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        受多層地下水影響的深基坑病害的解決方案探討

        2023-10-23 13:32:16劉選朋秦國棟馬世敏蘇鐵志郭永勝閆淇銘
        巖土工程技術(shù) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:流砂漏水帷幕

        劉選朋 秦國棟 馬世敏 蘇鐵志 郭永勝 閆淇銘

        (1.航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,北京 100162;2.北京航天地基工程有限責(zé)任公司,北京 100071;3.綠城房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司,浙江杭州 310000)

        0 引言

        近年來北京地區(qū)受生態(tài)補(bǔ)水的影響,地下水位普遍抬升。昌平地區(qū)2022 年5 月份平均地下水位埋深22.89 m,較2021 年同期上漲了4.99 m,其中東小口地區(qū)平均地下水位埋深11.22 m,屬于昌平轄區(qū)地下水位最高的區(qū)域。地下水的上升給基坑支護(hù)工程的安全帶來了較大的威脅,基坑工程“水患”事故多發(fā),絕大多數(shù)事故都與土中水有關(guān)[1]。實(shí)際工程中,止水帷幕漏水、失效的情況常有發(fā)生,導(dǎo)致基坑工程事故[2-4]。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,城市中可供建設(shè)的空間越來越少,建筑場地周邊環(huán)境也日趨復(fù)雜,復(fù)雜條件下的深基坑支護(hù)工程,尤其受多層地下水影響下的深基坑工程,設(shè)計(jì)與施工技術(shù)難度更大[5-9]。

        昌平區(qū)東小口某深基坑工程周邊環(huán)境條件復(fù)雜,并受多層地下水的影響,施工過程中遇到了止水帷幕漏水、樁頂后塌陷、樁間流砂等一系列基坑病害問題,通過原因分析及現(xiàn)場試驗(yàn),總結(jié)技術(shù)處理措施,供處理此類問題參考。

        1 工程概況

        擬建項(xiàng)目包括022 和027 兩個(gè)地塊,本工程±0.00 標(biāo)高為39.60 m,大部分基底標(biāo)高為25.00~32.80 m(局部坑地位置較深),基坑設(shè)計(jì)地面標(biāo)高按39.00 m 控制,基坑深度為3.8~14.0 m,022 地塊基坑周長約880 m,027 地塊基坑周長約1140 m。

        擬建場地現(xiàn)狀地面基本平坦,022 地塊北側(cè)鄰近某小區(qū)住宅樓,距離北側(cè)紅線最近距離約為15 m。距離場地北側(cè)15 m 有一條給水管線,直徑200 mm,埋深約1.6 m;距離東側(cè)約5 m 有一條電纜線,埋深約1.2 m,距離約6 m 有一條給水管線,埋深約1.6 m。兩個(gè)地塊中間位置,距022 地塊南側(cè)約6 m 有一條給水管線,直徑為400 mm,埋深約2.5 m。

