邵 勇， 李光誠， 帥紅巖， 張玉山

(湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢 430070)

大部分基坑工程事故與地下水有著密切關(guān)系，尤其是處于高地下水位和臨近江河湖等地下水補(bǔ)給源的基坑工程，易發(fā)生流砂、管涌、突涌等現(xiàn)象，從而造成工程事故。武漢長江Ⅰ級階地沖積相地層呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu)，上部由填土、淤泥、黏性土及砂土互層組成，下部為粉細(xì)砂(局部分布黏性土透鏡體)、中粗砂夾礫石，砂層中賦存孔隙承壓水[1]。因此，在武漢臨江約3 km范圍內(nèi)的高承壓水頭深基坑設(shè)計(jì)及施工中，地下水的止水處理是一個極其重要的環(huán)節(jié)，合理選擇止水和降水方法來保證施工與工程安全需引起高度重視[2-4]。

止水帷幕在基坑降水中的作用是延緩或阻止地下水流向基坑，避免因地下水位下降而引起的基坑外圍地面沉降及其他問題，同時(shí)保證基坑內(nèi)部基本干燥，創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。蔡忠祥等[5]在上海某項(xiàng)目采用CSM(Cutter Soil Mixing)工法構(gòu)建了等厚度水泥土攪拌墻作為懸掛隔水帷幕。李成巍等[6]在上海地區(qū)首次采用50 m深CSM工法等厚度水泥土攪拌墻作為落底式止水帷幕，隔斷承壓水含水層。王建軍[7]采用CSM工法等厚度水泥土攪拌墻解決了南昌某地復(fù)雜地層條件下深基坑工程的封閉隔水問題。王衛(wèi)東等[8]對臨地鐵的超深TRD(Trenchcutting Re-mixing Deep Wall)工法控制承壓水的基坑工程設(shè)計(jì)開展了實(shí)踐研究。魏祥等[9]在武漢地區(qū)某深基坑工程中應(yīng)用了TRD水泥土攪拌墻。談永衛(wèi)[10]探討了超深TRD等厚度水泥土攪拌墻與地下連續(xù)墻組合式隔水帷幕在深大基坑工程中的應(yīng)用效果。丁振明等[11]開展了SMW (Soil Mixing Wall)工法在富水非軟土基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用研究。馬鄖等[12]以武漢長江I級階地基坑工程為例，研究了SMW+水泥土樁錨結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用。目前對止水帷幕的研究還著重于某一種具體的工法，尚缺乏對不同止水帷幕優(yōu)缺點(diǎn)的分析并探討如何科學(xué)合理地選擇止水帷幕。隨著基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論水平的不斷提高和工程案例的逐漸增加，可以對武漢地區(qū)基坑支護(hù)止水樁效果、可靠性及類型選擇開展綜合研究。本文選擇武漢長江Ⅰ級階地沖積相中鄰近的三個基坑，通過對比CSM水泥土攪拌墻、TRD水泥土攪拌墻和三軸攪拌樁用作止水帷幕的選取方法和應(yīng)用效果，為具有類似工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基坑支護(hù)工程止水帷幕的設(shè)計(jì)提供參考。

1 CSM、TRD、三軸攪拌樁工法特點(diǎn)

CSM工法是應(yīng)用原有的液壓銑槽機(jī)結(jié)合深層攪拌技術(shù)進(jìn)行的地下連續(xù)墻或防滲墻施工方法，結(jié)合了液壓銑槽機(jī)的設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和深層攪拌技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，將設(shè)備應(yīng)用到更為復(fù)雜的地質(zhì)條件中，通過對施工現(xiàn)場原位土體與水泥漿進(jìn)行攪拌，形成防滲墻、擋土墻、地基加固處理工程。TRD工法將滿足設(shè)計(jì)深度的附有切割鏈條和刀頭的切割箱插入地下，在進(jìn)行縱向切割、橫向推進(jìn)成槽的同時(shí)，向地基內(nèi)部注入水泥漿并達(dá)到與原狀地基充分混合攪拌，從而在地下形成等厚度連續(xù)墻。三軸攪拌樁工法以多軸型鉆掘攪拌機(jī)向一定深度進(jìn)行鉆掘，同時(shí)在鉆頭處噴出水泥固化劑并與地基土反復(fù)混合攪拌，在各施工單元之間采取重疊搭接施工，形成一道具有一定強(qiáng)度和抗?jié)B性能的連續(xù)完整的地下墻體。

