濒临河流埋深大于四十米基坑底止水工艺及参数

2024-03-14刘天祎

山西建筑 2024年6期

刘天祎

(江苏华东建设基础工程有限公司,江苏南京 210007)

0 引言

地下空间是一种宝贵的资源,其开发利用通常分为四个层次：-10 m以内的浅层空间、-30 m～-10 m的次浅层空间、-50 m～-30 m的次深层空间和-100 m～-50 m的深层空间[1-2]。在实践中,对人员进出稀少的水利工程中的输水隧洞等,设计人员通常会利用次深层、深层空间,而把宝贵的浅层、次浅层的地下空间资源留给人员进出频繁的地下室、地铁等。无论利用哪个层次的地下空间,为了保证基坑中建(构)筑物的顺利施工,皆会遇到基坑底止水的问题。

基坑底止水工艺,通常有两种：1)把围护结构插入基坑底一定深度结合降水井,利用围护结构及降水井[3-6],把场地地下水位面降低到基坑底以下1 m;2)把水泥浆注入到基坑底的地层中,浆液与地层颗粒形成固结体,利用固结体的止水性能保证基坑中建(构)筑物顺利施工。在濒临大河、埋深超过40 m的基坑场地,不仅场地中砂层发育、厚度大,而且砂层中地下水与大河存在水力联系,砂层中承压水头高。选择围护结构结合降水井的基坑底止水工艺,往往会产生围护结构和降水井深度大、工序多、风险大、成本高、止水效果达不到预期目的等问题,而且降水会引起地面沉降[7-8]、建(构)筑物倾斜开裂等环境效应。因此,把水泥浆注入到基坑底地层中形成止水固结体日益引起设计人员的重视,该工艺省去了降水井,减小了围护结构的插入深度,成本较低,几乎没有环境效应,但是为了保证止水效果,需要选择经济有效的止水工艺及施工参数。

依托某水利工程中濒临某河流的输水隧洞的盾构机接收井基坑,对巨厚砂层中埋深超过40 m基坑底止水工艺及施工参数进行了研究,研究结果不仅可供同行在濒临大江大河巨厚砂层中盾构机始发端、接收端、基坑底止水时借鉴参考,而且有助于次深层、深层空间的开发利用。

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

某水利工程年输水量2亿多立方米,该工程不仅保证了周边几百万人口的生活用水及工业用水,而且发展灌溉农田12万ha,社会、经济效益显著。该水利工程有一条长度3 km、下穿某河流的输水隧洞。采用盾构法施工输水隧洞,完工后,盾构机接收井作为工作井,用于穿越河流输水隧洞的日常检修。盾构机接收井基坑呈圆形,围护结构为厚度1.5 m的地下连续墙,圆中心至地下连续墙外边线的半径为10.90 m,地下连续墙由8幅Ⅰ期槽段、8幅Ⅱ期槽段组成,槽段之间采用套铣接头(见图1)。

1.2 工程地质条件

1.2.1 地形、地层

场地地形平坦,勘察深度范围内地层属第四纪河流冲积的沉积物[9],从上至下分为13层：

①重粉质壤土：黄褐色,可塑状;层底高程92.66 m～98.97 m,层厚0.6 m～4.3 m;标贯击数4击～6击,平均4.8击。

②粉砂：黄—褐黄色,砂质不均;层底高程88.92 m～94.0 m,层厚2.0 m～10.3 m;标贯击数6击～9击,平均7.3击。

②-1砂壤土：黄褐—棕褐色,土质不均;层底高程89 m～96.62 m,层厚1.0 m～6.9 m;标贯击数4击～9击,平均6.0击。

③细砂：灰褐色,稍密—中密,砂质不均;层底高程82.9 m～95.6 m,层厚0.9 m～8.3 m;标贯击数6击～13击,平均9.4击。

④粉质黏土：棕褐—灰褐色,硬塑,土质不均;层底高程81.12 m～83.3 m,层厚1.0 m～7.8 m;标贯击数5击～9击,平均6击。

⑤重粉质壤土：浅黄—棕黄色,硬塑,含1 cm～3 cm钙质结核,土质不均;层底高程 72.0 m～82.65 m,层厚1.2 m～14.3 m;标贯击数5击～15击,平均9.7击。

⑥轻粉质壤土：褐黄色,可塑状,土质不均;层底高程84.92 m～87.42 m,厚度4.7 m～6.4 m;标贯击数8击～15击,平均10.9击。

⑦重粉质壤土：褐黄色、灰黄色,可塑状;层底高程88.72 m～89.48 m,厚度6.2 m～8.0 m;标贯击数3击～7击,平均5击。

⑧粉质黏土：褐黄色,可塑状,局部软塑状;层底高程79.62 m～86.2 m,厚度3.0 m～7.8 m;标贯击数4击～10击,平均6击。

⑨重粉质壤土：浅棕黄色,可塑状为主;层底高程77.95 m～81.17 m,厚度0.8 m～6.9 m;标贯击数7击～12击,平均9.4击。

⑩重粉质壤土：浅黄、褐黄色,可塑—硬塑状;层底高程 74.39 m～79.07 m,厚度1.5 m～4.4 m;标贯击数9击～19击,平均12.6击。

1.2.2 地下水

根据勘察期间的水位监测,场地地下水主要为承压水,含水层为③细砂、中细砂、中细砂。含水层③细砂的承压水的隔水层顶板为②-1砂壤土,底板为④粉质黏土、⑤重粉质壤土,该层承压水与濒临的河流水力联系密切。含水层中细砂、中细砂的承压水的隔水层顶板为⑧粉质黏土、⑨重粉质壤土、⑩重粉质壤土。