        距離場地東側(cè)約10 m 為已建市政道路,本工程施工時(shí)作為場區(qū)的主要通道使用,場地南側(cè)及西側(cè)為規(guī)劃市政道路。

        基坑支護(hù)平面布置如圖1 所示。

        圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

        2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

        2.1 工程地質(zhì)條件

        根據(jù)勘察資料,本場區(qū)的地層共分12層,典型地質(zhì)剖面圖如圖2 所示,地層概況如表1 所示。

        表1 地層概況表

        圖2 典型地質(zhì)剖面圖

        2.2 水文地質(zhì)條件

        根據(jù)勘察報(bào)告,在35 m 深度內(nèi)共揭露5 層地下水,水位情況見表2。

        表2 地下水水位

        3 基坑支護(hù)及地下水控制方案

        3.1 基坑支護(hù)方案

        根據(jù)擬建建筑的設(shè)計(jì)條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及場地的周邊環(huán)境條件,基坑采用土釘墻+樁錨支護(hù)方案,根據(jù)基坑深度的不同,共設(shè)計(jì)了13 個(gè)支護(hù)剖面,基坑深度小于10 m 的采用土釘墻或復(fù)合土釘墻支護(hù)形式,深度10~14 m 的采用樁錨支護(hù)形式。典型樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)剖面見圖3,基坑深度13.45 m,護(hù)坡樁采用直徑800 mm 鋼筋混凝土灌注樁,樁間距1600 mm,樁長20.78 m,嵌固深度7.33 m;共設(shè)置三排預(yù)應(yīng)力錨索,長度分別為25 m、28 m、25 m,錨索水平間距1.6 m。復(fù)合土釘墻典型支護(hù)剖面見圖4,基坑深度10 m,按照1∶0.4 放坡,設(shè)置4 排土釘、2 排預(yù)應(yīng)力錨索,自上而下土釘長度分別為7.8 m、8.8 m、8.8 m、5.8 m,2 排預(yù)應(yīng)力錨索長度均為15 m。

        圖3 典型樁錨支護(hù)剖面圖(單位:mm)

        圖4 典型復(fù)合土釘墻支護(hù)剖面圖(單位:mm)

        3.2 地下水控制方案

        根據(jù)勘察報(bào)告,本場地35 m 深度內(nèi)分布5 層地下水,針對(duì)場地特殊條件和《北京市建設(shè)工程施工降水管理辦法》,本工程采用“止水帷幕+疏干井+應(yīng)急減壓井”的方式進(jìn)行地下水控制。

        止水帷幕采用三軸深層攪拌樁(見圖3)。止水帷幕樁頂標(biāo)高為34.0 m(絕對(duì)標(biāo)高),樁長20 m,上部空樁5 m,基坑北側(cè)臨近現(xiàn)有建筑物一側(cè),采用φ850@600 三軸攪拌樁,其余部位采用φ650@450 三軸深層深攪樁,施工采用套接一孔搭接措施(見圖5)。

        圖5 三軸攪拌樁搭接示意圖

        坑內(nèi)設(shè)置疏干井,井深16~21 m,井間距約20 m,降水井布置應(yīng)盡量避開獨(dú)立柱基和條形基礎(chǔ),并隨土方開挖逐節(jié)摘除,直至基底作為集水抽水井,后期再進(jìn)行封閉處理,帷幕外側(cè)設(shè)置減壓降水井,減壓井間距10.0 m,井深18 m。

        4 基坑工程病害及解決方案

        4.1 止水帷幕漏水原因分析及解決方案

        由于地層并非由完全均質(zhì)的顆粒組成,部分砂層中可能存在卵石顆粒或夾雜其它包裹體、透鏡體,帷幕樁與這些較硬的包裹體之間會(huì)形成微縫隙;施工時(shí)操作人員的水平有別,導(dǎo)致帷幕樁樁體質(zhì)量有好有壞,如樁體的垂直度控制不好,會(huì)導(dǎo)致帷幕樁“劈叉”現(xiàn)象;錨桿施工時(shí)穿透帷幕墻,錨桿注漿體漿液無法保證完全與帷幕樁體閉合,即使完全閉合,錨索張拉桿體受力時(shí),也可能形成帷幕墻體與錨桿漿體間的裂縫。受以上不確定性因素的影響,基坑開挖后止水帷幕漏水問題較為常見。漏水問題處理不及時(shí),直接影響基坑的正常、安全使用。

