多层地下室、地铁车站、地下停车场、地下商场等得到大力开发，这使得基坑工程的数量日益增多，基坑规模日益增大，基坑开挖深度日益加深。随之而来地下水对基坑安全及基础施工造成了不小的影响，有许多基坑工程施工中的事故都直接或间接与地下水有关，地下水对基坑工程施工的影响是不容忽视的。在进行基坑施工中时常会遇到止水帷幕渗漏，如何解除渗漏隐患往往是确保基坑工程能否顺利实施的关键。

中心城区新建基坑周围环境越来越复杂，对基坑施工的要求也越来越高。本文针对济宁市中心城区某基坑止水帷幕渗漏情况进行原因分析及隐患处理进行总结，为今后从事类似基坑工程提供参考和经验积累。

1 工程概况

拟建工程场区（图1）位于济宁市火炬路与红星东路交叉口西南角。基坑总体形状呈“L”形，大致尺寸为东西长约165.0m，宽约40.7m；南北向长约106.0m，宽约50.7m。基坑开挖深17.0m，地下三层。

采用土钉墙＋桩锚支护方式（图2），场区地面平整，地面下7.0m为土钉墙，在7.0m处形成二层平台，7.0m以下采用桩锚支护方式，护坡桩直径800mm，桩间距1.1m，桩间采用高压旋喷桩，高压旋喷桩与护坡桩咬合200mm，使其整体作为止水帷幕。

图1 渗漏点平面位置示意图

2 工程、水文地质条件

场区地形平整，地势较平坦开阔，起伏较小。场区地貌宏观上属汶泗河冲洪积平原。

影响开挖深度范围内的地层主要为：

（1）杂填土：杂色，松散－稍密，土质以建筑垃圾为主，含少量黏性土；

（2）素填土：灰褐色，灰色，松散－稍密，土质以黏性土为主，含少量碎砖块、灰渣等；

（3）粉质黏土：灰黄色，棕黄色，可塑－硬塑，粉质含量高，局部夹薄层黏土；

（4）黏土：棕褐色，深灰色，浅灰黑色，软塑－可塑，局部含少量有机质；

（5）粉质黏土：灰黄色，浅棕黄色，浅灰色，可塑－硬塑。

图2 止水帷幕及支护立面和封堵平面示意图

（6）中细砂：浅黄色，棕黄色，松散－稍密，稍湿，成分主要为石英、长石，顶部与薄层灰色粉土互层；

（7）黏土：棕黄色，棕褐色，硬塑－坚硬，顶部夹薄层棕黄色粉质黏土。

（8）粉质黏土：灰黄色，褐黄色，棕黄色，可塑－硬塑；

（9）黏土：兰灰色，棕褐色，棕黄色，硬塑；

（10）粉质黏土：浅黄色，灰黄色，棕黄色，可塑－硬塑；

（11）细砂：浅黄色，棕黄色，稍密－中密，饱和；

（12）粉质黏土：棕黄色，灰黄色，可塑－硬塑，局部夹薄层粉土；

（13）粉细砂：浅黄色，棕黄色，中密－密实，饱和；

（14）粉质黏土：褐黄色，棕黄色，可塑－硬塑，局部夹薄层粉土；

（15）中砂：浅黄色，棕黄色，密实，饱和，成分主要为石英、长石，分选性及磨圆度中等；

（15）黏土：褐黄色，棕黄色，硬塑－坚硬，局部为粉质黏土。

地下水稳定水位埋深9.0m 左右，标高32.20m。场区地下水主要为第四系孔隙潜水，含水层主要为8－1层细砂，厚度0.70～1.90m、10层粉细砂，厚度2.80～4.90m、11－1层中砂，厚度0.50～1.30m。地下室开挖时水位位于基底以上。

3 止水方案

根据设计方案，基坑采用井点降水＋止水帷幕方案，井点布置包括止水帷幕外侧和基坑内疏干井布置，止水帷幕由护坡桩及桩间高压旋喷桩整体构成帷幕。降水时间历时1年，由于降深达9m之多，局部电梯井处降深达12m（该处降水另有方案再此不表）。施工过程中遇到了很多困难，其中，在土方开挖至15m时，先后遇到3处基坑侧壁地下水严重渗漏情况。

4 渗漏原因分析

发现渗漏后，渗漏点出水量由小到强，并伴随泥沙，特别浑浊，现场第一时间采取用准备好的密目纱网卷制成卷堵塞在渗漏点用木桩压好并马上土方堆填压实，防止泥沙过度外泄造成护坡桩失稳进一步导致基坑边坡塌方的危险，这样只是临时止住了泥沙严重外泄问题，但要想立即封堵住水渗漏的确是太困难了。从三处渗漏点，根据现场情况当时初步判断渗漏原因有以下几点：

