一种新型止水帷幕在深基坑工程中的应用

郁 葱

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 引言

支护和地下水处理，是深基坑工程的核心问题。深基坑工程中，为增加边坡和坑底的稳定性，减少被开挖土体含水量，便于开挖，或防治突涌发生，常需要对基坑进行降水[1]。但基坑降水往往会破坏周边水的平衡，容易衍生其他灾害，如引起邻近土体和其他构筑物的开裂下沉[2]。而采用止水帷幕技术，不需要大量抽排地下水，不仅能有效控制周边沉降，也有利于保护地下水资源[3]。止水帷幕根据其使用原理和功能的不同，主要有止水与支护联合式结构、止水与支护分离式两种。前者如高压旋喷桩、水泥土深层搅拌桩、旋挖咬合桩、地下连续墙等[4]，既作支护结构，又用作止水；后者如钢板桩/非咬合桩＋外侧灌浆帷幕、钢板桩/非咬合桩主要用作支护，灌浆帷幕主要用作止水。

TAM灌浆工法是一种结合压密灌浆、劈裂灌浆等现代灌浆理论而发展形成的新型地表垂直深层帷幕灌浆止水技术。在TAM灌浆工法的基础上，结合水泥膨润土灌浆和矽酸钠化学灌浆，即形成TAM两阶段灌浆工法。文章结合澳门离岛医院－护理学院项目深基坑工程案例，验证了这种新型的TAM两阶段灌浆止水帷幕体系在富水填土区深基坑中的有效性。

2 TAM两阶段灌浆工法介绍

(1)TAM灌浆原理

TAM管泄浆孔设计、外皮浆设置、灌浆芯管的独特构造，是TAM灌浆工法的核心，见图1。

图1 TAM灌浆系统

TAM为英文Tube-A-Manchette的缩写。TAM管，又俗称马歇儿管。在管壁外径一般每间隔约330 mm，环向钻有三排共10个直径为6 mm的泄浆孔(见图2)，外包橡皮胶圈。橡胶圈的作用是当孔内加压灌浆时橡胶圈胀开，浆液从泄浆孔进入地层，停止灌浆时橡胶圈在TAM管外部浆液的作用下封闭泄浆孔，阻止泥土和地下水逆向进入TAM灌浆管内，从而起到灌浆管的单向阀作用[5]。

图2 TAM管泄浆孔构造

外皮浆可在TAM管周围形成具有一定强度的环形保护层，注浆时浆液在TAM管有泄浆孔的部位挤碎外皮浆，而上部和下部的外皮浆仍具有一定强度，可以阻止浆液的上下流动，因此浆液就只在一定范围横向流动，有效地降低了冒浆和串浆的可能。

灌浆芯管具有上下两个止浆塞形成的止浆系统，能将浆液限定在灌浆区域的任一段泄浆孔范围内进行灌浆。止浆系统在光滑的TAM管内可自由移动，一般由下而上，达到分段灌浆的目的。可据地层情况选择连续或跳段灌浆，也可在某一段灌浆区域内反复灌浆。灌浆时，浆液通过灌浆芯管经过上部止浆塞，从灌浆芯管的出浆孔流出，进入TAM管和上下两个止浆塞封闭的泄浆孔区域，在压力作用下，橡胶圈被顶起。随着浆液的聚集，压力达到一定程度后，TAM管外侧的橡胶圈被胀开，外皮浆被挤碎，从而浆液被挤压到地层中。被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动，此时由于供浆量小于进入量，压力会自动回复到平衡状态，后续的浆液在压力作用下，使得劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达到增加地层强度，降低地层渗透性的目的[6～7]。

(2)TAM两阶段灌浆工法特点

TAM灌浆工法，可根据地层特点，也可采用不同的材料进行分阶段灌浆。常见的有两阶段灌浆法，灌浆材料主要有水泥、膨润土和矽酸钠(俗称水玻璃)化学浆[8]。

第一阶段灌浆一般以水泥为主剂、以膨润土为辅剂，用于填充土颗粒间较大之孔隙；第二阶段灌浆以矽酸钠为主剂、以水泥浆液为辅剂，填实土颗粒间微细之孔隙，令该区土层达成饱和状，使其成一紧密固结幕体[9]。