场地砂壤土、轻粉质壤土具弱—中等透水性;中、重粉质壤土、粉质黏土具微透水性;粉砂、细砂、中细砂具中等—强透水性。

2 基坑底止水工艺选择

接收井围护结构剖面图如图2所示。由图2可知：1)场地面标高为95.56 m,接收井基坑底标高为46.81 m;2)地下连续墙插入基坑底30.75 m,基坑底中细砂、中细砂为承压水层且中等—强透水性。为了隔断承压水与基坑的连通,保证基坑内水利工程构筑物顺利施工,设计要求在地下连续墙外边线2 m的平面范围内、基坑底以下10 m即标高36.81 m～46.81 m的竖向范围内实施灌浆止水,在灌浆范围内形成连续的固结体,固结体28 d抗压强度不小于1.8 MPa,渗透系数不大于1×10-5cm/s。

按场地面标高95.56 m计,灌浆止水离地面的深度为48.75 m～58.75 m,选择经济合理的止水工艺及施工参数是实现设计目的的关键。

三轴水泥搅拌工法受三轴水泥搅拌桩机桩架高度的限制[10],目前最大止水施工深度为30 m,因此,三轴水泥搅拌工法不适合接收井基坑底止水的工艺。

三重管旋喷工法是从三重管旋喷桩机的钻杆底部一个喷嘴中喷出压力不小于25 MPa的水横向切割地层,另外两个喷嘴分别喷出压力不小于0.8 MPa的水泥浆、压力不小于0.7 MPa的空气,横向喷射注入到已被切割的地层中,使水泥浆与地层颗粒混合形成止水的柱状固结体,并借助空气的上升力把切割的地层颗粒带到地表排除[1]1-5。用三重管旋喷工法在该场地中止水施工,会遇到以下两个问题：1)中细砂标贯击数10击～44击,平均27.7击,中细砂标贯击数17击～44击,平均28.4击,由表1可知,三重管高压旋喷桩的最理想桩径为0.9 m～1.5 m,因为桩径小于2 m,增加了桩数,止水成本上升。2)三重管旋喷工法止水深度不超过30 m[1]496。因此,三重管旋喷工法不适合接收井基坑底止水的工艺。

表1 高压旋喷桩建议直径* m

双高压旋喷工法简称为RJP工法(Rodin Jet Pile)[11],该工法是在三重管旋喷工法的基础上改进而来,即水、水泥浆压力25 MPa以上[1]711-721[11],空气压力0.7 MPa以上。作业时,钻杆上段高压水和压缩空气混合复合切割地层,然后,钻杆下段高压水泥浆和压缩空气再一次切割地层,同时把水泥浆注入到已被切割的地层中。因为水、水泥浆二次横向切割地层,止水深度超过三重管旋喷工法,双高压旋喷桩的直径达到2 m以上。

MJS工法(Metro Jet System)是在RJP工法基础上改进而来,增加了多孔管主动排浆和孔内压力监测措施,实现强制排浆和孔内浆液压力稳定[1]711-721[12],不仅降低了向地层注浆时对周边建(构)筑物的环境效应[12],而且成桩深度、直径更大,更能保证成桩质量。

鉴于接收井濒临河流,加上止水深度超过40 m、止水范围内地层特征、含水性以及工程重要性,为了保证止水桩质量,基坑底止水工艺采用MJS工法。

3 MJS工法桩应用

3.1 现场工艺试验

为了最大限度地发挥MJS工法的作用,降低止水成本,并获得工艺参数,在濒临接收井基坑场地布置了两组MJS工法桩进行工艺适应性试验。试验桩设计参数：1)φ2 000@500 mm,φ1 500@450 mm(见图3);2)长度为场地面至超过基坑底12 m,即标高34.81 m～95.56 m,单根桩长60.75 m,总长243 m;3)水泥掺量35%,水灰质量比1∶1。

在淤泥发育的地层中应用MJS工法时,需反复下放、拆接套管以保证孔壁的稳定性,因此,降低了施工工效。鉴于场地地层中不发育淤泥,为提高施工工效,对MJS工法的工艺流程进行了改进,去除了套管下放、拆接,用PVC管代替套管,改进后的工艺流程如图4所示。实施时,采用BHD-210钻机在泥浆护壁条件下引孔,然后用SJL-120MJS工法桩机。