        基坑帷幕漏水一般使用疏排和封堵兩種方案處理。

        (1)疏排方案

        對(duì)于基坑周邊無重要建(構(gòu))筑物、管線、道路等,可考慮采用疏排的方式,根據(jù)滲漏流量大小的不同,可分別采用坑外降壓疏導(dǎo)和漏點(diǎn)泄水孔疏排的方式處理。當(dāng)滲漏流量較小表現(xiàn)為滲水、滴水、小綹滲流時(shí),可進(jìn)行樁間疏導(dǎo),泄水孔可采用PVC 或鋼管材料,直徑不宜小于5 cm,孔頭插入漏點(diǎn)內(nèi)不宜小于30 cm,管壁上按照間距5~8 cm 制作小孔后纏繞100 目密目網(wǎng)進(jìn)行包裹處理,插入漏點(diǎn)后管壁與帷幕樁縫隙采用堵漏靈材料封堵,如圖6 所示。當(dāng)滲漏量較大時(shí),可采用坑外減壓井抽水降壓的方式處理滲漏問題,抽水減壓時(shí)應(yīng)做好地下水位監(jiān)測和地面沉降監(jiān)測,一旦出現(xiàn)地面沉降,及時(shí)采取相應(yīng)處理措施,可以采用回灌地下水或灌注化學(xué)漿液封堵的措施處理滲漏問題。

        圖6 漏點(diǎn)泄水孔疏排大樣圖

        (2)封堵方案

        對(duì)于基坑周邊存在重要建(構(gòu))筑物,以及對(duì)變形較為敏感的道路、管線等,或由于政策規(guī)定不允許采用抽降地下水,可采用封堵的方式解決帷幕漏水問題。封堵方案可根據(jù)滲漏量的大小,采用內(nèi)封、外封,或兩者相結(jié)合的方式。當(dāng)滲流量較小,可采用化學(xué)封堵材料配合水泥干料,涂抹于滲漏處封堵。當(dāng)滲流量較大且采用簡易封堵方法封堵不成功時(shí),可采用內(nèi)、外灌漿的方式處理,采用的灌漿材料有水泥漿液、雙液(水玻璃+水泥漿)以及為了配合及時(shí)止水效果在雙液中添加一定比例的磷酸液。王志德等[10]引進(jìn)的二重管無收縮雙液WSS 工法,根據(jù)應(yīng)用的地層范圍不同,分為懸濁液型和溶液型漿體兩種,砂卵石地層采用懸濁液(AC 液),止水系數(shù)能達(dá)到10-7~10-8cm/s。

        本工程022 地塊東側(cè),錨索采用套管鉆機(jī)施工時(shí)穿透帷幕樁,錨索注漿時(shí)出現(xiàn)漿液全被帶出的情況,注漿用量消耗了理論注漿量的5倍,仍無法形成有效的錨固體,清理后發(fā)現(xiàn)在錨索與帷幕樁交匯處有明顯的空洞,滲流量較大,該部位存在約2.0 m 的水頭差,灌入的漿液還未凝固就被流水帶出。針對(duì)現(xiàn)場情況分析,如果漿液能有效地灌入帷幕樁后地層中不被帶出,才能發(fā)揮出其應(yīng)有的作用,經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn),制作了一種“L 型”注漿單向管(管體設(shè)置單向通過閥),管端頭砸扁,頭部設(shè)置注漿小孔,插入帷幕樁后30 cm。在樁間護(hù)壁與帷幕樁中間空洞碼放袋裝水泥進(jìn)行堵口,護(hù)坡樁外側(cè)配合堆土反壓抑制水流,見圖7。前端處理完畢后,進(jìn)行高壓注漿,漿液材料選擇雙液(水泥∶水玻璃=1∶0.5,水灰質(zhì)量比0.5,水玻璃模數(shù)3.2),注漿壓力2~3 MPa,終漿壓力不小于5 MPa,注漿完畢檢查封堵口是否有繼續(xù)滲漏情況,如有繼續(xù)灌漿,直至封堵點(diǎn)封堵完畢。經(jīng)過以上處理方式,漏點(diǎn)被成功封堵,封堵過程如圖8 所示。

