郁 蔥

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

支護(hù)和地下水處理，是深基坑工程的核心問(wèn)題。深基坑工程中，為增加邊坡和坑底的穩(wěn)定性，減少被開(kāi)挖土體含水量，便于開(kāi)挖，或防治突涌發(fā)生，常需要對(duì)基坑進(jìn)行降水[1]。但基坑降水往往會(huì)破壞周邊水的平衡，容易衍生其他災(zāi)害，如引起鄰近土體和其他構(gòu)筑物的開(kāi)裂下沉[2]。而采用止水帷幕技術(shù)，不需要大量抽排地下水，不僅能有效控制周邊沉降，也有利于保護(hù)地下水資源[3]。止水帷幕根據(jù)其使用原理和功能的不同，主要有止水與支護(hù)聯(lián)合式結(jié)構(gòu)、止水與支護(hù)分離式兩種。前者如高壓旋噴樁、水泥土深層攪拌樁、旋挖咬合樁、地下連續(xù)墻等[4]，既作支護(hù)結(jié)構(gòu)，又用作止水；后者如鋼板樁/非咬合樁＋外側(cè)灌漿帷幕、鋼板樁/非咬合樁主要用作支護(hù)，灌漿帷幕主要用作止水。

TAM灌漿工法是一種結(jié)合壓密灌漿、劈裂灌漿等現(xiàn)代灌漿理論而發(fā)展形成的新型地表垂直深層帷幕灌漿止水技術(shù)。在TAM灌漿工法的基礎(chǔ)上，結(jié)合水泥膨潤(rùn)土灌漿和矽酸鈉化學(xué)灌漿，即形成TAM兩階段灌漿工法。文章結(jié)合澳門(mén)離島醫(yī)院－護(hù)理學(xué)院項(xiàng)目深基坑工程案例，驗(yàn)證了這種新型的TAM兩階段灌漿止水帷幕體系在富水填土區(qū)深基坑中的有效性。

2 TAM兩階段灌漿工法介紹

(1)TAM灌漿原理

TAM管泄?jié){孔設(shè)計(jì)、外皮漿設(shè)置、灌漿芯管的獨(dú)特構(gòu)造，是TAM灌漿工法的核心，見(jiàn)圖1。

圖1 TAM灌漿系統(tǒng)

TAM為英文Tube-A-Manchette的縮寫(xiě)。TAM管，又俗稱馬歇兒管。在管壁外徑一般每間隔約330 mm，環(huán)向鉆有三排共10個(gè)直徑為6 mm的泄?jié){孔(見(jiàn)圖2)，外包橡皮膠圈。橡膠圈的作用是當(dāng)孔內(nèi)加壓灌漿時(shí)橡膠圈脹開(kāi)，漿液從泄?jié){孔進(jìn)入地層，停止灌漿時(shí)橡膠圈在TAM管外部漿液的作用下封閉泄?jié){孔，阻止泥土和地下水逆向進(jìn)入TAM灌漿管內(nèi)，從而起到灌漿管的單向閥作用[5]。

圖2 TAM管泄?jié){孔構(gòu)造

外皮漿可在TAM管周?chē)纬删哂幸欢◤?qiáng)度的環(huán)形保護(hù)層，注漿時(shí)漿液在TAM管有泄?jié){孔的部位擠碎外皮漿，而上部和下部的外皮漿仍具有一定強(qiáng)度，可以阻止?jié){液的上下流動(dòng)，因此漿液就只在一定范圍橫向流動(dòng)，有效地降低了冒漿和串漿的可能。

灌漿芯管具有上下兩個(gè)止?jié){塞形成的止?jié){系統(tǒng)，能將漿液限定在灌漿區(qū)域的任一段泄?jié){孔范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿。止?jié){系統(tǒng)在光滑的TAM管內(nèi)可自由移動(dòng)，一般由下而上，達(dá)到分段灌漿的目的?？蓳?jù)地層情況選擇連續(xù)或跳段灌漿，也可在某一段灌漿區(qū)域內(nèi)反復(fù)灌漿。灌漿時(shí)，漿液通過(guò)灌漿芯管經(jīng)過(guò)上部止?jié){塞，從灌漿芯管的出漿孔流出，進(jìn)入TAM管和上下兩個(gè)止?jié){塞封閉的泄?jié){孔區(qū)域，在壓力作用下，橡膠圈被頂起。隨著漿液的聚集，壓力達(dá)到一定程度后，TAM管外側(cè)的橡膠圈被脹開(kāi)，外皮漿被擠碎，從而漿液被擠壓到地層中。被加壓的漿液就會(huì)沿著地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充填、滲透、壓密、劈裂流動(dòng)，此時(shí)由于供漿量小于進(jìn)入量，壓力會(huì)自動(dòng)回復(fù)到平衡狀態(tài)，后續(xù)的漿液在壓力作用下，使得劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在土體中形成固結(jié)體，從而達(dá)到增加地層強(qiáng)度，降低地層滲透性的目的[6～7]。