3 TAM两阶段灌浆工法应用案例

3.1 工程案例简介

澳门离岛医院－护理学院项目深基坑工程，地库占地面积约2 700 m2，一般开挖深度为13.03～14.43 m，局部最大开挖深度达16.83 m。项目用地由填海而来，工程地质自上而下依次为回填土(7～8 m厚)、海泥层(3 m厚)、冲击土层(14～20 m厚)、风化土层(3.5～7 m厚)、花岗岩石层。地下水位约在自然地面以下2.5 m，地下水丰富。

项目基坑设计采用钢板桩与钢管桩相结合的围护系统，在围护系统外围设315个灌浆孔，利用TAM灌浆工法，分两阶段进行水泥膨润土灌浆和矽酸钠化学灌浆。灌浆深度由地面以下1 m至岩面以下1 m，形成一道垂直止水体系。

3.2 TAM两阶段灌浆施工工艺流程

TAM两阶段灌浆主要施工工艺流程包括钻孔、安装TAM管、灌注外皮浆、第一阶段水泥膨润土灌浆、第二阶段矽酸钠化学灌浆等。施工工艺流程见图3。

图3 TAM两阶段灌浆施工工艺流程

3.3 TAM两阶段灌浆工法技术要点

3.3.1 配合比优化

第一阶段灌入为水泥膨润土浆液，第二阶段灌入为矽酸钠化学浆液。原设计建议的浆液配合比见表1～表2。

表1 第一阶段配合比 kg

表2 第二阶段设计建议配合比 kg

按照设计要求，第二阶段灌浆配合比需要进行现场试拌，试拌的控制性指标即矽酸钠化学浆液凝固时间要控制在1～3 min。经现场多轮试拌，最终确定的第二阶段配合比见表3。

表3 第二阶段试拌确定配合比

3.3.2 灌浆过程质量控制要点

(1)外皮浆灌注完成24 h后，方可在TAM管内插入灌浆芯管，自下而上分层进行灌浆。

(2)在每一阶段灌浆前，在TAM管底插入高压水枪进行充分冲洗，清走管内杂物和漏浆。

(3)TAM管泄浆孔竖向间距一般为330 mm，受TAM管构造限制，每层灌浆厚度须控制在330 mm以内。

(4)第一阶段灌浆完成12 h时后，方可进行第二阶段灌浆。

(5)在每一阶段灌浆完成后，取出灌浆芯管，待浆液凝固后(一般为5 min左右)，在TAM管底插入高压水枪进行充分冲洗，以防止浆液凝固后堵塞泄浆孔。

(6)灌浆过程中应密切注意灌浆压力的变化。每层灌浆时，压力表应出现两次峰值。出现第一次峰值是由于TAM管被外皮浆包裹所引起，当外皮浆被浆液挤碎，该峰值迅速下降；随着浆液的注入，地层中间的空隙被填充，灌浆压力也逐渐增大，直到达到第二次峰值[10]。

(7)第二阶段灌浆完成，清洗彻底灌浆孔后，顶部加盖保护好灌浆孔，以备开挖过程中有渗漏的情况下及时进行二次灌浆止水。

3.3.3 停止灌浆条件

在灌浆过程中，通过观察灌浆范围内排气、返水、冒浆及灌浆孔吸浆量、压力提升速度、浆流量等情况，充分收集现场各种数据及迹象综合判断，及时调整灌浆方法和施工参数。当出现以下情况时，可停止帷幕灌浆:

