某逆作法工程“兩墻合一”地下連續墻防水設計方案可行性研究

陳衛東，錢禮平，張振華，錢明明，王野

（1.安徽省建筑科學研究院，安徽 合肥 230031；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230000）

1 引言

地下連續墻具有剛度大、占地少、能適應復雜施工環境和地質條件的特點，同時其工期短，質量可靠，經濟效益高，在深基礎施工中得到越來越廣泛的應用。地下連續墻用作結構墻的關鍵在于能否成功防止地下連續墻產生滲漏[1]。工程滲漏的防治不易且治理費用高，“兩墻合一”地下連續墻作為地下工程的施工階段圍護結構和使用階段的基礎承載結構，其防水更是設計的重點。“兩墻合一”地下連續墻可采用以下幾種防水設計方案[2]：第一種是在內襯墻的背水面設置防水層，這種方式的防水效果較差，一旦形成滲漏突破口，難以根治；第二種是在內襯墻和地下連續墻之間設置防水層，這種方式防水效果好，即使地下連續墻發生滲漏，內側的防水層也能起到防水效果；第三種是在內襯墻和地連墻之間設置排水層，以此來消除滲透壓力，有效地避免滲漏的發生。合肥某超限高層深基坑逆作法施工過程中，擬采用“兩墻合一”地下連續墻防水設計方案。該防水設計方案在地下連續墻的基礎上增設三軸攪拌樁、防水層、內襯墻，并對地下連續墻接縫進行注漿處理。本文基于有限元法，進行工程施工期滲流場的計算，研究該防水設計方案的可行性。

2 工程概述

2.1 工程區位及規模

該項目位于合肥市長江中路與花園街交口的西北角，項目總建筑面積約15.3萬m2，其中地下建筑面積約4.4萬m2，地上建筑面積約10萬m2。主樓地上45層、高180.3m；綜合地下室5層、埋深21m。地下施工采用“周邊逆作，主樓順作”的逆作法方案，外圍護結構采用“兩墻合一”的地下連續墻，在基坑工程施工階段起到擋土和止水目的；在使用階段兼作主體地下室結構外墻，通過設置與主體地下結構內部水平梁板構件的有效連接，可不再另外設置地下結構外墻。該項目地下連續墻厚1.0m、高25.75m、周長約408m，抗滲等級為P10，地下室設計防水等級為一級。

2.2 工程地質概況

該項目場地第四紀地貌形態為南淝河一級階地地貌單元，其自然吳淞高程為16.19m～17.29m，最大高差1.1m。該工程地下室結構剖面與土層分布關系見圖1。

擬建場地在①層雜填土中埋藏有上層滯水，在④1、④2層粉土夾砂層中埋藏有大量的承壓水；在⑤1、⑤2層中埋藏有裂隙水。其補給來源主要由大氣降水及地表水滲入補給。其水位在不同季節略有變化。勘察時測得混合靜止水位埋深 0.90m～1.50m，水面標高為15.42m～15.63m。

圖2 “兩墻合一”地下連續墻墻身構造

2.3 “兩墻合一”地下連續墻防水設計方案

該項目“兩墻合一”地下連續墻墻身形式為復合墻。其墻身由地下連續墻、內襯墻和防水層構成，在地下連續墻外側增設有三軸攪拌樁，墻身體結構形式如圖2所示。

地下連續墻槽段和槽段之間的接頭連接兩相鄰單元槽段，單元槽段接頭處是主要的易滲漏部位，因此選用適當的接頭形式并做好接縫的處理是防止滲漏的關鍵[3]。該項目在后施工地下連續墻主筋外側預先焊接注漿管（圖3），通過注漿提高接縫處防水效果。

圖3 地下連續墻接縫內注漿防滲措施

3 不同圍壓下三軸攪拌樁的滲透試驗

采用自主研發的流固耦合三軸儀（見圖4），開展三軸攪拌樁試樣（見圖5）在不同深度（不同圍壓下）的滲透試驗，獲得三軸攪拌樁試樣在不同圍壓下累計滲水量與滲透時間的關系曲線（見圖6）。根據圖6的試驗結果，通過達西公式計算獲得不同深度三軸攪拌樁的滲透系數（見圖7）。

4 “兩墻合一”地下連續墻防水方案的防滲效果數值模擬

4.1 滲流場數值模擬理論與方法

“兩墻合一”地下連續墻防水問題屬于飽和-非飽和滲流問題。飽和-非飽和滲流與飽和滲流相似，同樣滿足Darcy定律，土體中非恒定滲流的偏微分方程為[4]：

式中：kx、ky為x和y方向的滲透系數；H為總水頭；mw為比水容量；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時間。