(2)TAM兩階段灌漿工法特點(diǎn)

TAM灌漿工法，可根據(jù)地層特點(diǎn)，也可采用不同的材料進(jìn)行分階段灌漿。常見(jiàn)的有兩階段灌漿法，灌漿材料主要有水泥、膨潤(rùn)土和矽酸鈉(俗稱水玻璃)化學(xué)漿[8]。

第一階段灌漿一般以水泥為主劑、以膨潤(rùn)土為輔劑，用于填充土顆粒間較大之孔隙；第二階段灌漿以矽酸鈉為主劑、以水泥漿液為輔劑，填實(shí)土顆粒間微細(xì)之孔隙，令該區(qū)土層達(dá)成飽和狀，使其成一緊密固結(jié)幕體[9]。

3 TAM兩階段灌漿工法應(yīng)用案例

3.1 工程案例簡(jiǎn)介

澳門(mén)離島醫(yī)院－護(hù)理學(xué)院項(xiàng)目深基坑工程，地庫(kù)占地面積約2 700 m2，一般開(kāi)挖深度為13.03～14.43 m，局部最大開(kāi)挖深度達(dá)16.83 m。項(xiàng)目用地由填海而來(lái)，工程地質(zhì)自上而下依次為回填土(7～8 m厚)、海泥層(3 m厚)、沖擊土層(14～20 m厚)、風(fēng)化土層(3.5～7 m厚)、花崗巖石層。地下水位約在自然地面以下2.5 m，地下水豐富。

項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)采用鋼板樁與鋼管樁相結(jié)合的圍護(hù)系統(tǒng)，在圍護(hù)系統(tǒng)外圍設(shè)315個(gè)灌漿孔，利用TAM灌漿工法，分兩階段進(jìn)行水泥膨潤(rùn)土灌漿和矽酸鈉化學(xué)灌漿。灌漿深度由地面以下1 m至巖面以下1 m，形成一道垂直止水體系。

3.2 TAM兩階段灌漿施工工藝流程

TAM兩階段灌漿主要施工工藝流程包括鉆孔、安裝TAM管、灌注外皮漿、第一階段水泥膨潤(rùn)土灌漿、第二階段矽酸鈉化學(xué)灌漿等。施工工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 TAM兩階段灌漿施工工藝流程

3.3 TAM兩階段灌漿工法技術(shù)要點(diǎn)

3.3.1 配合比優(yōu)化

第一階段灌入為水泥膨潤(rùn)土漿液，第二階段灌入為矽酸鈉化學(xué)漿液。原設(shè)計(jì)建議的漿液配合比見(jiàn)表1～表2。

表1 第一階段配合比 kg

表2 第二階段設(shè)計(jì)建議配合比 kg

按照設(shè)計(jì)要求，第二階段灌漿配合比需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試拌，試拌的控制性指標(biāo)即矽酸鈉化學(xué)漿液凝固時(shí)間要控制在1～3 min。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多輪試拌，最終確定的第二階段配合比見(jiàn)表3。

表3 第二階段試拌確定配合比

3.3.2 灌漿過(guò)程質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)外皮漿灌注完成24 h后，方可在TAM管內(nèi)插入灌漿芯管，自下而上分層進(jìn)行灌漿。

(2)在每一階段灌漿前，在TAM管底插入高壓水槍進(jìn)行充分沖洗，清走管內(nèi)雜物和漏漿。

(3)TAM管泄?jié){孔豎向間距一般為330 mm，受TAM管構(gòu)造限制，每層灌漿厚度須控制在330 mm以內(nèi)。

(4)第一階段灌漿完成12 h時(shí)后，方可進(jìn)行第二階段灌漿。

(5)在每一階段灌漿完成后，取出灌漿芯管，待漿液凝固后(一般為5 min左右)，在TAM管底插入高壓水槍進(jìn)行充分沖洗，以防止?jié){液凝固后堵塞泄?jié){孔。

(6)灌漿過(guò)程中應(yīng)密切注意灌漿壓力的變化。每層灌漿時(shí)，壓力表應(yīng)出現(xiàn)兩次峰值。出現(xiàn)第一次峰值是由于TAM管被外皮漿包裹所引起，當(dāng)外皮漿被漿液擠碎，該峰值迅速下降；隨著漿液的注入，地層中間的空隙被填充，灌漿壓力也逐漸增大，直到達(dá)到第二次峰值[10]。

