某医院地下室基坑悬挂止水帷幕失效及加固处理
TRD工法 2023年4月22日 项敏 762
摘要：某医院两层地下室基坑底部进入下方承压含水层，试降水过程中发现25m三轴搅拌桩悬挂止水失效，桩长及桩身质量检测均满足要求，比较多种处理方案后选择沿原有搅拌桩外围增加TRD工法隔断承压含水层与外界的水力联系，效果良好，为后期类似工程提供借鉴参考。 随着城市化迅速发展，深基坑工程越来越受到重视，同时也面临着更多的挑战，比如地下水的存在就加大了基坑开挖和支护的难度。当开挖深度较大时，承压含水层上部土压力可能小于含水层中承压水顶托力，导致基坑底部抗突涌稳定性不足，引发坑底突涌，严重危害基坑安全，从而造成巨大的经济损失，甚至危及人们的生命安全。部分较深地下室进入承压含水层，为了保证基坑开挖时的安全稳定，就需要采取一定的降水措施。但基坑降水会使其周边水位产生波动，土粒间的浮托力减小；同时水头压力改变，土层中产生水头梯度，增加了渗透压力，导致有效应力增加，从面引起地层压密而产生的地面沉降。为减少坑内降水对周边环境的影响往往会在基坑四周设置止水帷幕。本文主要介绍长江流域某两层地下室25m三轴搅拌桩悬挂止水帷幕失效情况，以及后续加固的处理经验。 某医院新建工程基坑面积约为33960m2，周边总延长米约770m，地下二层，基坑开挖深度约9.95～11.95m。基坑东侧和北侧为市政主干道，沿线分布给水、雨污水、通信、电力等市政管线；南侧为已建医院后勤保障楼和体检中心楼，3~6层为多层建筑，天然地基埋深约1.5m左右；西侧紧邻某学校操场。 地基土属冲积和缓慢流水（或静水）环境下沉积的黏性土和少量粉土、粉砂。基坑开挖及降水影响范围内的主要土层为1~10层，按沉积年代、成因类型、土性和状态以及物理力学性质的差异，各岩土层性质特征自上而下分述如表1。 
根据勘探揭示的地层结构，场地地下水主要由潜水和承压水组成。其中潜水含水层由第1层、2层组成，结合水文地质专项勘察资料，潜水水位绝对标高+1.69m，对应水位埋深2.26m。第一承压含水层由第5~9层组成，水位绝对标高+0.55m，对应水位埋深3.40m。根据现场抽水试验，查明了场地内第一承压含水层（5~9层）的水文地质参数，具体如表2。
基坑支护设计相关参数如表3，典型地质剖面如图1。基坑开挖深度范围内土层以粉质黏土、粉砂、粉细砂为主，粉质黏土呈可塑～硬塑状态，粉砂与粉细砂为稍密～中密，土性较好，压缩性低。场地存在深厚承压含水层，包括5~9层，承压含水层总厚度约27.0m，承压含水层场地内含水层顶板埋深约为6.5m，基坑开挖深度约10m，已揭穿承压含水层顶板，基坑开挖时，应整体考虑针对潜水和富存于第5~9层的承压水进行混合疏干降水，控制水位在开挖面以下1m。
本基坑开挖深度约9.95m～11.95m，周边环境条件较复杂，如若支护结构失效或产生过大变形，将对周边环境产生较为严重的影响，根据行业标准基坑支护技术规程，属一级安全等级基坑工程。基坑北侧、东侧邻近市政管线，南侧邻近已建医院建筑，对支护结构的变形有一定的要求，基坑开挖面已揭露承压含水层顶部，基坑开挖阶段需对下方承压水进行混合疏干降水，降水需求量较大，需设置止水帷幕，减少降水对周边环境造成不利影响。 围护结构体系采用灌注桩结合三轴搅拌桩止水帷幕，支撑采用混凝土对撑加角撑布置形式。采用φ850三轴搅拌桩作为止水帷幕，止水帷幕与灌注桩净距200mm，止水帷幕深度为25.0m，底部进入第8层约2.0m，形成一定的遮拦绕流作用。坑内设置100口降水管井，井深20m。 根据施工质量验收要求，基坑工程开挖前应验收预降排水时间。总包单位连续三天累计抽水41小时，进行坑内试降水。结合坑内水位观测井，坑内水位累计下降量3.6m～7.2m。同期监测单位对止水帷幕外围15个水位监测孔连续观测，除去两个观测孔水位变化幅度较小，其余13个水位孔均同步下降，与邻近的基坑内部观测井水位基本一致。试降水坑外水位变化走势如图2所示。
