深中通道西人工島止水帷幕大型滲透性試驗研究

楊潤來，王從李，王朔，呂鵬

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

高壓旋噴樁止水帷幕[1-3]一般采用鉆孔注水法進行滲透性檢測及評價，但檢測頻率相對較低，檢驗位置及其結果具有一定的離散性，不能直觀反應止水帷幕綜合止水性能。對于重要止水結構，除采用常規的鉆孔注水法進行滲透性檢測外[4]，具備條件時可采用大型回水試驗作為驗證其止水性能的直觀檢測手段。本文基于深中通道西人工島島隧結合部二次止水體系，采用上述兩種方式對止水帷幕的滲透性進行檢驗，以期對兩種檢驗方式進行相互驗證。

1 工程概況

深中通道工程采用東、西兩座人工島實現橋梁與隧道轉換，其中西人工島作為沉管隧道安裝的起始端，采用鋼圓筒圍護結構快速成島工藝。為提供首節沉管對接條件，在島隧結合部二次止水結構及島上現澆隧道施工完成后，向島內回水以驗證二次止水體系的止水效果。二次止水結構由設置在隧道底部的3排連續高壓旋噴樁形成止水帷幕以及隧道兩側、頂部設置的止水扶壁組成，具體布置如圖1所示。該止水帷幕樁徑1.0 m，搭接寬度0.3 m，設計樁頂標高-11.427 m，樁底標高-39.927 m，進入中風化巖層頂面。與此同時，為截斷鋼圓筒圍護結構底部滲徑，前期沿西小島內輪廓一周施打高壓旋噴帷幕，與結構下止水帷幕連接，確保沉管對接后島內干施工作業環境。

圖1 西人工島小島止水帷幕平面布置圖（mm）Fig.1 The floor plan of wateproof curtain on the west artificial island(mm)

止水帷幕的止水效果決定了島內后續工作能否順利開展，因此止水帷幕施工完成后需對旋噴樁樁身均勻性、強度和抗滲指標進行檢測。其中，設計樁身平均無側限抗壓強度≥1.2 MPa，總體平均滲透系數小于7×10-6cm/s，最大滲透系數小于1×10-5cm/s。

2 鉆孔常水頭注水試驗

止水帷幕常規采用鉆孔取芯常水頭注水試驗進行檢測，各鉆孔按不大于5 m的試段分段進行注水試驗，最大深度至樁底風化巖。試驗前每隔5 min觀測地下水1次，取水位穩定值作為地下水計算值。試驗過程中將套管跟進至樁頂標高，采用自上而下的分段注水方式，每隔5 m作為一個試驗段。試驗過程中，不斷向套管注入清水以穩定試驗水位標高，用量筒量測注水量；每隔5 min量測1次，連續量測5次后每隔20 min量測1次并至少連續量測6次。當連續2次量測的注水流量之差不大于最后1次注水流量的10%時，認為注水試驗達到穩定滲透狀態，并取最后1次注水流量作為計算值進行分段滲透系數計算。西人工島二次止水帷幕施工完成后，按照上述方法隨機檢測7孔。經檢測止水帷幕滲透系數介于2.78×10-6～9.36×10-6cm/s之間，總體平均滲透系數為5.51×10-6cm/s，滿足設計要求。根據鉆孔取芯及28 d無側限抗壓強度試驗結果，高壓旋噴樁樁身基本連續完整，樁身強度總體均大于1.2 MPa，僅局部成樁質量稍差。

3 大型滲透性試驗

3.1 試驗概況

為進一步驗證二次止水體系的止水效果，在西人工島島頭鋼圓筒（X03—X07）拆除前，對二次止水體系與待拆除鋼圓筒之間區域分階段進行回水試驗，并監測水位變化及地下水位變化情況。通過地下水位的變化計算滲水量，利用滲水量、止水帷幕內外側水頭差、止水帷幕旋噴樁寬度、止水帷幕滲流面積等參數，計算止水帷幕滲透系數。由于止水扶壁與鋼圓筒為鋼板樁焊接連接，隧道結構及扶壁與止水帷幕通過現澆鋼筋混凝土榫槽進行嵌固，可基本忽略連接部位的滲漏可能性。同時，為降低試驗結論分析難度，按照偏保守原則，回水試驗過程中監測的滲水量包含通過鋼圓筒底部未被截斷的滲徑所滲出水量。為確保試驗的嚴謹性，回水試驗期間停止西小島、島壁鋼圓筒及副格內降水等可能導致試驗數據失真的其他作業。島頭回水區域如圖1所示。

西人工島島頭區域回水試驗與扶壁1后方回填交替進行，分兩階段實施，具體實施步驟如圖2所示。

圖2 島頭區域回水及扶壁1后方回填施工步驟圖Fig.2 Construction step diagram of backwater in island head area and backfill behind buttress 1

