86m超深水泥土搅拌墙试验研究与工程应用.pdf

施工技术（中英文）年 月上第 卷 第 期：上海市科委重点攻关项目（）；上海市青年科技英才扬帆计划（）作者简介 宗露丹，硕士，工程师，：收稿日期 超深水泥土搅拌墙试验研究与工程应用宗露丹，张 佶，徐中华，潘伟强（华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海；上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心，上海；上海隧道工程有限公司，上海）摘要 上海某挖深达 的隧道工作井超深基坑工程涉及复杂的多层承压含水层减压降水，且周边邻近磁悬浮等重点保护对象。为避免基坑侧向渗漏和基底突涌风险，并控制抽降深部承压水对周边环境的影响，于超深地下连续墙围护墙的外侧设置厚 、深 的 工法等厚度水泥土搅拌墙形成双帷幕体系。如此深度的 工法实施尚无先例可循，故于正式施工前采用新型 工法机，开展了 深的 工法成墙试验，确定其施工能力、施工工效及施工参数。试成墙为后续 深 工法正式成墙的顺利实施提供了依据，正式成墙墙体质量检测和周边环境监测结果表明，墙体的强度、渗透性均满足设计要求，且环境影响较小。在基坑开挖前开展了双帷幕间的试抽水试验，结果表明 工法隔水帷幕内外水位降深比约 ，停抽后水位恢复极缓慢，进一步验证了 工法超深隔水帷幕良好的隔水效果。关键词 深基坑；水泥土搅拌墙；隔水帷幕；承压水；试验中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，；，）：，：，：；宗露丹等：超深水泥土搅拌墙试验研究与工程应用 引言 随着我国地下空间开发迅速发展，基坑开挖深度逐步增加，涉及更为严峻复杂的地下水处理问题。以典型的滨海软土高水位中心城市上海为例，浅部为软弱黏性土组成的潜水含水层、深部则为蕴含于密实砂层的多层承压含水层，对于环境敏感的超深基坑工程通常需设置超深止水帷幕以减少承压水降水对周边环境的影响。（）工法又称等厚度水泥土搅拌墙技术，是将链锯型刀具插入地基至设计深度后，全深度范围对成层地基土整体上下回转切割喷浆搅拌，并持续横向推进，构筑成连续无缝的等厚度水泥土搅拌墙。自 年从日本引进该技术以来，作为一种良好的隔水帷幕形式已在全国诸多城市复杂地层条件的基坑工程中成功应用。典型工程如中钢天津响螺湾项目，工法隔水帷幕深度达到；上海虹桥商务区一期，工法隔水帷幕深度达到；武汉长江航运中心，工法隔水帷幕深度达到，嵌入中风化泥岩层；上海国际金融中心，工法作为密实砂层中的悬挂帷幕深度达到。目前 工法基本实现了施工设备的国产化，大规模应用深度基本不超过。本文以上海某项目挖深达 的方形基坑工程为依托，针对复杂多层承压水的基坑降水设计，提出了在地下连续墙围护墙外侧设置超深 工法搅拌墙的双帷幕体系。由于 工法搅拌墙的深度达，其实施尚无先例可循，针对复杂地层首次开展 超深 工法搅拌墙试成墙研究，在此基础上完成 深 工法正式成墙施工，并结合现场抽水验证超深帷幕的隔水效果。超深基坑双帷幕体系设计 工程概况 上海某项目涉及隧道段和 个工作井开挖，其中 号工作井内净尺寸为 的矩形，基坑面积 ，基坑开挖深度为 。基坑周边 主 要 保 护 对 象 为 东 侧 的 高 压 铁 塔（采 用 静压焊接的桩基础，桩长 ）、西侧的磁悬浮基础（采用桩径 的钻孔灌注桩基础，桩长 ），基坑环境平面如图 所示。