深中通道西人工岛止水帷幕大型渗透性试验研究

杨润来，王从李，王朔，吕鹏

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

0 引言

高压旋喷桩止水帷幕[1-3]一般采用钻孔注水法进行渗透性检测及评价，但检测频率相对较低，检验位置及其结果具有一定的离散性，不能直观反应止水帷幕综合止水性能。对于重要止水结构，除采用常规的钻孔注水法进行渗透性检测外[4]，具备条件时可采用大型回水试验作为验证其止水性能的直观检测手段。本文基于深中通道西人工岛岛隧结合部二次止水体系，采用上述两种方式对止水帷幕的渗透性进行检验，以期对两种检验方式进行相互验证。

1 工程概况

深中通道工程采用东、西两座人工岛实现桥梁与隧道转换，其中西人工岛作为沉管隧道安装的起始端，采用钢圆筒围护结构快速成岛工艺。为提供首节沉管对接条件，在岛隧结合部二次止水结构及岛上现浇隧道施工完成后，向岛内回水以验证二次止水体系的止水效果。二次止水结构由设置在隧道底部的3排连续高压旋喷桩形成止水帷幕以及隧道两侧、顶部设置的止水扶壁组成，具体布置如图1所示。该止水帷幕桩径1.0 m，搭接宽度0.3 m，设计桩顶标高-11.427 m，桩底标高-39.927 m，进入中风化岩层顶面。与此同时，为截断钢圆筒围护结构底部渗径，前期沿西小岛内轮廓一周施打高压旋喷帷幕，与结构下止水帷幕连接，确保沉管对接后岛内干施工作业环境。

图1 西人工岛小岛止水帷幕平面布置图（mm）Fig.1 The floor plan of wateproof curtain on the west artificial island(mm)

止水帷幕的止水效果决定了岛内后续工作能否顺利开展，因此止水帷幕施工完成后需对旋喷桩桩身均匀性、强度和抗渗指标进行检测。其中，设计桩身平均无侧限抗压强度≥1.2 MPa，总体平均渗透系数小于7×10-6cm/s，最大渗透系数小于1×10-5cm/s。

2 钻孔常水头注水试验

止水帷幕常规采用钻孔取芯常水头注水试验进行检测，各钻孔按不大于5 m的试段分段进行注水试验，最大深度至桩底风化岩。试验前每隔5 min观测地下水1次，取水位稳定值作为地下水计算值。试验过程中将套管跟进至桩顶标高，采用自上而下的分段注水方式，每隔5 m作为一个试验段。试验过程中，不断向套管注入清水以稳定试验水位标高，用量筒量测注水量；每隔5 min量测1次，连续量测5次后每隔20 min量测1次并至少连续量测6次。当连续2次量测的注水流量之差不大于最后1次注水流量的10%时，认为注水试验达到稳定渗透状态，并取最后1次注水流量作为计算值进行分段渗透系数计算。西人工岛二次止水帷幕施工完成后，按照上述方法随机检测7孔。经检测止水帷幕渗透系数介于2.78×10-6～9.36×10-6cm/s之间，总体平均渗透系数为5.51×10-6cm/s，满足设计要求。根据钻孔取芯及28 d无侧限抗压强度试验结果，高压旋喷桩桩身基本连续完整，桩身强度总体均大于1.2 MPa，仅局部成桩质量稍差。

3 大型渗透性试验

3.1 试验概况

为进一步验证二次止水体系的止水效果，在西人工岛岛头钢圆筒（X03—X07）拆除前，对二次止水体系与待拆除钢圆筒之间区域分阶段进行回水试验，并监测水位变化及地下水位变化情况。通过地下水位的变化计算渗水量，利用渗水量、止水帷幕内外侧水头差、止水帷幕旋喷桩宽度、止水帷幕渗流面积等参数，计算止水帷幕渗透系数。由于止水扶壁与钢圆筒为钢板桩焊接连接，隧道结构及扶壁与止水帷幕通过现浇钢筋混凝土榫槽进行嵌固，可基本忽略连接部位的渗漏可能性。同时，为降低试验结论分析难度，按照偏保守原则，回水试验过程中监测的渗水量包含通过钢圆筒底部未被截断的渗径所渗出水量。为确保试验的严谨性，回水试验期间停止西小岛、岛壁钢圆筒及副格内降水等可能导致试验数据失真的其他作业。岛头回水区域如图1所示。

西人工岛岛头区域回水试验与扶壁1后方回填交替进行，分两阶段实施，具体实施步骤如图2所示。

图2 岛头区域回水及扶壁1后方回填施工步骤图Fig.2 Construction step diagram of backwater in island head area and backfill behind buttress 1

