一種新型止水帷幕在深基坑工程中的應用

郁 蔥

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

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

TAM灌漿工法是一種結合壓密灌漿、劈裂灌漿等現代灌漿理論而發展形成的新型地表垂直深層帷幕灌漿止水技術。在TAM灌漿工法的基礎上，結合水泥膨潤土灌漿和矽酸鈉化學灌漿，即形成TAM兩階段灌漿工法。文章結合澳門離島醫院－護理學院項目深基坑工程案例，驗證了這種新型的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管泄漿孔設計、外皮漿設置、灌漿芯管的獨特構造，是TAM灌漿工法的核心，見圖1。

圖1 TAM灌漿系統

TAM為英文Tube-A-Manchette的縮寫。TAM管，又俗稱馬歇兒管。在管壁外徑一般每間隔約330 mm，環向鉆有三排共10個直徑為6 mm的泄漿孔(見圖2)，外包橡皮膠圈。橡膠圈的作用是當孔內加壓灌漿時橡膠圈脹開，漿液從泄漿孔進入地層，停止灌漿時橡膠圈在TAM管外部漿液的作用下封閉泄漿孔，阻止泥土和地下水逆向進入TAM灌漿管內，從而起到灌漿管的單向閥作用[5]。

圖2 TAM管泄漿孔構造

外皮漿可在TAM管周圍形成具有一定強度的環形保護層，注漿時漿液在TAM管有泄漿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度，可以阻止漿液的上下流動，因此漿液就只在一定范圍橫向流動，有效地降低了冒漿和串漿的可能。

灌漿芯管具有上下兩個止漿塞形成的止漿系統，能將漿液限定在灌漿區域的任一段泄漿孔范圍內進行灌漿。止漿系統在光滑的TAM管內可自由移動，一般由下而上，達到分段灌漿的目的。可據地層情況選擇連續或跳段灌漿，也可在某一段灌漿區域內反復灌漿。灌漿時，漿液通過灌漿芯管經過上部止漿塞，從灌漿芯管的出漿孔流出，進入TAM管和上下兩個止漿塞封閉的泄漿孔區域，在壓力作用下，橡膠圈被頂起。隨著漿液的聚集，壓力達到一定程度后，TAM管外側的橡膠圈被脹開，外皮漿被擠碎，從而漿液被擠壓到地層中。被加壓的漿液就會沿著地層結構產生充填、滲透、壓密、劈裂流動，此時由于供漿量小于進入量，壓力會自動回復到平衡狀態，后續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體，從而達到增加地層強度，降低地層滲透性的目的[6～7]。

(2)TAM兩階段灌漿工法特點

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

第一階段灌漿一般以水泥為主劑、以膨潤土為輔劑，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，填實土顆粒間微細之孔隙，令該區土層達成飽和狀，使其成一緊密固結幕體[9]。

3 TAM兩階段灌漿工法應用案例

3.1 工程案例簡介

澳門離島醫院－護理學院項目深基坑工程，地庫占地面積約2 700 m2，一般開挖深度為13.03～14.43 m，局部最大開挖深度達16.83 m。項目用地由填海而來，工程地質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。

項目基坑設計采用鋼板樁與鋼管樁相結合的圍護系統，在圍護系統外圍設315個灌漿孔，利用TAM灌漿工法，分兩階段進行水泥膨潤土灌漿和矽酸鈉化學灌漿。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、第一階段水泥膨潤土灌漿、第二階段矽酸鈉化學灌漿等。施工工藝流程見圖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要點

3.3.1 配合比優化

第一階段灌入為水泥膨潤土漿液，第二階段灌入為矽酸鈉化學漿液。原設計建議的漿液配合比見表1～表2。

表1 第一階段配合比 kg

表2 第二階段設計建議配合比 kg

按照設計要求，第二階段灌漿配合比需要進行現場試拌，試拌的控制性指標即矽酸鈉化學漿液凝固時間要控制在1～3 min。經現場多輪試拌，最終確定的第二階段配合比見表3。

表3 第二階段試拌確定配合比

3.3.2 灌漿過程質量控制要點

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

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

(3)TAM管泄漿孔豎向間距一般為330 mm，受TAM管構造限制，每層灌漿厚度須控制在330 mm以內。

(4)第一階段灌漿完成12 h時后，方可進行第二階段灌漿。

(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行充分沖洗，以防止漿液凝固后堵塞泄漿孔。

(6)灌漿過程中應密切注意灌漿壓力的變化。每層灌漿時，壓力表應出現兩次峰值。出現第一次峰值是由于TAM管被外皮漿包裹所引起，當外皮漿被漿液擠碎，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，頂部加蓋保護好灌漿孔，以備開挖過程中有滲漏的情況下及時進行二次灌漿止水。

3.3.3 停止灌漿條件

在灌漿過程中，通過觀察灌漿范圍內排氣、返水、冒漿及灌漿孔吸漿量、壓力提升速度、漿流量等情況，充分收集現場各種數據及跡象綜合判斷，及時調整灌漿方法和施工參數。當出現以下情況時，可停止帷幕灌漿:

(1)漿壓達到有效覆蓋壓力的2倍或2 bar，或400 kPa。

(2)灌入的水泥膨潤土漿液達到每層50 L或灌入的化學漿液達到每層120 L。

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

3.4 TAM兩階段灌漿工法阻水效果評價

3.4.1 抽水試驗驗證

在基坑外圍止水帷幕體系施工完成后，進行抽水試驗對灌漿防滲效果展開檢查[11]。

3.4.1.1 抽水試驗系統設置

(1)在基坑內側五個不同的位置設10個抽水井(DW1～DW10)，每兩個合為一組。

(2)在每組抽水井中間設1個水位觀測井，共5個(OW1～OW5)，用以監測在抽水期間每個抽水井內和其附近地下水位的變化。

(3)在止水帷幕外圍設7個水位觀測井(W1～W7)，用以監測基坑外地下水位標高的變化。

(4)與每組抽水井相對應，在止水帷幕外圍設5個回灌井，以備當墻外的地下水位驟降時(表示止水帷幕漏水)可以迅速對流走的地下水予以及時補充。

(5)在基坑外圍設18個地面沉降觀測點(GS1～GS18)，用以監測在整個抽水期間圍護墻外地面和地下泥層沉降幅度。

3.4.1.2 抽水試驗實施

(1)初始的監測讀數期間為24 h，由D0天9:00～D1天9:00完成。

(2)10個抽水井內的抽水泵在D1天10:00開始運行持續抽水。

(3)5個觀測井內的水位讀數顯示在D2天10:00(抽水階段)，井內的水位達到穩定狀態。

(4)達到穩定狀態后持續抽水72 h，繼續監測各觀測井和監測點讀數。

(5)所有抽水泵于D5天10:00停止抽水。

(6)所有抽水泵停止運作后，5個觀測井內的水位讀數顯示基坑內的地下水位開始恢復上升，同時7個水位觀測井的讀數顯示帷幕灌漿外側地下水位保持相對穩定不變。

(7)待5個觀測井內水位逐漸恢復后，整個抽水試驗于D7天12:00完成。

3.4.1.3 抽水試驗結果分析

(1)由基坑內水位觀測井 (OW1～OW5)所錄數據顯示，開始抽水后，坑內水位開始迅速下降，在約24 h后坑內水位達到穩定狀態并維持到抽水結束。停止抽水后，水位又逐漸恢復到抽水前的水位標高，見圖4。

圖4 抽水試驗期間基坑內觀測井水位變化曲線

(2)由基坑外水位觀測井(W1～W7)所錄數據顯示，抽水開始前后，位于基坑外圍的水位并沒有在抽水試驗期間明顯下降。按照設計接納準則，考慮潮汐變化，抽水期間，在基坑外觀察的水位與展開抽水試驗之前變化不超過0.5 m即可接受，見圖5。

圖5 抽水試驗期間止水帷幕外側水位變化曲線

(3)在整個抽水試驗期間所有地面沉降觀測點(GS1～GS18)均沒有出現過多的沉降量，見圖6。

圖6 抽水試驗期間周邊沉降觀測點變化曲線

(4)經上述監測數據分析，抽水試驗結果達到設計接納準則，說明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入基坑內，同時也防止了因基坑外地下水位驟降而導致地面的過度沉降或下陷的現象。

3.4.2 現場實證

開挖期間，基坑未出現明顯漏水現象。開挖現場見圖7。

圖7 開挖期間基坑內未出現明顯漏水

項目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險的(微)承壓水含水層[12]。因止水效果良好，基坑開挖過程中未采取坑內降水措施，僅采用了簡易的坑內明排措施?？紤]到填土區工程地質和地下水豐富的情況，整個基坑開挖和地庫底板結構的施工環境，已屬于較為干燥的情況，見圖8。

圖8 基坑開挖和底板結構施工環境較為干燥

項目自抽水測試完成起計，用三個月的時間完成了近4萬m3的土方開挖，之后用不到6個月的時間完成了地庫結構建造。TAM兩階段灌漿止水帷幕效果良好，避免了富水地區深基坑工程往往需要大量抽排水可能導致的地面沉降，保證了基坑開挖和地庫結構的順利實施。

3.5 TAM兩階段灌漿工法經濟效益評價

項目止水帷幕工程量總計5 865 m2，完工結算綜合單價為980澳門元/m2，結算總金額約575萬澳門元。占基坑圍護系統(基坑維護結構、帷幕灌漿、抽水測試)結算金額的23.5%，占整個基坑工程(基坑維護結構、帷幕灌漿、抽水測試、支撐結構安裝及拆除、土方開挖、安全監測)結算金額的12%。整體來講，TAM兩階段灌漿工法較為經濟、合理。

4 結束語

TAM兩階段灌漿工法，利用TAM管和灌漿芯管的獨特構造，具有在灌漿區域內分段灌漿和重復灌漿的顯著優點。水泥膨潤土灌漿和矽酸鈉化學灌漿分階段結合使用，提高了止水帷幕的阻水性能。

在澳門離島醫院－護理學院項目應用中，經過抽水測試和現場驗證表明，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，既是阻止開挖過程中基坑地下水滲漏的有效手段，也避免了傳統基坑開挖需要大量抽排水可能引致過大的地面沉降。是一種技術先進、經濟合理、安全可靠、環保的新型止水帷幕技術，在富水填土區深基坑工程設計和施工中，具有參考和借鑒意義。