工程地质与水文地质条件 本工程位于长江三角洲滨海平原。从地表至约 深主要以流塑软塑的填土、淤泥质黏土、粉质黏土、黏土为主，为典型上海软土；其下为砂质粉土和粉砂，其中第层、层、层均呈密实状态，图 基坑平面（单位：）（：）标贯击数分别约为，。层与层之间为层粉质黏土与粉砂互层。场地地下水有潜水和承压两种类型。浅部潜水赋存于填土、黏性土和粉性土中，水位埋深 。第层、层为微承压含水层，水头埋深约 ，且层大部分区域与第层联通。深部第层、第层、第层分别为第、第、第 承压含水层，其中层与层间分布有第层相对隔水层，第层与第层相联通，承压含水层水量补给丰富且渗透系数较大，第、第、第 承压水含水层水头埋深均约为 左右。为保证基坑的抗承压水稳定性，本基坑层第承压含水层、层第承压含水层的水头降深需求分别为 ，。各土层物理力学性质参数如表 所示。表 土层物理力学性质指标 地层名称（）（）（）人工填土淤泥质粉质黏土 淤泥质黏土 黏土 黏质粉土夹粉质黏土 粉质黏土 砂质粉土夹粉质黏土 粉细砂 粉质黏土与粉砂互层 粉细砂 粉细砂 注：为土的天然重度；为含水率；，分别为直剪固结快剪黏聚力和内摩擦角；为土体综合渗透系数；为压缩模量 承压水控制的双帷幕体系设计方案 本项目基坑超深且存在复杂的多层承压含水层，基坑开挖面直接揭露层及层与层大范围联通的承压含水层，同时还需针对深部的层 施工技术（中英文）第 卷与层联通的承压含水层进行减压降水。为控制抽降承压水对周边环境的影响，采用 深地下连续墙兼作悬挂止水帷幕，悬挂长度不小于 ，其中 深度区间为止水构造段。在此基础上，为确保本基坑侧向渗漏风险可控，尤其对基底附近渗漏威胁最大的微承压水及第 承压含水层采用双帷幕设计思路，即在地下连续墙外侧另外设置 厚、深的超深 工法水泥土搅拌墙止水帷幕，墙身进入层至少 以完全隔断层及以上含水层。地下连续墙与 工法隔水帷幕之间保持 的净距，并在双帷幕之间设置微承压水及第承压水的应急备用井。基坑双帷幕体系剖面如图 所示。图 基坑支护体系剖面（单位：）（：）超深 工法成墙试验研究 试成墙的必要性 本工程 工法等厚度水泥土搅拌墙设计深度，远超此前既有的 型、型、型和 型等施工设备的施工能力（最大施工深度约为），且 入土深度需穿透标贯击数近 击的第粉砂层中，超深成墙深度及穿透坚硬土层对止水帷幕成墙施工能力提出巨大挑战。国内工程机械制造单位为此研制开发了世界首台极限施工深度可达 的 型工法机，如图 所示。该设备长 、宽 、高，自重约、切割力，轨链的破断拉力，最大切削深度，成墙宽度 ，该设备的切割能力、成墙深度相对于 型设备均进行了优化提升。图 型设备 由于采用该新型设备施工如此超深 工法等厚度水泥土搅拌墙尚无先例可循，因此在正式墙体施工前，进行了非原位的试成墙试验，以验证施工设备在该地层条件下的施工能力，确定施工参数和施工步骤，以指导正式成墙施工。试验过程及施工工效 工法等厚度水泥土搅拌墙成墙试验段设置在项目场地内部南侧，试验段墙体深度、长度、厚度 ，采用三工序成墙施工工艺，即先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌，对地层先行挖掘松动后，再行喷浆搅拌固化成墙。试成墙试验的设备施工能力、施工参数、施工工效如下。）