(1)浆压达到有效覆盖压力的2倍或2 bar，或400 kPa。

(2)灌入的水泥膨润土浆液达到每层50 L或灌入的化学浆液达到每层120 L。

(3)如以低于第(1)点注明的浆压下符合第(2)点的规定，暂且让浆达到初凝状态，然后采用相同的次序重新灌浆，直至达到第(1)点的规定。

3.4 TAM两阶段灌浆工法阻水效果评价

3.4.1 抽水试验验证

在基坑外围止水帷幕体系施工完成后，进行抽水试验对灌浆防渗效果展开检查[11]。

3.4.1.1 抽水试验系统设置

(1)在基坑内侧五个不同的位置设10个抽水井(DW1～DW10)，每两个合为一组。

(2)在每组抽水井中间设1个水位观测井，共5个(OW1～OW5)，用以监测在抽水期间每个抽水井内和其附近地下水位的变化。

(3)在止水帷幕外围设7个水位观测井(W1～W7)，用以监测基坑外地下水位标高的变化。

(4)与每组抽水井相对应，在止水帷幕外围设5个回灌井，以备当墙外的地下水位骤降时(表示止水帷幕漏水)可以迅速对流走的地下水予以及时补充。

(5)在基坑外围设18个地面沉降观测点(GS1～GS18)，用以监测在整个抽水期间围护墙外地面和地下泥层沉降幅度。

3.4.1.2 抽水试验实施

(1)初始的监测读数期间为24 h，由D0天9:00～D1天9:00完成。

(2)10个抽水井内的抽水泵在D1天10:00开始运行持续抽水。

(3)5个观测井内的水位读数显示在D2天10:00(抽水阶段)，井内的水位达到稳定状态。

(4)达到稳定状态后持续抽水72 h，继续监测各观测井和监测点读数。

(5)所有抽水泵于D5天10:00停止抽水。

(6)所有抽水泵停止运作后，5个观测井内的水位读数显示基坑内的地下水位开始恢复上升，同时7个水位观测井的读数显示帷幕灌浆外侧地下水位保持相对稳定不变。

(7)待5个观测井内水位逐渐恢复后，整个抽水试验于D7天12:00完成。

3.4.1.3 抽水试验结果分析

(1)由基坑内水位观测井 (OW1～OW5)所录数据显示，开始抽水后，坑内水位开始迅速下降，在约24 h后坑内水位达到稳定状态并维持到抽水结束。停止抽水后，水位又逐渐恢复到抽水前的水位标高，见图4。

图4 抽水试验期间基坑内观测井水位变化曲线

(2)由基坑外水位观测井(W1～W7)所录数据显示，抽水开始前后，位于基坑外围的水位并没有在抽水试验期间明显下降。按照设计接纳准则，考虑潮汐变化，抽水期间，在基坑外观察的水位与展开抽水试验之前变化不超过0.5 m即可接受，见图5。

图5 抽水试验期间止水帷幕外侧水位变化曲线

(3)在整个抽水试验期间所有地面沉降观测点(GS1～GS18)均没有出现过多的沉降量，见图6。

图6 抽水试验期间周边沉降观测点变化曲线

(4)经上述监测数据分析，抽水试验结果达到设计接纳准则，说明TAM两阶段灌浆在基坑外围形成了一道有效的止水帷幕，可以阻止基坑外的地下水渗漏进入基坑内，同时也防止了因基坑外地下水位骤降而导致地面的过度沉降或下陷的现象。

3.4.2 现场实证

开挖期间，基坑未出现明显漏水现象。开挖现场见图7。

图7 开挖期间基坑内未出现明显漏水

项目TAM两阶段灌浆止水帷幕体系，深入岩面以下1 m，既隔断了潜水含水层，又隔断了存在突涌风险的(微)承压水含水层[12]。因止水效果良好，基坑开挖过程中未采取坑内降水措施，仅采用了简易的坑内明排措施。考虑到填土区工程地质和地下水丰富的情况，整个基坑开挖和地库底板结构的施工环境，已属于较为干燥的情况，见图8。

图8 基坑开挖和底板结构施工环境较为干燥

项目自抽水测试完成起计，用三个月的时间完成了近4万m3的土方开挖，之后用不到6个月的时间完成了地库结构建造。TAM两阶段灌浆止水帷幕效果良好，避免了富水地区深基坑工程往往需要大量抽排水可能导致的地面沉降，保证了基坑开挖和地库结构的顺利实施。

3.5 TAM两阶段灌浆工法经济效益评价

项目止水帷幕工程量总计5 865 m2，完工结算综合单价为980澳门元/m2，结算总金额约575万澳门元。占基坑围护系统(基坑维护结构、帷幕灌浆、抽水测试)结算金额的23.5%，占整个基坑工程(基坑维护结构、帷幕灌浆、抽水测试、支撑结构安装及拆除、土方开挖、安全监测)结算金额的12%。整体来讲，TAM两阶段灌浆工法较为经济、合理。

4 结束语

TAM两阶段灌浆工法，利用TAM管和灌浆芯管的独特构造，具有在灌浆区域内分段灌浆和重复灌浆的显著优点。水泥膨润土灌浆和矽酸钠化学灌浆分阶段结合使用，提高了止水帷幕的阻水性能。

在澳门离岛医院－护理学院项目应用中，经过抽水测试和现场验证表明，采用TAM两阶段灌浆工法建造深入基岩的垂直止水帷幕体系，既是阻止开挖过程中基坑地下水渗漏的有效手段，也避免了传统基坑开挖需要大量抽排水可能引致过大的地面沉降。是一种技术先进、经济合理、安全可靠、环保的新型止水帷幕技术，在富水填土区深基坑工程设计和施工中，具有参考和借鉴意义。