CSM 、TRD和三軸攪拌樁工法均可單獨(dú)用于止水帷幕或地基加固處理工程，其中通過CSM、TRD工法施作的止水帷幕為水泥土攪拌墻，通過三軸攪拌樁工法施作的止水帷幕為三軸攪拌樁。三種工法的工藝特點(diǎn)及主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1[13]所示。

表1 CSM、TRD、三軸攪拌樁工法工藝特點(diǎn)及主要優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 1 Process characteristics，main advantages and disadvantages comparison of CSM，TRD and three-axis mixing pile

2 CSM、TRD水泥土攪拌墻及三軸攪拌樁止水帷幕的選取

在選取止水帷幕形式時(shí)，需要綜合考慮成樁深度、設(shè)備高度所要求的垂直條件、土層情況、施工成本、基坑開挖深度、降水需要和落底情況等因素。本次研究選擇武漢長江Ⅰ級階地沖積相中鄰近的三個基坑，即武漢市江岸區(qū)紅橋村K7、K8和K15地塊基坑(圖1)，實(shí)證對比研究CSM、TRD水泥土攪拌墻與三軸攪拌樁用作止水帷幕的選取方法和應(yīng)用效果。

2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

紅橋村K7、K8和K15基坑均位于武漢長江Ⅰ級階地沖積相Ⅰ3工程地質(zhì)亞區(qū)，距離長江北岸線3.0～3.7 km(圖1)。Ⅰ3工程地質(zhì)亞區(qū)主要沿長江、漢江及府河兩岸分布，是除灘地外適合工程建設(shè)的沿江地段，該亞區(qū)表層一般被松散人工雜填土所覆蓋，其下依次為軟—可塑狀的互層土(黏土、粉質(zhì)黏土、粉土互層)、中密—密實(shí)的砂土及砂卵石層，再往下則為基巖?；油?、砂土、砂卵石層中賦存孔隙承壓水。在該亞區(qū)砂層埋深淺、承壓水位高的地段開挖基坑時(shí)，易產(chǎn)生基坑底板突涌及基坑側(cè)壁流土流砂現(xiàn)象，需做好降水及支護(hù)措施。

圖1 K7、K8和K15基坑位置示意圖Fig.1 Location diagram of K7, K8 and K15 foundation pit1.Ⅰ級階地界線；2.Ⅱ級階地界線；3.工程地質(zhì)分區(qū)界線及代號；4.工程地質(zhì)亞區(qū)界線及代號；5.基坑位置及編號。

K7基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂，賦存兩層地下水，上層為雜填土層中的滯水，其穩(wěn)定水位埋深1.1～1.6 m，標(biāo)高19.45～21.83 m；下層為砂層中的承壓水，其水位受長江水位變化影響，在3#鉆孔中測得水位埋深6.8 m，標(biāo)高14.53 m。K8基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土與粉土互層、粉砂和細(xì)砂，雜填土層中賦存滯水，其穩(wěn)定水位埋深1.0～1.7 m，標(biāo)高18.81～20.55 m；砂層中賦存承壓水，其水位受長江水位變化影響，臨近的K6地塊抽水試驗(yàn)測得承壓水埋深7.6 m，標(biāo)高12.83 m。K15基坑位置由上到下依次發(fā)育雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂和細(xì)砂，雜填土層滯水的穩(wěn)定水位埋深0.6～2.5 m，標(biāo)高17.78～20.70 m；砂層承壓水的水位受長江水位變化影響，勘察期間測得其埋深7.0 m，標(biāo)高12.92 m?？傮w來看，三個基坑的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件相近，承壓水頭標(biāo)高為K7>K15>K8。