设备能力等厚度水泥土搅拌墙成墙试验的实际施工深度达到，已穿透标贯击数 击的第粉砂层并进入标贯击数 击的第粉细砂层约。此次试验证明 型工法机施工设备在本工程深厚密实砂层地质条件下进行 深度隔水帷幕施工是可行的。切割箱打入至 深度后，通过切割箱体内的测斜仪实时监控切割箱面内与面外的偏差情况，并及时通过驾驶员操控调整，试成墙施工墙体垂直度控制在 以内。）施工参数 试成墙的施工参数为：挖掘液采用钠基膨润土拌制，每 被搅土体掺入约 膨润土；先行挖掘液水灰比为 ，挖掘液混合泥浆流动度宜为；固化液采用 级普通硅酸盐水泥，掺量，水灰比为 。）施工工效 试成墙的综合施工工效约为 ，各工序的实际工效统计如表 所示。实际施 宗露丹等：超深水泥土搅拌墙试验研究与工程应用 工过程中应注意考虑切割箱打入和拔出所占用的时间，合理安排工期。表 试成墙施工工效 序号工序名称实际工效切割箱自行打入挖掘工序 节，共 节，共耗时约水泥土搅拌墙建造工序先行切割约 回撤挖掘约 成墙搅拌约 切割箱拔出分解工序约 完成 试成墙水泥土强度检测 试成墙施工完成并满足 养护龄期后，在试验墙体长度方向的中心线上距起始点 处选取 个钻孔进行取芯，钻孔深度同墙体深度，并对芯样进行了无侧限抗压强度试验，取芯孔平面布置如图 所示。图 试验段取芯孔平面布置 现场取芯的芯样照片如图 所示，芯样自上而下均较为完整，连续性好，破碎较小，芯样呈水泥土颜色，并且自上而下颜色较为均匀。总体而言，钻孔取芯芯样率均较高，水泥土搅拌墙均匀性较好。图 试成墙试验取芯的芯样 通过对钻孔取芯芯样进行无侧限抗压强度试验，各土层分布范围的芯样抗压强度均值汇总如表 所示。可见各土层的取芯芯样无侧限抗压强度分布较均匀，约为 。尤其本工程 工法搅拌墙主要以隔断基底附近的 承压含水层为目的，而检测所得 层的强度为 ，尚未达到上海市工程建设规范 基坑工程技术标准 关于水泥土搅拌桩强度 的要求。这主要是由于成墙深度太大，仅在设备下部设置了 个喷浆口，难以把下部的水泥浆带上来。表 试成墙芯样抗压强度 层序土层名称取样深度芯样强度平均值 淤泥质黏土 粉质黏土 砂质粉土夹粉质黏土 粉细砂 粉质黏土与粉砂互层 粉细砂 试成墙环境影响监测 为分析超深 工法等厚度水泥土搅拌墙试验段施工对周边环境影响程度，于成墙试验段周边设置 个地表沉降监测点及 个土体测斜监测点进行监测，如图 所示。图 试验段监测点平面布置 监测所得的 工法试成墙期间的土体侧向位移量最大值为 ，发生在层粉细砂层中约 深度处，主要是由于深部砂层的水土压力巨大，因而深部砂层土体变形较相对浅层黏土层偏大。此外，由于切削土体过程中形成的土体扰动，导致周边土体向槽内移动，从而周边地表发生一定沉降，监测所得的最大沉降量仅约 ，发生在距试验段中部最近的 测点。总体而言，成墙施工对周边环境影响在可控范围内。超深 工法施工设备改进 根据 深的 试成墙试验结果可知，因设备下部仅设置了 个喷浆口，取芯芯样强度难达到设计要求，因而针对超深 施工设备进行了改进：切割箱体内部增加 根浆气管，数量由 根变为 根，为实现中间喷浆功能提供管道；增加 节中间喷浆节箱体，可根据地层情况排布在任意深度，使浆液与土体充分搅拌，提高墙体均匀程度，如图 所示；切割箱体内部增加 根倾斜仪管路，在原来接杆连接的基础上，增加线筒连接倾斜仪传感器组件，提高切割箱施工时垂直度检测能力，保证了倾斜仪使用时安全可靠。