3.2 试验过程及结果分析

3.2.1 第一阶段试验

二次止水体系施工完成后，安装现浇隧道端面封门并进行水密性测试，满足要求后开展第一阶段试验[5-7]。其中，回水区域底标高最低处为-16.0 m，最高处为-11.733 m，平均标高约-12.5 m。第一阶段回水标高至-5 m，按照设计技术要求每天回水不超过3 m。第一阶段回水完成照片如图3所示。回水完成后，关闭水泵静置观察岛头回水区域水位变化。水位变化连续监测情况如表1所示。

图3 第一阶段回水完成Fig.3 The completed backwater at the first stage

表1 第一阶段试验岛头区域水位记录表Table 1 Water level record sheet of the island head area during the first phase of the test

第一阶段回水完成后，同步对止水帷幕西侧小岛内地下水位持续监测，具体监测数据如表2所示。

表2 第一阶段试验小岛内地下水位记录表Table 2 Groundwater level record sheet in the small island during the first phase of the test

通过止水帷幕渗透至小岛内单日渗水量按照式（1）计算：

式中：Q为渗水量，m3/d；S为止水帷幕西侧小岛投影面积4 408 m2，详见图1；h3为每日水位上升高度，详见表2；n为给水度，中砂取0.25（根据《工程地质手册》[8]提供经验值选取）。

根据式（1）计算得止水帷幕西侧小岛基坑内每日渗水量，结果见表2。

回水试验前，经监测西小岛内每日水位稳定上升高度为0.069 m，根据式（1）求得前期自岛壁钢圆筒围护结构底部渗径进入岛内水量为76.04 m3/d，故第一阶段试验止水帷幕的最大渗水量为121.22-76.04=45.18 m3/d。

二次止水结构止水帷幕总长为93.0 m，其迎水面面积为93.0×（39.927-11.427）=2 650.5 m2。

渗透系数k按式（2）计算：

式中：Q′为渗水量，m3/d；F为止水帷幕迎水面面积，其中h为止水帷幕内外侧水头差，l为止水帷幕旋喷桩宽度。

由上述计算知，第一阶段试验止水帷幕的最大渗水量Q′=45.18 m3/d，时间段为第2天16:00—第3天16:00，水头差h=-5.233+16.39=11.157 m，止水帷幕宽度l=2.4 m，故因此第一阶段试验止水帷幕的最大渗透系数k=满足最大渗透系数小于1×10-5cm/s的要求，且小于钻孔常水头注水试验最大渗透系数9.36×10-6cm/s。

参照上述计算方法，第一阶段试验各时间段渗透系数汇总见表2。

因此，第一阶段试验止水帷幕总体平均渗透系数k=3.20×10-6cm/s，满足总体平均渗透系数小于7×10-6cm/s的要求，且小于钻孔常水头注水试验总体平均渗透系数5.51×10-6cm/s。

3.2.2 第二阶段试验

第二阶段回水试验在扶壁1后方回填至+0 m后实施。回水标高由-5.44 m回水至常水位+0.54 m，按照设计技术要求每天回水不超过3 m。回水完成后，关闭水泵静置观察岛头回水区域水位变化。水位变化连续监测情况如表3。

表3 第二阶段试验岛头区域水位记录表Table 3 Water level record sheet of the island head area during the second phase of the test

第二阶段回水完成后对岛内地下水位持续监测，具体监测数据见表4。

岛内单日渗水量按照第一阶段试验中式（1）计算，结果见表4。

参照第一阶段试验渗透系数计算方法，第二阶段试验各时间段渗透系数具体结果见表4。

试验结果表明，第二阶段试验止水帷幕最大渗透系数k=8.88×10-6cm/s，满足最大渗透系数小于1×10-5cm/s的要求，且小于钻孔常水头注水试验最大渗透系数9.36×10-6cm/s要求。第二阶段试验止水帷幕总体平均渗透系数k=6.85×10-6cm/s，满足总体平均渗透系数小于7×10-6cm/s的要求，但大于钻孔常水头注水试验总体平均渗透系数5.51×10-6cm/s。

表4 第二阶段试验小岛内地下水位记录表Table 4 Groundwater level record sheet in the small island during the second phase of the test

对于第二阶段大型渗透试验总体平均渗透系数大于常规钻孔注水试验渗透系数的情况，分析其原因为钻孔注水法检测点位及结果具有一定离散性，以及隧道底部榫槽与高压旋喷桩止水帷幕结合存在渗径等综合因素所致。同时，大型渗透性试验最终回水标高至常水位（+0.54 m），远高于钻孔常水头注水试验水头顶标高（-11.427 m），回水水压力远大于钻孔注水压力，也将造成渗透系数偏大。

4 结语

深中通道西人工岛岛隧结合部回水试验进一步充分验证了二次止水体系止水帷幕的抗渗性满足工程需求。通过该试验，验证了大型渗透性试验与采用常规钻孔注水法检测止水帷幕渗透性的可行性及结论的可靠性，为后续类似工程施工积累了经验。