为查明异常原因，停止大面积降水，同步观测坑内外水位恢复情况，结果显示同区域基坑内外观测井水位恢复基本一致，没有因三轴搅拌桩止水绕流出现滞后迹象。在建设单位、总包单位、桩基单位、设计单位及检测单位等多方共同见证下，随机抽取9根三轴搅拌桩进行全长钻芯质量检测。根据检测报告结果，抽检的9根三轴搅拌桩桩长与设计要求一致，标高误差仅0.1m左右，桩身强度2.7~5.1MPa，均能满足规范及设计相关文件要求。 为进一步分析水位异常，模拟一层地下室降水需求，控制坑内管井水泵为相对标高-6.00，进行第二次预降水。结果显示，坑内外水位仍同步下降，差异很小。综合两次预降水观测数据，25m长的三轴搅拌桩基本没有达到任何绕流止水作用。根据现场管井群抽试验地面沉降变化历时曲线，该区域下方地层对水位下降后沉降相对明显(图3)。抽水持续约20个小时后，观测井的水位下降速率减慢并逐渐趋于稳定。地面沉降与水位下降呈现一定的对应关系，整个试验历时20天，其间最大累积沉降量20.18mm。试验呈现降水引发的沉降相对稳定后，后期的水位恢复后短期内沉降不能完全恢复。
本工程两层地下室，且底板进入下方承压含水层，后期降水需求量较大且周期较长，周边的医院建筑及学校建筑均在降水影响范围内，结合现场群抽地面沉降变化历时曲线，需慎重考虑现有止水帷幕失效后期的不利影响。根据现场三轴质量检测结果，结合水文地质资料进行综合分析认为地下承压水渗透性比较高，且富水量比较大，很大的程度造成承压水直接下方绕过现有止水帷幕，从而出现试验性降水基坑内外水位同步下降。 (1）按照已有止水帷幕，加强外围回灌，请专业单位进行抽灌一体化施工。由于本工程整体两层地下室，工程体量较大，施工周期相对较长，抽灌效果后期存在很大的不确定性。 (2）利用已有三轴搅拌桩进行接长处理，底标高进入下方10号粉质黏土层，形成封闭止水，确保基坑内降水不影响到周边环境。先期三轴搅拌桩深度25m，按照进入下方不透水层需再加长13m，如何保证在地下25米深补打止水与已有帷幕水平连接可靠，存在不确定性。 (3）在已有三轴搅拌桩外围重新施工一道止水帷幕，长度为38m按照进入下方⑩粉质黏土层控制，确保封闭止水。 1）TRD工法（Trench cutting Re-mixing Deep wall method)、
2）CSM工法（Cutter Soil Mixing)、 鉴于新增止水帷幕需38m，若采用三轴工艺，下方砂层深厚且相对密实，对后期施工机械搅拌能力、施工精度、垂直度等要求非常高，容易出现搭接渗漏，同时对于已有25m的三轴搅拌桩止水异常原因还存在一定的不确定性，补打超深三轴搅拌桩的工艺基本不在选择范围。TRD工法相对CSM工法，对土体的切割搅拌更充分，与原状地基上下整体混合搅拌，形成连续止水墙，且地库为相对规则矩形，转角较少，施工效率比CSM工法高。 考虑到项目周边有医院、学校等公共建筑，东侧河流直接连接长江，且河底部分位于⑤粉土夹粉质黏土，止水帷幕不处理好对周边环境和基坑自身都存在很大的隐患，结合项目工期限制及场地综合条件，在已有三轴搅拌桩外围新增700mm厚，长度38m的TRD工法水泥土搅拌墙，进入下方⑩粉质黏土层不小于2m，隔断承压含水层。具体加固做法如图4所示。
按照加固方案施工完成后，再次进行试降水，临近坑边的15个水位监测孔均显示水位与坑内降水基本没有关联，坑内水位降低10m，外围水位变化仅200mm～300mm。在后期基坑开挖施工过程中坑内降水需求量很低，设计100口降水管井，实际正常抽水只有几口，坑内的承压含水土层疏于效果非常明显，充分说明新增TRD工法水泥土搅拌墙达到了封闭止水的效果。 截至目前，该项目地下室已经回填，上部主楼施工已经接近封顶，整个基坑施工期间周边水位、周边建筑沉降及支护体变形均在报警限制范围内，达到预期效果。 (1）在深厚承压含水砂层，当抽水试验确定渗透系数达到1E-2cm/s左右，根据设计工况需要设置止水帷幕时，应慎重选择悬挂式帷幕。 (2）在深厚承压含水砂层TRD工法能有效截断承压含水层与外界的水力联系，本工程水泥掺量为25%，水灰比1.5∶1，膨润土掺量为5%，基本达到封闭止水效果。 (3）本项目TRD施工工期相对紧张，为减少转角区拆卸切割箱的时间影响，采用一台地下连续墙成槽机进行转角辅助，节约工期一周左右。