3.2 試驗過程及結果分析

3.2.1 第一階段試驗

二次止水體系施工完成后，安裝現澆隧道端面封門并進行水密性測試，滿足要求后開展第一階段試驗[5-7]。其中，回水區域底標高最低處為-16.0 m，最高處為-11.733 m，平均標高約-12.5 m。第一階段回水標高至-5 m，按照設計技術要求每天回水不超過3 m。第一階段回水完成照片如圖3所示。回水完成后，關閉水泵靜置觀察島頭回水區域水位變化。水位變化連續監測情況如表1所示。

圖3 第一階段回水完成Fig.3 The completed backwater at the first stage

表1 第一階段試驗島頭區域水位記錄表Table 1 Water level record sheet of the island head area during the first phase of the test

第一階段回水完成后，同步對止水帷幕西側小島內地下水位持續監測，具體監測數據如表2所示。

表2 第一階段試驗小島內地下水位記錄表Table 2 Groundwater level record sheet in the small island during the first phase of the test

通過止水帷幕滲透至小島內單日滲水量按照式（1）計算：

式中：Q為滲水量，m3/d；S為止水帷幕西側小島投影面積4 408 m2，詳見圖1；h3為每日水位上升高度，詳見表2；n為給水度，中砂取0.25（根據《工程地質手冊》[8]提供經驗值選取）。

根據式（1）計算得止水帷幕西側小島基坑內每日滲水量，結果見表2。

回水試驗前，經監測西小島內每日水位穩定上升高度為0.069 m，根據式（1）求得前期自島壁鋼圓筒圍護結構底部滲徑進入島內水量為76.04 m3/d，故第一階段試驗止水帷幕的最大滲水量為121.22-76.04=45.18 m3/d。

二次止水結構止水帷幕總長為93.0 m，其迎水面面積為93.0×（39.927-11.427）=2 650.5 m2。

滲透系數k按式（2）計算：

式中：Q′為滲水量，m3/d；F為止水帷幕迎水面面積，其中h為止水帷幕內外側水頭差，l為止水帷幕旋噴樁寬度。

由上述計算知，第一階段試驗止水帷幕的最大滲水量Q′=45.18 m3/d，時間段為第2天16:00—第3天16:00，水頭差h=-5.233+16.39=11.157 m，止水帷幕寬度l=2.4 m，故因此第一階段試驗止水帷幕的最大滲透系數k=滿足最大滲透系數小于1×10-5cm/s的要求，且小于鉆孔常水頭注水試驗最大滲透系數9.36×10-6cm/s。

參照上述計算方法，第一階段試驗各時間段滲透系數匯總見表2。

因此，第一階段試驗止水帷幕總體平均滲透系數k=3.20×10-6cm/s，滿足總體平均滲透系數小于7×10-6cm/s的要求，且小于鉆孔常水頭注水試驗總體平均滲透系數5.51×10-6cm/s。

3.2.2 第二階段試驗

第二階段回水試驗在扶壁1后方回填至+0 m后實施。回水標高由-5.44 m回水至常水位+0.54 m，按照設計技術要求每天回水不超過3 m。回水完成后，關閉水泵靜置觀察島頭回水區域水位變化。水位變化連續監測情況如表3。

表3 第二階段試驗島頭區域水位記錄表Table 3 Water level record sheet of the island head area during the second phase of the test

第二階段回水完成后對島內地下水位持續監測，具體監測數據見表4。

島內單日滲水量按照第一階段試驗中式（1）計算，結果見表4。

參照第一階段試驗滲透系數計算方法，第二階段試驗各時間段滲透系數具體結果見表4。

試驗結果表明，第二階段試驗止水帷幕最大滲透系數k=8.88×10-6cm/s，滿足最大滲透系數小于1×10-5cm/s的要求，且小于鉆孔常水頭注水試驗最大滲透系數9.36×10-6cm/s要求。第二階段試驗止水帷幕總體平均滲透系數k=6.85×10-6cm/s，滿足總體平均滲透系數小于7×10-6cm/s的要求，但大于鉆孔常水頭注水試驗總體平均滲透系數5.51×10-6cm/s。

表4 第二階段試驗小島內地下水位記錄表Table 4 Groundwater level record sheet in the small island during the second phase of the test

對于第二階段大型滲透試驗總體平均滲透系數大于常規鉆孔注水試驗滲透系數的情況，分析其原因為鉆孔注水法檢測點位及結果具有一定離散性，以及隧道底部榫槽與高壓旋噴樁止水帷幕結合存在滲徑等綜合因素所致。同時，大型滲透性試驗最終回水標高至常水位（+0.54 m），遠高于鉆孔常水頭注水試驗水頭頂標高（-11.427 m），回水水壓力遠大于鉆孔注水壓力，也將造成滲透系數偏大。

4 結語

深中通道西人工島島隧結合部回水試驗進一步充分驗證了二次止水體系止水帷幕的抗滲性滿足工程需求。通過該試驗，驗證了大型滲透性試驗與采用常規鉆孔注水法檢測止水帷幕滲透性的可行性及結論的可靠性，為后續類似工程施工積累了經驗。