（1）渗漏点在15m左右处，由于当时降水时间短，现场水位距渗漏点位置3.0m左右，根据渗漏伴随外泄泥沙现象，结合勘察报告判断渗漏点位于砂层处，从附近开挖剖面来看渗漏点处于黏性土和砂层结合部，即大概处于（12）粉质黏土与（13）粉细砂结合处。也就是说在高压旋喷桩施工时由于土质物理性质的突变不均匀，特别是如黏性土同砂土或粉土结合部处物理性质变化巨大，桩体介质材料差异，形成桩体“畸形”点，个别位置就发生了渗漏现象。

（2）在距离三处渗漏点附近约5m范围内都布置有降水井，在高压旋喷桩施工时已经开始降抽水作业，由于距离较近并且砂层渗透性极强抽水时可能携带泥沙或水泥浆对帷幕桩质量造成损害。

（3）施工操作时由于桩心偏距，造成高压旋喷桩同护坡桩咬合度不足导致渗漏。

（4）也可能是以上三点共同作用导致渗漏。

5 渗漏处理

第一处渗漏点发生于基坑东北角偏南处，发生渗漏后，立即采取土方堆填压实的简单处理方法，防止大量泥沙外泄造成边坡失稳。随后，制定封堵初步方案，确定渗漏点具体位置，从二层平台立设钻机，以渗漏点为中心向南北各10m长度范围内布设封堵注浆孔，孔间距0.5m，孔径130mm，孔深钻至渗漏点以下1.0～2.0m，渗漏点附近至少处理2.0m，并根据情况加密注浆孔。间隔成孔注浆，全面钻进，以水泥浆液作为循环液。准备防渗水泥，水玻璃、钻机等准备工作，水泥采用的是快硬膨胀硫铝酸盐水泥R.SAC42.5，成孔钻机采用XY－100型钻机，水玻璃水泥浆液配制的比例：水玻璃∶水泥＝1∶1.15或1∶1.5。配制时，将水玻璃溶液徐徐加入已调配好的水泥浆液中，搅拌均匀即可。在对渗漏点处第一个钻孔注浆期间，发现有水泥浆液从漏点处外淌，马上采取延长注浆间隔时间，间隔3～4h注浆，但水泥浆液仍然外淌，并且无法注满钻孔，同时发现渗漏水速加大，犹如泉涌，伴随泥沙，很明显从钻孔注浆，浆液从下部流出形成涮孔，估计已经在渗漏点附近淘成空洞。立即采取堆土压实临时措施。分析原因，推断主要是由于水头压差大，砂层渗透性强，水流急湍，造成涮孔，水泥浆液无法“聚集”，不能形成凝固体。当务之急是减小水头压差或减缓流速，制造形成凝固体的“环境”，通过多种方法调试，最终确定采用膨润土球团＋水泥浆液＋水玻璃组合方式止水。在当地凿井施工中，采用干燥后的膨润土球团进行上部浅层止水方法多有使用，在当地就有生产和销售膨润土球团矿山企业，施工方法简单，费用经济，并且效果很好。

膨润土具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；作为充填料，在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的黏滞性、能变性和润滑性；有较强的阳离子交换能力；对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于自身的重量；它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性。

膨润土是一种黏土岩、亦称蒙脱石黏土岩、常含少量伊利石、高岭石、埃洛石、绿泥石、沸石、石英、长石、方解石等；一般为白色、淡黄色，因含铁量变化又呈浅灰、浅绿、粉红、褐红、砖红、灰黑色等；具蜡状、土状或油脂光泽；膨润土有的松散如土，也有的致密坚硬。主要化学成分是二氧化硅、三氧化二铝和水，还含有铁、镁、钙、钠、钾等元素，Na2O和CaO含量对膨润土的物理化学性质和工艺技术性能影响颇大。蒙脱石矿物属单斜晶系，通常呈土状块体，白色，有时带浅红、浅绿、淡黄等色。光泽暗淡。硬度1～2，密度2～3g/cm3。按蒙脱石可交换阳离子的种类、含量和层电荷大小，膨润土可分为钠基膨润土（碱性土）、钙基膨润土（碱土性土）、天然漂白土（酸性土或酸性白土），其中钙基膨润土又包括钙钠基和钙镁基等。

