止水帷幕作为基坑工程控制地下水的主要措施, 其安全可靠性直接关系到基坑工程安全。由于岩土工程本身的复杂性、止水帷幕设计考虑不充分性及施工质量的不可控性等因素的影响, 止水帷幕失效的事故时有发生。因此, 开展深基坑止水帷幕失效原因分析及处理措施研究具有重要的现实意义。

本文结合广东省某深基坑水泥搅拌桩止水帷幕失效, 经高压旋喷桩补救仍未解决问题的工程案例, 通过对基坑周边环境、地质条件、承压水等特点进行分析, 提出了采用钢板桩作为止水帷幕的方案, 并取得了良好的效果。

拟建基坑位于广东省广州市萝岗经济开发区, 基坑周长约330m, 面积约6 400m², 设计3层和4层地下室, 开挖深度分别为17.5m (西侧4层地下室) 和13.5m (东侧3层地下室) 。周边建 (构) 筑物紧邻基坑边, 其中东侧距用地红线约14m, 红线外为城市主干道, 道路下方有市政管线, 西侧市政道路距基坑边最近约5.4m, 道路绿化带下方存在砖砌市政电缆沟, 南侧预应力管桩基础实验楼距基坑边最近约4.8m, 北侧预应力管桩基础综合楼距基坑边最近约5.6m, 且紧邻基坑西侧、南侧和北侧均存在建设单位内部的电缆沟和水管。基坑平面布置如图1所示。

场地西南区域局部为鱼塘填筑而成, 存在大量的建筑垃圾。根据地质勘察报告揭露, 该地区孤石异常发育, 该场地土层主要特征参数如表1所示。

场地含水层主要为砾砂和中粗砂层 (见表2) , 系孔隙承压水, 砾砂属极强透水层, 中粗砂属强透水层, 其余各土层具微透水性, 为相对隔水层。根据调查发现, 距离基坑西侧不远的地方存在河涌, 通过查阅附近区域的地质勘查报告发现, 本场地的砾砂层和中粗砂层是连续性的透水层, 与该河涌形成水利联系。

本基坑原支护结构设计采用钻孔灌注桩+水泥搅拌桩止水帷幕, 具体设计参数如下: (1) 支护桩1 200@1 400钻孔灌注桩。 (2) 止水帷幕单排1 000@750水泥搅拌桩止水帷幕, 进入 (2) ₅粉质黏土; (3) 支撑体系2道混凝土角支撑。

基坑开挖至第2道混凝土支撑并浇筑完支撑后, 首先将北侧开挖至坑底, 在开挖过程中发现西北角有多处持续漏水, 且混有少量细砂, 基坑西北侧建业六路道路出现10m²左右塌陷, 绿化带下方的市政电缆沟坍塌, 施工单位通过抢工将北侧垫层施工完毕。2015年2月7日在开挖南侧时, 基坑南侧中部突现涌水点, 持续大量涌水, 水质清澈, 坑外的观测点水位随之快速下降, 且变化速率超过了2m/d的警戒值。为了保证基坑安全, 在向该涌水点注入大量混凝土才勉强堵住。此后, 基坑全面停止开挖, 坑中逐渐被涌水注满。

通过查阅施工单位水泥搅拌桩成桩记录, 由于场地地质条件复杂且有孤石存在, 加之水泥搅拌桩施工机械功率有限, 水泥搅拌桩未按设计要求穿透第 (2) ₆中粗砂层并进入相对不透水层一定深度即终止了成桩深度, 从而形成了大量的“吊脚桩”。相关单位期望在基坑开挖过程中采取坑内堵漏等方式进行后期补救, 然而在基坑开挖过程中, 因漏水点多, 涌水量大, 采用坑内堵漏的临时补救措施根本行不通。

