随着国内基坑支护技术的发展和国外新技术的引进, 基坑的竖向围护结构及止水帷幕的施工技术愈加成熟。但在高水位、高渗透性、厚透水层等一些特殊地层条件下, 地下水的侧向及垂向补给, 造成基坑地下水控制难度大。目前, 在类似地层条件下, 常用方法为地下连续墙、咬合桩等。以上两种工艺技术成熟, 也具有较好的支护及止水效果, 但施工周期长、造价高, 而且配套设备较多, 对工作面要求较大。

北京城市副中心A2号办公楼6, 7, 8号塔式起重机基坑工程位于A2号办公楼基坑内。场地地下水水位较高, 含水层厚度约20m。由于本工程施工条件特殊, 如何选择一个即可达到止水效果, 又不影响A2主楼地基土的地下水控制方案是本工程的重点和难点, 业主及总承包单位一直在寻找合适的解决办法。经过多次专家论证, 最终采用了我公司自主研发专利技术———潜孔冲击高压旋喷桩 (DJP工法) , 通过基坑止水帷幕+基底封底帷幕, 使基坑形成一个矩形壳体, 切断了地下水的侧向及垂向渗透通道, 止水效果良好。该项目的成功应用, 为DJP工法在高水位、高渗透性、厚透水层的复杂地层条件下, 施作止水+封底帷幕做出了新的尝试。

北京城市副中心A2号办公楼6号塔式起重机基础位于主楼楼座中部, 7, 8号塔式起重机分别位于主楼西北角和东北角。塔式起重机基础结构尺寸均为6.5m×6.5m, 基础形式为桩基础, 每个塔式起重机基础均为5根800mm灌注桩, 塔式起重机基底绝对标高为7.440m, 主楼基坑坑底绝对标高11.000m, 塔式起重机基坑开挖深度3.56m。A2主楼基坑已大面积开挖, 通过对6号塔式起重机基坑周边的观测井测量以及现场开挖实测, 确定现状地下水标高为9.600m。

结合本工程水文地质条件及工程特点, 经多次专家论证, 对多种方案分析结果如下。

1) 管井降水首先, 富含地下水的砂层中成井难度大。其次, 由于塔式起重机位于主楼基座内, 降水形成的“漏斗”或造成主楼基底砂土流失, 影响地基土的天然状态。

2) 轻型井点成井难度大, 且地层渗透系数较大、地下水丰富, 不宜使用。

3) 止水帷幕+坑底抽降由于基底以下合理深度范围内无稳定隔水层, 仅能设计为悬挂帷幕, 无法隔断基坑范围内地下水的垂向补给通道。

通过对以上方案的分析, 最终确定使用“竖向止水帷幕+封底帷幕”的方案。竖向止水帷幕兼具隔水+支护的双重作用, 减少了基坑放坡开挖对主楼地基土的扰动。止水帷幕与封底帷幕形成一个密闭空间, 有效阻隔地下水的侧向和垂向补给, 以达到塔式起重机基础干槽作业的目的。

1) (3) 细砂层稍密~中密, 很湿, 含云母、石英、长石, 局部夹粉土薄层, 分布连续;本大层钻孔揭露最大厚度为9.30m, 最低层底标高为5.090m。

2) (4) 细砂~中砂层中密~密实, 很湿, 含云母、石英、长石, 局部含少量圆砾, 分布连续。本大层钻孔揭露最大厚度为12.60m, 最低层底标高为-1.840m。

3) (5) 细砂~中砂层密实, 很湿, 含云母、石英、长石, 局部含圆砾。本大层钻孔揭露最大厚度为10.50m, 最低层底标高为-9.590m。

本场地勘察揭露第1层地下水为第四系孔隙潜水, 潜水水位埋深为6.00~7.90m, 静止水位标高为11.400~14.480m, 含水层岩性主要为 (3) 细砂大层、 (4) 细砂~中砂层, (5) 细砂~中砂大层。第2层为第四系承压水, 于长期观测孔内测得承压水头高24.0m左右, 其含水层岩性主要为 (6) 细砂~中砂层;承压水与潜水间的相对隔水层为 (6) ₁粉质黏土~重粉质黏土层、 (6) ₂黏质粉土~砂质粉土层及 (6) ₃ (有机质) 重粉质黏土~黏土层;受隔水层底板起伏及局部缺失影响, 场地内各处承压性略有不同, 且受上部潜水水位影响较大。

DJP工法是利用位于钻杆下方的潜孔锤冲击器在钻进过程中产生的高频振动冲击作用, 结合冲击器底部喷出的高压空气对土体结构进行破坏, 同时冲击器上部高压水射流切割土体;在高压水、高压气、高频振动的联动作用下, 钻杆周围土体迅速崩解, 处于流塑或悬浮状态;此时喷嘴喷射高压水泥浆对钻杆四周的土体进行二次切割和搅拌, 加上垂直高压气流的微气爆作用, 使已成悬浮状态的土体颗粒与高压水泥浆充分混合, 形成直径较大、混合均匀、强度较高的水泥土桩。

本方案止水帷幕与封底帷幕均采用DJP工法, 止水帷幕桩长4.86m, 桩顶标高为9.900m, 封底帷幕桩长2.4mm, 桩顶标高为7.440m。考虑减少施工机械对主楼地基土的扰动, 采用小型低净空DJP钻机施工, 帷幕桩桩径均为700mm, 搭接尺寸为200mm。由于止水帷幕兼作支护结构, 设计为双排止水帷幕。

本方案止水帷幕桩体强度要求≥0.8MPa, 渗透系数≤1.0×10^-6cm/s。水泥掺量为15%, 水泥等级为P·O42.5。注浆压力25~30MPa, 提升速度为0.3m/min。止水+封底方案如图1所示。

施工完成后对帷幕桩进行了现场取芯试验, 经检查, 桩身质量较好, 水泥和土体混合均匀。经国家建筑工程质量监督检验中心实验室检验, 水泥土桩身强度为22.6~25.3MPa, 桩身渗透系数为2.6×10^-8cm/s, 桩身强度高, 渗透性低, 满足设计支护及止水要求。

基坑开挖至基底后渗漏点较少, 止水效果良好, 满足干槽作业要求。同场地集水坑未采用止水+封底方案, 地下水位以下开挖难度极大, 严重影响了施工工期, 距基底2.0m处无法继续开挖。

DJP工法止水+封底帷幕在本项目的成功应用, 在高水位、高渗透性、厚透水层等复杂地层条件下提出了一种新的地下水控制方法, 突破了降水、止水+降水等地下水控制的传统观念。总结其技术特点如下。

1) 依靠“高压水 (浆) +高压气+高频振动+地下微气爆+气包浆”的联动工作机理, 增加了单位提升速度下的成桩直径及桩体质量。

2) 采用旋转+潜孔冲击双动力, 垂直度保证率高, 钻进速度快, 施工效率高。

3) 施工设备较为简单, 对施工作业面要求较低, 场地适应性强。