        圖7 漏點(diǎn)封堵處理大樣圖

        圖8 封堵過程照片

        4.2 樁間流砂、樁頂塌陷原因分析及處理方案

        地下水從錨索孔或帷幕樁裂縫處流出,尤其在砂層中,會(huì)伴隨著細(xì)小顆粒一起流出,即“流砂”,如圖9 所示。細(xì)小顆粒被持續(xù)帶出后,會(huì)造成樁間的坍塌,也會(huì)造成該部位以上地層整體下沉,在樁頂后形成空洞,如圖10 所示。冬季施工時(shí),滲漏的水被冰凍后,形成一排排冰掛,威脅基槽內(nèi)作業(yè)的人員的安全。

        圖9 樁間流砂照片

        圖10 樁頂冠梁后部空洞

        (1)樁間流砂病害治理方案

        解決樁間流砂、結(jié)冰病害的關(guān)鍵在于止水,只有將漏水點(diǎn)及時(shí)封堵或?qū)⒌叵滤行枧藕?,才能根除該病害,但是封堵水是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,流砂如不及時(shí)處理,會(huì)造成路面大面積塌陷,引發(fā)安全事故。

        部分工程采用植筋、支模澆筑混凝土的樁間封堵方案,此方式對(duì)于封堵完漏點(diǎn)后無坍塌風(fēng)險(xiǎn)的情況,處理效果較為理想,對(duì)于應(yīng)急處理流砂時(shí)不太適用。針對(duì)本工程出現(xiàn)的流砂情況,首先用草簾子或棉麻材料迅速塞填流砂處,并垂直打設(shè)短鋼筋固定,直至流出清水后,在清水流出處設(shè)置導(dǎo)水孔,進(jìn)行疏排水。接著在護(hù)坡樁側(cè)鉆眼設(shè)置加密橫向壓筋,橫向壓筋采用直徑不小于16 mm 螺紋鋼筋,豎向間距20~30 cm,壓筋連接處必須采用焊接,單面搭接焊搭接長度不小于10d(d為采用橫向壓筋的鋼筋直徑),雙面搭接焊搭接長度不小于5d,壓筋焊接封閉前,在樁間植入竹膠板(可采用澆筑冠梁用的廢舊模板較為經(jīng)濟(jì)),隨后焊接壓筋,及時(shí)噴射混凝土封閉樁間。處理過程如圖11 所示。

        圖11 樁間流砂治理照片

        (2)樁后坑頂?shù)孛嫠葜卫矸桨?/p>

        樁間流砂處理不及時(shí),可能會(huì)引起流砂處以上地層整體下沉,在樁頂后部形成空洞病害,本工程027 地塊西側(cè)形成的最大空洞高度約2.0 m,橫向延伸約5 m,縱向延伸約1.5 m,體積約15 m3,空洞形成后,在樁頂冠梁后會(huì)開出“天窗”,如圖12 所示。對(duì)于空洞的封堵材料,常用的有碎石、干拌料、混凝土以及陶粒料等。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn),當(dāng)采用碎石、干拌料時(shí),材料流動(dòng)性較差,空洞封堵收口時(shí)容易形成三角錐,邊角部位也不易填實(shí),采用混凝土流動(dòng)性雖較好,能有效封堵邊角,但混凝土密度較大,對(duì)樁間護(hù)壁沖擊較大,對(duì)于較大空洞以及樁間采用鋼板網(wǎng)支護(hù)形式,混凝土易沖破樁間護(hù)壁流出,不建議使用該方法。通過現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比,選用陶粒顆粒填充后進(jìn)行注漿加固效果最為理想,陶粒顆粒密度小,填進(jìn)空洞后易于流動(dòng)填充角落,對(duì)樁間護(hù)壁的側(cè)壓力最小,填充完畢后,采用常壓灌注水泥漿填縫加固,能有效解決封堵空洞問題。處理后效果如圖13 所示。

        圖12 樁頂冠梁后“天窗”