为了挽救损失, 确保基坑安全, 施工单位采用高压旋喷桩在水泥搅拌桩与支护桩中间进行补漏修复, 但未能取得实质性的止水效果。分析原因如下:由于场地第 (2) ₆中粗砂层与附近河涌相通, 加之场地承压水头大, 造成坑外地下水向坑内涌入的流速快, 水量大, 将大量的中粗砂带走, 在该层土体中形成空洞, 高压旋喷桩尚未形成强度即被冲走稀释, 从而导致成桩质量差或不成桩。

在处理基坑止水帷幕失效的事故时, 传统的方法多为采用高压旋喷桩、注浆等对止水帷幕进行修补。由于该场地地下水条件复杂, 施工单位采取的补救措施无法解决问题, 迫切需求引入新的方法解决该问题。

综合考虑场地地质条件、水文条件、施工条件等, 经建设各方以及专家多次研究, 采取了以下处理措施:在基坑西侧、南侧和北侧局部区域水泥搅拌桩外侧施工1排钢板桩作为止水帷幕。

1) 钢板桩采用全新日本进口Ⅳ_w钢板桩, 单根钢板桩长度18~24m。

2) 钢板桩穿透中粗砂层, 进入 (3) 层砂质黏性土约2.0m。

3) 当钢板桩尚未达到设计深度即遇到花岗岩层, 入岩0.5m即可终桩。

4) 为了形成封闭的止水帷幕, 要求收尾2根搅拌桩嵌入原水泥搅拌桩内。

5) 采用F201静压植桩机进行钢板桩施工。

6) 在坑外增加水位观察孔, 加强对坑外水位变化的观测。

7) 钢板桩施工过程中加强对基坑变形、地下水位、房屋沉降等的监测。

2015年7月中旬开始施工钢板桩止水帷幕, 2015年9月施工单位开始组织抽基坑内的水, 2015年12月中旬钢板桩止水帷幕按设计施工图纸施工完成, 施工单位开始挖土方。目前基坑已开挖到设计标高17.500m, 垫层已浇筑完毕。

基坑周边共设置了18个地下水位观测孔。从观测结果可以看出基坑在开始漏水时即2015年2月左右, 坑外监测水位孔水位明显变化;2015年9月左右开始抽水时, 由于钢板桩止水帷幕尚未施工完成, 坑外监测点水位孔水位亦变化较大;2015年11月底, 坑外监测点水位孔水位基本稳定, 并且水位逐渐上升, 说明钢板桩止水帷幕已起到了止水作用。另外, 根据现场施工情况, 原涌水点已不再涌水, 基坑侧壁没有出现明显渗漏, 坑外监测点水位逐渐恢复正常。

2015年1月底、2月初由于基坑漏水, 周边土体失水固结导致周边道路和管线沉降量变化明显, 随着基坑回灌, 坑内外水位平衡后, 基坑周边沉降趋于稳定;2015年9月由于钢板桩止水帷幕尚未施工完毕, 施工单位开始组织抽水, 部分涌水点尚在大量涌水, 导致基坑周边沉降量相对加大, 随后钢板桩施工完毕, 坑内不再出现漏水现象, 基坑周边的道路和管线沉降逐渐趋于稳定。

本文介绍了一个水泥搅拌桩止水帷幕失效造成基坑灌水, 采用高压旋喷桩补救也未能解决问题的实际案例, 通过对场地的地质条件、水文条件、施工条件等综合分析, 成功地应用了钢板桩作为止水帷幕解决了漏水问题, 并得到以下几点启示。

1) 水泥搅拌桩作为支护体系的一个重要部分, 其安全可靠性直接影响基坑工程的顺利实施, 应引起足够重视。

2) 止水帷幕的设计应充分考虑场地的地质条件、水文条件及施工条件等, 不宜根据经验千篇一律进行设计。

3) 止水帷幕补救措施应在充分分析原止水帷幕失效原因的基础上进行设计, 不能盲目, 否则耗费了大量的人力物力, 仍可能解决不了问题。

4) 钢板桩作为止水帷幕, 其止水效果良好, 加之钢板桩本身具有一定的刚度, 在以后的基坑工程中, 可以考虑将钢板桩同时作为支护桩和止水帷幕桩进行设计施工。