圖4 流固耦合三軸儀

圖5 三軸攪拌樁試樣

圖6 不同圍壓下累計滲水量與滲透時間的關系曲線

圖7 不同深度三軸攪拌樁的滲透系數

巖土體非恒定滲流有限元方程[5]為

式中：[K]為單元特征矩陣，[M]為單元質量矩陣，｛Q ｝為節點流量向量矩陣。

初始條件：

水頭邊界條件：

流量邊界條件：

通過有限元法對方程（2）～（5）進行求解，就可求得“兩墻合一”地下連續墻方案下基坑施工過程的地下水滲流場。

4.2 數值模擬過程

4.2.1 有限元網格模型及邊界條件

根據地質勘察資料及施工圖，選取該項目設計方案的兩個典型剖面（墻幅段A-A’剖面和相鄰槽段接縫處B-B’剖面，見圖8）建立該工程的有限元網格模型。因為兩剖面具有相同的幾何形狀和尺寸，因此只需建立一個網格模型即可，具體見圖9(a)。其模型尺寸為147m×60m，模型采用四邊形單元進行網格劃分，共劃分8078個單元，8072個節點。為了驗證該項目擬采用的防水設計方案的防水效果，只設地下連續墻（不設三軸攪拌樁、內襯墻及防水層），建立有限元網格模型作為對比計算方案，對比方案共劃分7327個單元，7310個節點，見圖9(b)。根據勘察資料地下水水位埋深0.90m～1.50m，計算中取0.9m。

圖8 剖面位置

圖9 有限元計算網格模型（圖中標注尺寸：m）

有限元數值計算中滲透系數取值

在模型左右邊界施加水頭邊界條件，基坑的底面和側面設為潛在溢出邊界，其它邊界設置為不透水邊界。

4.2.2 計算參數

根據地勘報告中的參數建議取值，確定有限元數值計算中各材料的滲透系數的取值，具體見上表。

4.2.3 計算方案

本文基于有限元法，采用GeoStudio商用程序中的SEEP/W模塊，分別對設計擬采用的防滲方案和僅有地下連續墻（不設三軸攪拌樁、內襯墻及防水層）的對比方案進行工程施工期的滲流場的計算，研究比較該項目擬采用的防水設計方案的可行性。

4.3 計算結果

經計算得到地下連續墻及周圍區域的滲流場，圖10給出地下室第五層施工結束底板建成時的滲流場計算結果。圖10(a)～10(d)分別為該項目防水設計方案A-A’和B-B’剖面及對比方案A-A’和B-B’剖面滲流流速矢量分布和地下水浸潤線分布圖。計算結果顯示：兩方案中地下水滲流流速均很小（最大流速均小于0.00035m/d）；地下水流速矢量分布圖顯示地下水向基坑底部的入滲繞過地下連續墻或其槽段間的接縫；浸潤線在底板中的位置基本相同，不同方案及不同剖面中浸潤線位置的不同主要表現在基坑的邊墻；浸潤線在各防水措施中的下降顯著，除對比方案地下連續墻接縫處剖面溢出，在其余剖面均未溢出。

5 討論

由圖10(a)～10(d)中滲流場的流速矢量和浸潤線的分布可以看出，地下水向基坑底面的入滲受到了地下連續墻和底板的有效攔截。地下連續墻深入中風化泥質砂巖地層中，使地下水繞過地連墻向基坑底面的入滲，增長了滲流路徑，在基坑底面又有底板防水，這使得不論是擬采用的設計方案還是對比方案基坑底面地下水均未溢出（浸潤線距底板頂面約0.33m）。兩方案防水效果的差異主要表現在基坑的側墻。

圖10 滲流流速矢量分布和地下水浸潤線分布

圖11 地下水浸潤線至各監測點的水平距離

在各層地下室樓板高程靠近基坑內側墻面的位置共設五個監測點（點A～點E，見圖10），地下水浸潤線至各監測點的水平距離見圖11。從圖中可以看出，同一設計方案的同一剖面隨監測點高程的降低，浸潤線距墻面測點的水平距離減小，表明地下水在墻體下部的入滲快于上部；在同一方案同一高程，墻幅處剖面（A-A剖面）浸潤線距墻面測點的水平距離大于其槽段間接縫處剖面（B-B剖面），這說明接縫處是地連墻防水的薄弱點；不同方案的相同剖面相比，設計方案中浸潤線距墻面測點的水平距離明顯大于對比方案，且對比方案的B-B剖面有地下水溢出，溢出點距離底板3.21m，這表明僅設有地連墻的對比方案不能滿足防水要求；設計方案在墻幅處剖面和接縫處剖面均未有地下水溢出，滿足地下室設計防水等級為一級的要求。

6 結論

本文介紹了合肥某超限高層深基坑工程逆作法工程“兩墻合一”地下連續墻防水設計方案，開展不同深度三軸攪拌樁試樣的滲透試驗，采用數值模擬手段研究該防水設計方案的可行性，研究得出如下結論：

①不同深度的三軸攪拌樁試樣的滲透試驗結果表明，不同深度（不同圍壓下）三軸攪拌樁試樣的滲透系數隨著深度增加而減小；

②地下連續墻深入中風化泥質砂巖地層中，使地下水繞過地連墻向基坑底面的入滲，在地下連續墻和底板的攔截下，地下水未能由基坑底面溢出；

③該工程的防水設計方案在地連墻外側設三軸攪拌樁，內側設置內襯墻，在地下連續墻及內襯墻之間又設置了防水層，同時對接縫進行注漿處理。與僅設地連墻的對比方案相比，該防水設計方案下浸潤線在墻幅段剖面中距離基坑內側墻面更遠，在槽段間接縫處也不會溢出。設計方案明顯優于對比方案，滿足防水設計要求，是合理可行的。