其实膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85%～90%，膨润土的一些性质也都是由蒙脱石所决定的。蒙脱石可呈各种颜色如黄绿、黄白、灰、白色等等。可以成致密块状，也可为松散的土状，用手指搓磨时有滑感，小块体加水后体积胀大数倍至20～30倍，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状。蒙脱石的性质和它的化学成分和内部结构有关。

由于有很好的吸水膨胀性能以及分散和悬浮及造浆性，因此用于钻井泥浆或止水充填料。

基于膨润土以上物化性质，选用鸡蛋大小的无规则状干燥膨润土球团，球团硬如石头，成孔后，采用连续从孔口投填，关键是湍急的水流无法将球团从空间有限的渗漏点带出来，球团遇水膨胀逐渐充胀渗漏空间并减缓渗漏水流速度，观察渗水情况，适时二次下钻，下钻提钻的同时向孔中注入调和好的添加玻璃水的水泥浆液，在球团之间起到“勾缝、填缝”加速凝固的作用，最终使渗漏点附近同帷幕形成一体杜绝渗漏隐患。施工流程见图3。

图3

6 效果评价

通过以上方法，顺利完成对SL1号渗漏点的封堵处理，同样方法对后续SL2号、SL3号渗漏点处理均取得了良好效果，本工程地下3层，结构复杂土建施工难度大，施工周期长，基坑回填前经历了两个雨季但再没有发生过基坑止水帷幕渗漏问题，确保了基坑边坡安全，封堵过程中避免了水泥浆液过度外漏，节约了水泥，膨润土就近取材价格便宜，极大的提高了施工效率，为基础后续施工顺利实施争取了宝贵时间，事后获得了业主良好评价，在安全、经济、适用、社会效益均取得了良好的效果。

7 结论

（1）影响隔水质量的因素多且复杂，现有工艺无法做到基坑不渗漏，而且现有检测方法也不能准确的评价帷幕的整体隔水效果。因而应急预防是隔水基坑工程不可或缺而且是非常重要的一个环节。应急预防讲究措施切实有力、监控及时高效、反应迅速到位。施工现场需具有充足的技术、人力、物资准备，监控、报警、反应、行动高效有序。必要时可按照事先制定的抢险应急预案进行现场演习。总之，确保隔水结构的隔水效果，需要“过程控制，辅助检测，应急到位”。

（2）为了减少横向隔水帷幕出现漏点数量，降低发生涌砂等破坏地基、支护结构等事故，施工中旋喷桩搭接厚度不低于100～200cm，基坑越深，搭接厚度越大。

（3）对场地地下水赋存状态的了解程度和地下水的存在对基坑工程的影响方式，决定了基坑工程施工能否顺利的重要前提。因此，在基坑工程施工前查清和了解场地的水文地质条件是非常重要的。

（4）进行帷幕桩施工一定要了解土层分布情况，特别是应了解不同地层渗透性，在进行施工注浆操作中采用不同压力，确保成桩质量，避免发生“蜂窝、麻点”引起的渗漏。

（5）针对 “护坡桩＋桩间高压旋喷桩”组合形成止水帷幕的止水方式，在高压旋喷桩施工时一定要注意桩中定位，只有定位准确才能确保桩间咬合均匀满足帷幕整体质量要求，否则造成偏差就会发生局部点或更严重的上下通缝渗漏。

（6）基坑边坡变形过大容易引起帷幕裂缝进而导致渗水，因此在基坑施工过程或使用过程中一定要加强围护结构和周边环境的变形监测，提前预警，做好应急措施。

（7）在投填时用钻具上下疏捣密实，最大限度的减少空隙率，以保证膨润土球团充胀密实，注浆采用间歇式，根据所用材料标号及掺入比例不同视情况2个小时左右。

（8）在济宁地区主要是汶泗冲洪积平原，地下水主要为第四系孔隙潜水，浅部地层主要为黏性土和砂层，地下水主要赋存于砂层，通过本工程，采用的处理方法是适宜的，当然工程还是因地制宜在其它地方可以作为参考酌情试用。

［1］胡国超，刘施蕊.邻近建筑物的深基坑工程实例［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013（10）.

［2］刘来新.曹妃甸地区基坑支护降水方案选择及设计建议［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012（4）.

［3］李亮，石燕霞.建筑桩基技术规范修订实施以来的若干思考［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014（5）.

［4］孙加永.多种技术手段在基坑地下水控制中的应用［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2010（5）.

［5］建筑地基处理技术规范（JGJ79—2012）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.