2.2 基坑周邊環(huán)境狀況

K7、K8、K15地塊位于武漢市江岸區(qū)花橋街道，其中K7地塊位于三眼橋路以西、荷花池街以北，北邊和西邊鄰香江花園小區(qū)，民房較密集，環(huán)境條件較敏感。K8地塊位于三眼橋路以北、黃孝河路以西，北鄰紅橋K6地塊，西臨三眼橋路，周邊環(huán)境較復(fù)雜。K15地塊位于三眼橋路以北、黃孝河路以西，北邊為待拆遷民房，西邊的拆遷空地?cái)M用作規(guī)劃道路，現(xiàn)狀建有施工道路，周邊民房密集，環(huán)境條件較復(fù)雜?？傮w來說，K7基坑周邊環(huán)境最為敏感，K8、K15基坑周邊環(huán)境相當(dāng)。

2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

K7、K8、K15基坑周邊距紅線較近，坑壁土層軟弱，均存在承壓水問題，不能采用錨桿。K7基坑開挖深度為12.90～13.40 m，為控制變形，從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，選鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)。K8基坑開挖深度為9.10～10.70 m，為控制變形并兼顧土方開挖的便利性，選用雙排樁支護(hù)，角部采用鉆孔灌注樁+混凝土角撐支護(hù)。K15基坑開挖深度為12.4～14.9 m，因開挖深度大需采用二層內(nèi)支撐，采用鉆孔樁+兩道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式。

2.4 基坑止水帷幕的選取

對于K7、K8、K15這三個基坑來說，雜填土中的滯水因水量有限、水壓力小，側(cè)壁止水帷幕升至地面附近即可阻隔滯水向基坑內(nèi)流動。而賦存于砂土層的承壓水與長江水力聯(lián)系非常緊密，水量豐富，因基坑開挖均已揭穿黏土蓋層，因此需采取中深井疏干降水。場區(qū)均為長江I級階地沉降重點(diǎn)防控區(qū)，基坑降水降深要求高，若敞開式降水，則抽排水強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，因降水引發(fā)的沉降將對周邊道路、管線、民房等產(chǎn)生顯著的破壞效應(yīng)，因此必須采用止水帷幕，以最大限度減小對周邊環(huán)境的影響。

表2為K7、K8和K15三個基坑止水帷幕選取條件的對比情況。K7基坑周邊環(huán)境最復(fù)雜，需重點(diǎn)保護(hù)鄰近香江花園小區(qū)的西邊；緊鄰小區(qū)施工的作業(yè)環(huán)境較差，且基坑挖深較大，承壓水頭標(biāo)高及設(shè)防水頭最大，止水帷幕深度也較大，但是基坑周長及工程量相對較小，因此可選用造價(jià)較高但施工成墻質(zhì)量較高的CSM水泥土攪拌墻。K7基坑可采用800 mm厚CSM水泥土攪拌墻，水泥用量為460 kg/m3；墻底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化基巖形成落底式帷幕。K8基坑開挖深度相對較淺，承壓水頭標(biāo)高及設(shè)防水頭最小且不需要落底，但基坑周長最長，有一定的工程量，因此可選用造價(jià)經(jīng)濟(jì)且帷幕深度不大時(shí)成墻質(zhì)量依然有保障的三軸攪拌樁。K8基坑可在雙排樁間采用三排Φ850 mm三軸攪拌樁加固，兼作側(cè)壁止水帷幕，水泥用量為360 kg/m3。K15基坑挖深和周長較大，其最明顯的特點(diǎn)是基坑為狹長型，相當(dāng)于兩個規(guī)則矩形基坑拼接而成，因此可選用成墻深度較大的TRD水泥土攪拌墻，其可在較低凈空區(qū)域施工，有效避開沿狹長基坑邊線施工時(shí)的各種障礙物。K15基坑可采用800 mm厚TRD水泥土攪拌墻，水泥用量為460 kg/m3；墻底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化基巖形成落底式帷幕。