(7)第二階段灌漿完成，清洗徹底灌漿孔后，頂部加蓋保護(hù)好灌漿孔，以備開(kāi)挖過(guò)程中有滲漏的情況下及時(shí)進(jìn)行二次灌漿止水。

3.3.3 停止灌漿條件

在灌漿過(guò)程中，通過(guò)觀察灌漿范圍內(nèi)排氣、返水、冒漿及灌漿孔吸漿量、壓力提升速度、漿流量等情況，充分收集現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)及跡象綜合判斷，及時(shí)調(diào)整灌漿方法和施工參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)，可停止帷幕灌漿:

(1)漿壓達(dá)到有效覆蓋壓力的2倍或2 bar，或400 kPa。

(2)灌入的水泥膨潤(rùn)土漿液達(dá)到每層50 L或灌入的化學(xué)漿液達(dá)到每層120 L。

(3)如以低于第(1)點(diǎn)注明的漿壓下符合第(2)點(diǎn)的規(guī)定，暫且讓漿達(dá)到初凝狀態(tài)，然后采用相同的次序重新灌漿，直至達(dá)到第(1)點(diǎn)的規(guī)定。

3.4 TAM兩階段灌漿工法阻水效果評(píng)價(jià)

3.4.1 抽水試驗(yàn)驗(yàn)證

在基坑外圍止水帷幕體系施工完成后，進(jìn)行抽水試驗(yàn)對(duì)灌漿防滲效果展開(kāi)檢查[11]。

3.4.1.1 抽水試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置

(1)在基坑內(nèi)側(cè)五個(gè)不同的位置設(shè)10個(gè)抽水井(DW1～DW10)，每?jī)蓚€(gè)合為一組。

(2)在每組抽水井中間設(shè)1個(gè)水位觀測(cè)井，共5個(gè)(OW1～OW5)，用以監(jiān)測(cè)在抽水期間每個(gè)抽水井內(nèi)和其附近地下水位的變化。

(3)在止水帷幕外圍設(shè)7個(gè)水位觀測(cè)井(W1～W7)，用以監(jiān)測(cè)基坑外地下水位標(biāo)高的變化。

(4)與每組抽水井相對(duì)應(yīng)，在止水帷幕外圍設(shè)5個(gè)回灌井，以備當(dāng)墻外的地下水位驟降時(shí)(表示止水帷幕漏水)可以迅速對(duì)流走的地下水予以及時(shí)補(bǔ)充。

(5)在基坑外圍設(shè)18個(gè)地面沉降觀測(cè)點(diǎn)(GS1～GS18)，用以監(jiān)測(cè)在整個(gè)抽水期間圍護(hù)墻外地面和地下泥層沉降幅度。

3.4.1.2 抽水試驗(yàn)實(shí)施

(1)初始的監(jiān)測(cè)讀數(shù)期間為24 h，由D0天9:00～D1天9:00完成。

(2)10個(gè)抽水井內(nèi)的抽水泵在D1天10:00開(kāi)始運(yùn)行持續(xù)抽水。

(3)5個(gè)觀測(cè)井內(nèi)的水位讀數(shù)顯示在D2天10:00(抽水階段)，井內(nèi)的水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后持續(xù)抽水72 h，繼續(xù)監(jiān)測(cè)各觀測(cè)井和監(jiān)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)。

(5)所有抽水泵于D5天10:00停止抽水。

(6)所有抽水泵停止運(yùn)作后，5個(gè)觀測(cè)井內(nèi)的水位讀數(shù)顯示基坑內(nèi)的地下水位開(kāi)始恢復(fù)上升，同時(shí)7個(gè)水位觀測(cè)井的讀數(shù)顯示帷幕灌漿外側(cè)地下水位保持相對(duì)穩(wěn)定不變。

(7)待5個(gè)觀測(cè)井內(nèi)水位逐漸恢復(fù)后，整個(gè)抽水試驗(yàn)于D7天12:00完成。

3.4.1.3 抽水試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)由基坑內(nèi)水位觀測(cè)井 (OW1～OW5)所錄數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)始抽水后，坑內(nèi)水位開(kāi)始迅速下降，在約24 h后坑內(nèi)水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并維持到抽水結(jié)束。停止抽水后，水位又逐漸恢復(fù)到抽水前的水位標(biāo)高，見(jiàn)圖4。

