深基坑止水帷幕失效原因及对策研究

2022-02-22白乾本陈佐洪刘雷华

中国新技术新产品 2022年22期

白乾本陈佐洪陈强刘雷华

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）

0 引言

随着城市化进程加快，城市建筑空间日益缩小，深基坑的数量不断增加。止水帷幕作为控制深基坑工程地下水涌入的关键措施之一，其可靠性和有效性直接关系到基坑工程的安全[1]。但是，在大多数深基坑工程实践中，由于施工前并未进行严格的地质调查、施工方案选择不当、质量控制不严等因素，导致止水帷幕失效情况时有发生。因此，加强对深基坑止水帷幕失效原因及处理对策研究具有十分重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 基坑周边概况

拟建基坑为某办公楼地下室，基坑呈长方形，长129m，宽40m，地下室设计为3层和4层，开挖深度分别为13.5m和17.5m。该建筑周围建筑物密集且距离基坑较近：东侧基坑边距离用地红线约14 m，红线外为某市政道路；南侧为某已建研发中心，距离基坑边4.8m；西侧基坑边距离用地红线最近，红线外为某市政道路；北侧为某已建综合楼，距离基坑边约5.6 m，同时在基坑的南侧、西侧和北侧的地下均埋有建设单位内部的电缆沟和水管等，基坑周边环境极为复杂。

1.2 工程与水文地质条件

拟建场地的西南区域的局部位置是由建筑垃圾填筑鱼塘而成的，孤石发育异常。经勘查可知，场地岩土层具体分布：①素填土（Qml）、②-1粉质黏土（Qal）、②-3淤泥质粉质黏土（Qal）、②-3砾砂（Qal）、②-4淤泥（Qal）、②-5粉质黏土（Qal）、②-6中粗砂（Qal）、②-7粉土（Qal）、③砂质黏性土（Qel）。土层主要特征指标见表1。

表1 拟建场地土层主要特征指标

根据含水介质类型及埋藏条件，判断拟建场地的地下水类型主要为孔隙承压水。孔隙水主要赋存于砾砂和中粗砂层中，透水能力较强且具微承压性，孔隙承压水的主要参数见表2。在地质调查中发现，在基坑西侧不远处存在河涌，再加上砾砂和中粗砂层具有较强的透水性，导致基坑地下岩土层与河涌形成水利联系。

表2 拟建场地孔隙承压水的主要参数

2 基坑支护结构设计

2.1 设计难点

设计难点包括以下3点：1）拟建基坑具有面积大、开挖深度较深的特点。2）结合拟建基坑周边实际情况，在开挖过程中需要考虑基坑变形对市政道路、建筑物、管线等的影响，并采取相应的措施。3）基坑开挖深度范围内有②-3砾砂和②-6中粗砂含水层，因此在开挖过程中需要考虑地下水处理问题。

2.2 基坑支护方案

综合该拟建场地基坑周边环境及水文地质条件等因素，按照相关技术规程综合判定，该基坑支护结构南侧壁安全等级为一级，重要性系数为1.1，西北侧壁安全等级为二级，重要性系数为1.0，其他侧安全等级为三级，重要性系数为0.9。经研究决定，本次深基坑支护方案采用钻孔灌注桩+水泥搅拌桩止水帷幕组合的支护结构形式。具体设计参数见表3。

表3 基坑支护方案设计参数

2.3 基坑开挖过程中地下水处理

2.3.1 止水帷幕处理

综合考虑拟建场地地质条件、工程造价等因素，在水泥搅拌桩与支护桩中间采用高压旋喷桩进行补漏修复。

2.3.2 地表水处理

在基坑施工中会遇到雨季，为防止基坑成为巨型集水坑，需要进行地表水处理，通过设置截水沟，将地表径流进行集中抽排，阻止雨水进行基坑内，确保基坑施工的顺利开展。

3 止水帷幕失效及原因分析

3.1 失效情况

在本次深基坑施工中，止水帷幕失效情况如下：1）基坑南侧局部位置出现涌水点，并持续大量涌水，且坑外观测点水位变化速率超过2 m/d的警戒值，说明该位置的止水帷幕存在漏水点[2]。2）基坑西北位置持续渗水，且伴有细砂，该处出现涌水、涌砂现象，此时止水帷幕已失效。为了保障基坑施工安全，向两处涌水点注入大量混凝土才勉强堵住。全面停止基坑开挖，坑中逐渐被涌水注满，说明这两处的止水帷幕已完全失效。

3.2 原因分析

通过翻阅水泥搅拌桩成桩记录以及深入施工现场，发现止水帷幕失效的原因有以下4点：1）相关连接位置的密封工作不佳。如果止水帷幕施工中，水泥搅拌桩桩体因搭接不足或垂直度偏差引起接口咬合不足，同时还未采取有效措施对搭接冷接口进行补强处理，这样就会导致止水密封不佳，从而使止水帷幕失效。在拟建项目施工中，由于设备施工垂直度存在偏差导致冷接头处理不当，相关连接位置的密封性不佳，且在钻孔作业过程中还有部分位置并未完全封闭，导致水泥搅拌桩的成桩质量收到影响，增加了止水帷幕渗漏的风险。2）止水帷幕设计缺乏合理性。在设计止水帷幕时，并未充分考虑拟建现场的水文、地质等情况，再加上止水帷幕施工完成后，为加快施工进度，未等到桩位稳定便开展大规模的挖掘、抽水等作业，导致支护体系中出现稀释帷幕中的水泥，进而影响水泥搅拌桩的防水性能，导致止水帷幕失效[3]。3）受场地地质条件复杂且孤石的影响，加上施工机械功率受限，增加水泥搅拌桩的成桩施工难度，水泥搅拌桩的成桩深度并未达到设计要求，未穿透②-6中粗砂层，这就导致施工中形成了大量了的“吊脚桩”，留下了较大的止水帷幕渗水隐患[4]。4）未进行水泥搅拌桩性能试验。由于不同水文、地质等情况对工艺要求各有不同，因此施工前必须选取不同的施工参数对水泥搅拌桩的性能进行充分试验分析，确保其性能满足施工要求。但是在本次项目施工前未进行相关性能试验，导致混凝土性能不代表，最终出现止水帷幕渗水，对施工质量造成很大影响。