施工技术（中英文）第 卷图 中间喷浆节箱体 工法正式成墙施工 正式成墙的施工过程及工效 本工程采用 深、厚、总延长米的 工法等厚度水泥土搅拌墙止水帷幕。采用三工序成墙施工工艺实施，共设置 幅墙段，每幅墙段长度 ，各幅墙段间搭接 ，转角部位向外延伸长度不小于。施工时需先行切割，回撤挖掘，其后喷浆成墙。通过智能化施工管理系统，使用插入式倾斜计对 成墙垂直度进行实时监测调整，垂直度控制在 以内。正式成墙的施工参数基本沿用试成墙试验参数，由于试验段钻孔取芯检测强度不足，于正式成墙施工阶段将水泥掺量调整为。本项目正式成墙施工工期共，综合施工工效约 ，各工序的实际工效统计如表 所示。表 正式成墙施工工效 序号工序名称实际工效切割箱自行打入挖掘工序 节，共 节，共耗时约 水泥土搅拌墙建造工序先行切割 约 回撤挖掘 约 成墙搅拌 约 切割箱拔出分解工序约 完成 成墙质量检测 等厚度水泥土搅拌墙正式施工过程中，每幅墙段均选取 个位置的浆液制作试块，通过 标准养护后，测得试块平均强度为 ，满足浆液试块强度不小于 的设计要求。等厚度水泥土搅拌墙正式施工完成，并满足 养护条件后，在基坑外围 幅角部墙段中部进行钻孔取芯，取芯深度同墙深。现场取芯的芯样照片如图 所示，芯样率较高、呈柱状、完整性好，芯样呈水泥土颜色，并且自上而下颜色较为均匀。图 正式成墙取芯的芯样 针对现场取芯芯样进行无侧限抗压强度试验，测得 所有取芯芯样强度均在 范围内，其中需主要隔断的承压含水层范围内芯样强度均值约为，均能满足钻孔取芯芯样强度不低于 的设计要求（见表）。表 正式成墙芯样抗压强度 层序土层名称取样深度芯样强度平均值 淤泥质黏土 粉质黏土 砂质粉土夹粉质黏土 粉细砂 粉质黏土与粉砂互层 此外，于东侧中部选取 幅墙段进行钻孔取芯并对芯样进行室内渗透性试验，取芯深度为。室内渗透性试验采用变水头渗透仪进行测定，其成果如表 所示。可见在，层微承压含水层及深部层承压含水层中的渗透系数由原土层的 级均大幅减小至 级，均能满足墙体渗透系数不大于 的设计要求。综上可知，正式成墙的强度及渗透性均已满足深厚砂层中承压水的隔水要求。表 正式成墙芯样渗透试验成果 层序试块深度 原土层渗透系数（）水泥土渗透系数（）环境影响分析 正式施工期间于南侧 超深等厚度水泥土搅拌墙外侧设置 个土体测斜监测点，监测所得 测点的土体侧向位移量最大值分别为 宗露丹等：超深水泥土搅拌墙试验研究与工程应用 ，最大侧移量发生在埋深约 的层粉质黏土层。和 测点在切割完成、喷浆完成及最终情况下的测斜如图 所示。总体而言，成墙对周边环境影响较小。图 正式成墙邻近土体测斜曲线 双帷幕体系隔水效果验证 为检验 止水帷幕的隔水封闭性，基坑开挖前在地下连续墙与 双帷幕之间开展了层的抽水试验。共开启 口降水井，抽水周期为，总流量 ，此后停抽水位恢复周期为。试验期间层各观测井水位变化情况如表 所示。表 各观测井水位降深 区域坑内两墙间 外侧观测井号 所在土层 初始值 最终值 降深 抽水期间及停抽后各观测井水位变化如图 所示。由图可知，试验前期场地实测 层初始水位埋深约为 。双帷幕间抽降层承压水期间，双帷幕间层观测的最大水位降深为 ，水位降至地表以下 ，基本位于基底位置。抽水周期内，外层的最大降深仅约 ，内外降深比约 ，说明 的止水效果良好。