圖4 抽水試驗(yàn)期間基坑內(nèi)觀測(cè)井水位變化曲線

(2)由基坑外水位觀測(cè)井(W1～W7)所錄數(shù)據(jù)顯示，抽水開(kāi)始前后，位于基坑外圍的水位并沒(méi)有在抽水試驗(yàn)期間明顯下降。按照設(shè)計(jì)接納準(zhǔn)則，考慮潮汐變化，抽水期間，在基坑外觀察的水位與展開(kāi)抽水試驗(yàn)之前變化不超過(guò)0.5 m即可接受，見(jiàn)圖5。

圖5 抽水試驗(yàn)期間止水帷幕外側(cè)水位變化曲線

(3)在整個(gè)抽水試驗(yàn)期間所有地面沉降觀測(cè)點(diǎn)(GS1～GS18)均沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)多的沉降量，見(jiàn)圖6。

圖6 抽水試驗(yàn)期間周邊沉降觀測(cè)點(diǎn)變化曲線

(4)經(jīng)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，抽水試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)接納準(zhǔn)則，說(shuō)明TAM兩階段灌漿在基坑外圍形成了一道有效的止水帷幕，可以阻止基坑外的地下水滲漏進(jìn)入基坑內(nèi)，同時(shí)也防止了因基坑外地下水位驟降而導(dǎo)致地面的過(guò)度沉降或下陷的現(xiàn)象。

3.4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)證

開(kāi)挖期間，基坑未出現(xiàn)明顯漏水現(xiàn)象。開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖7 開(kāi)挖期間基坑內(nèi)未出現(xiàn)明顯漏水

項(xiàng)目TAM兩階段灌漿止水帷幕體系，深入巖面以下1 m，既隔斷了潛水含水層，又隔斷了存在突涌風(fēng)險(xiǎn)的(微)承壓水含水層[12]。因止水效果良好，基坑開(kāi)挖過(guò)程中未采取坑內(nèi)降水措施，僅采用了簡(jiǎn)易的坑內(nèi)明排措施?？紤]到填土區(qū)工程地質(zhì)和地下水豐富的情況，整個(gè)基坑開(kāi)挖和地庫(kù)底板結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境，已屬于較為干燥的情況，見(jiàn)圖8。

圖8 基坑開(kāi)挖和底板結(jié)構(gòu)施工環(huán)境較為干燥

項(xiàng)目自抽水測(cè)試完成起計(jì)，用三個(gè)月的時(shí)間完成了近4萬(wàn)m3的土方開(kāi)挖，之后用不到6個(gè)月的時(shí)間完成了地庫(kù)結(jié)構(gòu)建造。TAM兩階段灌漿止水帷幕效果良好，避免了富水地區(qū)深基坑工程往往需要大量抽排水可能導(dǎo)致的地面沉降，保證了基坑開(kāi)挖和地庫(kù)結(jié)構(gòu)的順利實(shí)施。

3.5 TAM兩階段灌漿工法經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

項(xiàng)目止水帷幕工程量總計(jì)5 865 m2，完工結(jié)算綜合單價(jià)為980澳門(mén)元/m2，結(jié)算總金額約575萬(wàn)澳門(mén)元。占基坑圍護(hù)系統(tǒng)(基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)、帷幕灌漿、抽水測(cè)試)結(jié)算金額的23.5%，占整個(gè)基坑工程(基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)、帷幕灌漿、抽水測(cè)試、支撐結(jié)構(gòu)安裝及拆除、土方開(kāi)挖、安全監(jiān)測(cè))結(jié)算金額的12%。整體來(lái)講，TAM兩階段灌漿工法較為經(jīng)濟(jì)、合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

TAM兩階段灌漿工法，利用TAM管和灌漿芯管的獨(dú)特構(gòu)造，具有在灌漿區(qū)域內(nèi)分段灌漿和重復(fù)灌漿的顯著優(yōu)點(diǎn)。水泥膨潤(rùn)土灌漿和矽酸鈉化學(xué)灌漿分階段結(jié)合使用，提高了止水帷幕的阻水性能。

在澳門(mén)離島醫(yī)院－護(hù)理學(xué)院項(xiàng)目應(yīng)用中，經(jīng)過(guò)抽水測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，采用TAM兩階段灌漿工法建造深入基巖的垂直止水帷幕體系，既是阻止開(kāi)挖過(guò)程中基坑地下水滲漏的有效手段，也避免了傳統(tǒng)基坑開(kāi)挖需要大量抽排水可能引致過(guò)大的地面沉降。是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、環(huán)保的新型止水帷幕技術(shù)，在富水填土區(qū)深基坑工程設(shè)計(jì)和施工中，具有參考和借鑒意義。