        圖13 冠梁后空洞處理圖片

        4.3 其他技術(shù)問題

        (1)基底過渡區(qū)域坡面控制。因坑中坑高低跨部位均有結(jié)構(gòu)做法,對(duì)剖面坡度及尺寸要求嚴(yán)格,而噴錨支護(hù)作業(yè)精度低,經(jīng)常出現(xiàn)噴錨完畢后,放線做結(jié)構(gòu)時(shí)坡度不夠破除噴錨面的情形,該部分建議由總包單位放線找坡砌筑磚胎膜進(jìn)行護(hù)坡。

        (2)關(guān)于疏干井位置。一般會(huì)將一些疏干井移至肥槽內(nèi),但經(jīng)過挖土后,能留的下來的疏干井寥寥無幾,如果有空間,建議將一些疏干井設(shè)置坡頂護(hù)坡樁與帷幕樁中間,疏干井在挖土過程能被完全保留下來,對(duì)于疏干基槽內(nèi)地下水起到至關(guān)重要的作用。

        (3)肥槽設(shè)置寬度。一般考慮用地紅線以及現(xiàn)場平面布置問題,基坑肥槽寬度設(shè)置在0.8~1.0 m 居多,實(shí)踐證明,對(duì)于涉水基坑,尤其在基槽底部需要打樁時(shí),由于護(hù)坡樁有偏位情況,加上錨桿腰梁突出的尺寸,基槽內(nèi)施工靠邊基礎(chǔ)樁或抗拔樁時(shí)空間不夠,肥槽內(nèi)補(bǔ)打疏干井時(shí)靠邊困難,且后續(xù)結(jié)構(gòu)施工將面臨雙排腳手架無法搭設(shè),肥槽內(nèi)疏干井無法保留等棘手問題。如果空間允許,建議涉水基坑肥槽留置1.3~1.5 m。

        5 基坑監(jiān)測

        由于受止水帷幕漏水影響,022 地塊東側(cè)道路出現(xiàn)了最大沉降量為32 mm 的沉降裂縫,超過了預(yù)警值,如圖14 所示。監(jiān)測結(jié)果顯示坡頂水平位移均在預(yù)警值以內(nèi),分析認(rèn)為坡頂裂縫主要是受漏水后地面沉降所致,采用堆土反壓+“L 型”單向注漿管灌漿封堵后,持續(xù)觀測了14 d,沉降趨勢穩(wěn)定,后續(xù)基坑監(jiān)測位移值均未出現(xiàn)預(yù)警情況。典型道路沉降變形觀測點(diǎn)位移曲線如圖15 所示。

        圖15 典型坡頂?shù)缆烦两登€

        6 結(jié)論

        (1)復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑支護(hù)工程,尤其地下水條件較為復(fù)雜時(shí),設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮地下水控制方案,設(shè)置合理的施工肥槽,在空間允許的情況下,對(duì)于受地下水影響的基坑,肥槽宜設(shè)置為1.3~1.5 m,疏干井設(shè)置在帷幕樁與護(hù)坡樁之間,能更好地保留下來,便于后續(xù)基槽內(nèi)疏干排水施工。

        (2)根據(jù)周邊環(huán)境條件,選擇合理的疏排或封堵的方案,是解決“漏水”基坑工程邊坡安全的關(guān)鍵,坡頂無重要建(構(gòu))筑物、管線時(shí),可以采用泄水孔或減壓井疏排,對(duì)于滲流量較大,采用常規(guī)手段無法有效封堵時(shí),采用堆土反壓+“L 型”單向注漿管工藝灌漿的方式,可以有效解決此類病害問題。

        (3)深基坑施工時(shí)應(yīng)做好安全巡視及基坑監(jiān)測工作,做到信息化施工。對(duì)于存在的基坑病害問題,如樁頂?shù)孛嫠?、樁間流砂、坡頂裂縫等,采取合理的措施消除隱患。根據(jù)實(shí)踐,樁頂冠梁后塌孔采用“陶粒+常壓灌漿”封堵空洞效果比較理想,樁間流砂采用鋼筋網(wǎng)+竹膠板模板封堵方案較為經(jīng)濟(jì)適用。

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