然而此时坑内的 层水位有约 的小幅下降，可能是由于地下连续墙于层可能存在微小渗水情况。图 抽水观测井水位历时曲线 停抽后，双帷幕间的水位恢复极缓慢，停抽 后，夹缝内水位埋深仍有，每日恢复水位仅 左右，可见 工法帷幕止水效果良好，且双帷幕间的层垂向层间越流补给较少，相对隔水层的竖向渗透系数较小。双帷幕间抽水试验及恢复试验结果验证了 工法超深隔水帷幕的隔水效果良好。结语 上海软土地区某挖深达 的超深矩形基坑涉及复杂的多层承压含水层降水，为避免超深基坑侧向渗漏和突涌风险以及控制深部承压水减压降水对周边环境影响，采用在地下连续墙围护墙外侧设置 深 工法搅拌墙的双帷幕体系设计方案。结合 超深 工法成墙试验、工法正式施工以及抽水试验效果分析研究，得到如下结论。）采用新研制的 工法机在标贯击数达 击的砂层中的施工深度达，成墙综合工效约 ，验证了 设备在复杂地层的施工能力。试成墙 龄期后钻孔取芯芯样完整性较好，墙身搅拌均匀；钻孔取芯强度偏低，尚需对施工设备的喷浆口数量作优化。试成墙期间的周边土体最大侧移量为 、最大沉降量为 ，对周边环境影响较小。）正式施工的 深 成墙综合施工工效为 ，通过适当提高水泥掺量，等厚度水泥土搅拌墙的钻孔取芯芯样强度均值大于 ，室内渗透性试验所得的渗透系数由原土层的 级大幅减小至 级，满足 墙体的强度 施工技术（中英文）第 卷及渗透性设计要求。监测表明成墙施工对环境影响可控。）为检验 隔水帷幕的隔水封闭性，在地下连续墙与 双帷幕之间开展 层抽水试验，抽降水引起的双帷幕内的水位降深为 ，外 层观测井最大水位降深，内外承压水降深比约 。双帷幕间降水井停抽后的观测井水位恢复极缓慢，验证了 超深隔水帷幕良好的隔水效果。参考文献：王卫东，丁文其，杨秀仁，等 基坑工程与地下工程 高效节能、环境低影响及可持续发展新技术 土木工程学报，（）：，（）：王卫东，邸国恩 工法等厚度水泥土搅拌墙技术与工程实践 岩土工程学报，（）：，（）：王卫东，陈永才，吴国明 水泥土搅拌墙施工环境影响分析及微变形控制措施 岩土工程学报，（）：，（）：魏祥，梁志荣，李博，等 水泥土搅拌墙在武汉地区深基坑工程中的应用 岩土工程学报，（）：，（）：王卫东，翁其平，陈永才 深 工法搅拌墙在深厚承压含水层中的成墙试验研究 岩土力学，（）：，（），（）：王卫东，徐中华，宗露丹，等 上海国际金融中心超深大基坑工程变形性状实测分析 建筑结构，（）：，（）：李星，谢兆良，李进军，等 工法及其在深基坑工程中的应用地下空间与工程学报，（）：，（）：，（上接第 页），（）：姜源 城市轨道交通运营设备稳健维护决策问题研究长春：吉林大学，：，覃文波，周诚，陈健 城市轨道交通数字孪生标准体系研究 土木建筑工程信息技术，：，：王伟，李永生，段洪亮 大数据技术在城市轨道交通车辆 验证过程中的应用 城市轨道交通研究，（）：，（）：李刚，卢佩玲 基于数据驱动的高速铁路信号智能运维技术研究 铁道运输与经济，（）：，（）：王刚 管理在青岛地铁的应用思考 绿色环保建材，（）：，（）：安晓彤，邹劲柏，洪翔 轨道交通全自动运行系统项目 管理实践与思考 隧道与轨道交通，（）：，（）：肖静，杨百岭，叶珍珍，等 双轴跨座式单轨转向架 指标体系构建研究 现代城市轨道交通，（）：，（）：唐献康 列车网络控制系统 协同设计方法研究大连：大连理工大学，：，