3 基坑止水效果及降水沉降監(jiān)測結(jié)果

三個基坑在開挖階段均未發(fā)生明顯的孔狀或縫隙狀漏水、涌砂、漏空、裂縫或坍塌現(xiàn)象，整體止水效果良好(圖2)。

K7基坑監(jiān)測結(jié)果[14]顯示，其周邊建筑物沉降累計(jì)變化最大值為5.61 mm，支護(hù)樁頂沉降累計(jì)變化最大值為5.72 mm，立柱沉降累計(jì)變化最大值為4.52 mm，支護(hù)樁頂水平位移累計(jì)變化最大值為15 mm，均滿滿足規(guī)范要求。K8基坑監(jiān)測結(jié)果[15]顯示，其周邊建筑物沉降累計(jì)變化最大值為8.8 mm，支護(hù)樁頂沉降累計(jì)變化最大值為13.36 mm，支護(hù)樁頂水平位移累計(jì)變化最大值為36.5 mm，基坑場外地表沉降累計(jì)變化最大值為36.16 mm，均滿足規(guī)范要求。K15基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果[16]顯示，其支護(hù)樁頂水平位移累計(jì)變化最大值為5.4 mm,支護(hù)樁頂沉降累計(jì)變化最大值為3.18 mm，周邊建筑物沉降累計(jì)變化最大值為6.17 mm，周邊管線沉降累計(jì)變化最大值為3.04 mm,其他監(jiān)測數(shù)據(jù)也均無異常情況，基坑場外觀測井絕對標(biāo)高基本維持在7 m左右，場內(nèi)觀測井絕對標(biāo)高基本維持在2 m左右，滿足施工要求。

圖2 基坑止水效果圖(從左至右分別為K7、K8、K15)Fig.2 Water stop effect drawing of foundation pit

監(jiān)測結(jié)果表明，K8基坑相比K7、K15基坑整體位移偏大，這是由于其采用了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，與樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其變形控制效果不占優(yōu)勢；同時(shí)坑外地表有一定的沉降量，與其采用懸掛式側(cè)壁止水帷幕有關(guān)；基坑抽排地下水對周邊的影響比采用落底式帷幕的K7和K15基坑大，與基坑止水帷幕的深度有直接關(guān)系，也和三軸攪拌樁的連續(xù)性和整體性較CSM和TRD工法差有一定的關(guān)系。但由于K8基坑挖深較淺，承壓水頭標(biāo)高及設(shè)防水頭最小，周邊沒有非常近距離的敏感建筑物，因此可以適當(dāng)放寬位移控制條件，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性的統(tǒng)一。采用CSM和TRD落底式止水帷幕的K7、K15基坑整體位移控制在毫米級以內(nèi)，也充分說明這兩種止水帷幕在武漢長江Ⅰ級階地沖積相基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用是比較成功的。

4 結(jié)論與建議

(1) 在武漢長江Ⅰ級階地沖積相區(qū)域?qū)嵤┗庸こ滩⒔衣冻袎汉畬訒r(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用中深井疏干降水，并視基坑挖深、降水幅度及周邊環(huán)境條件而采用懸掛式或落底式止水帷幕。在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合成樁深度、設(shè)備高度所要求的垂直條件、土層情況、施工成本、基坑開挖深度、降水需要和落底情況等因素，選取CSM、TRD水泥土攪拌墻或三軸攪拌樁止水帷幕，方能達(dá)到良好的基坑止水效果和安全性、經(jīng)濟(jì)性與效率的統(tǒng)一。

(2) 建議結(jié)合更多工程案例，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)監(jiān)測結(jié)果，在相關(guān)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)，為相似地質(zhì)條件下的止水帷幕選型和設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、可量化與直觀易用的解決方案。