4 处理对策

针对拟建项目深基坑止水帷幕失效出现的原因，结合相关施工经验，制定以下处理对策。

4.1 对坑外帷幕注浆封堵

为有效处理止水帷幕渗漏问题，应对坑外帷幕采取注浆封堵措施，坑外帷幕注浆封堵施工工艺如图1所示。施工步骤包括以下3个：1）定位。首先应对整体帷幕进行定位，并设计科学合理的坑外帷幕注浆施工方案。2）布点。根据拟建项目施工要求，确定注浆孔位置，并按梅花状进行排布，每排注浆孔的间距为0.5m左右，其中第一排注浆孔安装在先前设置的止水帷幕外侧，并与主轴钻孔的距离约0.2m。3）注浆。注浆孔位置排布完成后，用准备好的压密针开展注浆压密工作，注浆中水与水玻璃的比例为1∶（0.8～1），注浆压力为0.5MPa～1.0MPa，注浆管压入时须保持垂直状态，并合理控制压入深度，确保压入深度控制在6m～16m，这样才能更好地发挥止水帷幕的作用[5]。

图1 坑外帷幕注浆封堵施工工艺示意图（单位：mm）

4.2 对坑外管井进行降压

由于本次施工期间雨水较多，地下孔隙承压水的涌水量较大，因此在基坑开挖时，坑内和坑外的水值相差较大。针对这种情况引起的止水帷幕失效，采取坑外注浆封堵的处理方法效果不明显，再结合拟建项目的施工状况，应深入土层对坑外管井进行降压处理，降低渗水量，改善坑内外的水值差，给坑外注浆封堵创造条件。基坑土方挖到16 m位置，使坑内和坑外保持合理的距离，减少坑内坑外压力差，防止坑内渗水，保障基坑施工安全。与此同时，还应对土质湿润度进行实时观测，并进行间歇式抽水，避免影响坑外注浆封堵的施工质量。此外，在对坑外管井进行降压处理时，应将降压井安装在基坑一侧，井深12 m，井点间距20 m，井管与井孔之间采用绿豆砂作为过滤层。

4.3 对坑内帷幕混凝土封堵

在处理止水帷幕渗漏过程中，对坑内帷幕进行混凝土封堵是十分必要的。对坑内帷幕混凝土封堵主要采用挂网喷浆的方式，通过在基底与排桩交汇处挂网喷射混凝土，形成结构坚硬的挡墙，起到封堵作用，使止水帷幕能够发挥止水作用。拟建项目基坑施工中，基坑底距离地表6.8 cm左右处会遇到渗透率及流动性较大的②-3砾砂层和②-6中粗砂层，因此在土方开挖前先根据土层特性进行基底层交接处理，即挂网喷浆封堵，采用φ8 mm钢筋，间距150 mm，与桩体可靠连接。在混凝土喷射时，对其材料有一定的要求，混凝土等级为C20，需要严格控制喷射厚度，喷射厚度控制在60 mm左右，采取分层喷射的方式进行喷射，先喷射30 mm厚度，待第一层混凝土凝固后，做好相应的养护工作，方可进行下一层的喷射作业[6]，终凝后加强喷浆混凝土养护，以保证喷射质量。对坑内帷幕混凝土封堵，能有效防止湿气、水汽进入帷幕坑内，有效密封坑内渗漏点，保证深基坑止水帷幕施工的有效性。

4.4 设定总体施工流程

施工流程如下：1）为保证加固效果，在基坑外进行双排双液注浆加固，即在密封加固坑外注浆孔作业时，依次按照第一排、第二排的顺序进行加固注浆，必须待第一排注浆孔加固完成并进行修复处理后，方可进行第二排注浆孔的加固作业，作业方向从西北角起，分别向南和东进行延伸作业。2）坑内外挂网喷浆应与注浆加固同时进行，在挂网喷浆作业时还应随时观察注浆过程中是否存在渗漏现象，采用快干水泥密封渗漏点，形成混凝土挡墙，增加止水帷幕的硬度和强度，充分发挥止水帷幕的止水效果。3）在尚未开挖到含水层部位时，同样需要在坑外设置注浆孔并进行注浆加固，待浆液凝固后，即可对该部位的坑内围护桩周围的土层进行开挖，并及时按照坑内围护桩之间的挂网喷浆施工工序进行施工。4）如果已经开挖到含水层部位，且出现渗漏现象，应采取坑外深井抽水或坑内渗水点堵漏等措施。

5 基坑监测

5.1 地下水位监测

在基坑周围浅层设置5个地下水位观测孔，对浅层地下水位进行观测[7]，部分水位观测结果如图2所示。

从图2曲线变化趋势来看，拟建项目9月出开始土方开挖，10月中开始主体结构施工，12月底主体施工完成。在基坑开挖过程中，尽管坑内一直保持有承压水，但坑外浅层水位基本保持稳定，局部受降雨量的影响升降幅度偏大。由此说明，经过处理后的止水帷幕完全隔断基坑内外的上层潜水，同时坑内承压水也未对坑外浅层水位造成影响[8]。