阳澄湖砂土层基坑不同止水帷幕设计方案探讨

丛海洋

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

在市政给排水工程中，深基坑常用的止水帷幕工艺有搅拌桩、旋喷桩和地下连续墙。搅拌桩、地下连续墙在砂土中适应性较强，旋喷桩也成功应用于广州[1]等地的基坑止水帷幕工程中，但该工法在部分地区的砂砾中成桩质量较差[2]。近年来，由于机械设备的改进，国内涌现出新的止水帷幕施工工艺，但在苏州阳澄湖地区的工程应用案例较少。该地区顶管井埋深多在粉砂层以下，粉砂层含微承压水，水量丰富，水平渗透系数大，因此合理选择止水帷幕的工艺，是保证基坑顺利开挖，节省工程造价的前提。

1 工程概况

背景工程为市政取水、输水工程，自阳澄中湖取水，输送至相城区某水厂，全长约22 km。工程地理跨度广，其间穿越苏州市工业园区、相城区。项目有2个显著特点：该项目穿越障碍非常多，经统计，本项目顶管区间总数量多达13处，顶管总里程约10 km；该项目有一半里程与京沪高铁平行敷设，且建设管位距京沪高铁仅约30 m，设计难度极高，施工难度极大（图1）。

图1 某项目部分路径走向卫星图

该项目设计2根DN1 800 mm输水管，管材材质为球墨铸铁管或钢管。工程拟建路径上有多种障碍，其中包括：现状河道、道路以及多次穿越的阳澄湖。设计方案采用顶管工艺穿越现有障碍。顶管井为共有沉井和基坑围护2种结构形式，基坑开挖深度在11.5～18.15 m（表1）。基坑围护结构采用钻孔灌注桩结合腰梁的结构形式，围护结构外侧设置止水帷幕。

表1 顶管井设计深度一览

2 工程地质

勘察资料揭示，拟建场地在勘察深度范围内，自上而下可分为11个工程地质层，2个工程地质亚层，各土层分布如下：①1素填土、①2淤泥、②淤泥质粉质黏土、③黏土、④粉质黏土、⑤粉质黏土夹粉土、⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂、⑧粉质黏土、⑨黏土、⑩粉质黏土、 粉质黏土夹粉土（图2）。

图2 典型地质剖面

从图2典型地质剖面中可以清楚地看到，⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂为阳澄湖地区广泛分布典型土层。其中⑥粉土夹粉砂层顶埋深为4.30～13.30 m，层顶标高为－11.14～－2.89 m，层厚为0.40～7.60 m；⑦粉砂层顶埋深为8.90～15.50 m，层顶标高为－11.64～－5.88 m，层厚为0.50～14.80 m，垂直渗透系数1.28×10-3cm/s。微承压水主要赋存于⑥粉土夹粉砂、⑦粉砂层中，该地下水由侧向径流补给，通过侧向径流排泄，微承压水最高水位为1.74 m。

3 止水帷幕工艺对比

长三角软土地区常见的基坑止水帷幕工艺包括水泥土搅拌桩、等厚度水泥土搅拌墙、高压喷射注浆、地下连续墙、钢板桩等[3]。

目前国内的水泥土搅拌桩设备包括单轴搅拌桩、双轴搅拌桩和三轴搅拌桩，可根据地质条件、作业环境与成桩深度选用不同的搅拌机，一般三轴搅拌桩机的功率较大，加固深度也相对较深，可以在承载力较高的土体中作业。

高压旋喷桩目前使用最多的方法为单管法、二管法和三管法，其加固原理基本是一致的，主要区别在于是否有空气、水的混合[4]。近年来，由于施工技术的创新发展，新工法在实际工程中得以成功应用。超高压旋喷注浆工法，简称RJP工法，是利用超高压喷流体所拥有的动能破坏地基的组织构成后，混合搅拌这些破坏的土粒子和硬化材料，从而形成大口径的改良体。全方位超高压喷射注浆，简称MJS工法，是一种能进行水平地基加固和360°全方位地基加固的施工方法，对周边环境及地基的扰动影响微小，能实施大深度地基加固施工，该设备垂直施工场地净高最小仅需3.5 m[4]。

渠式切割水泥土搅拌墙是从日本引进的一种新型施工技术，已在上海、杭州等多地成功应用于工程中，取得不错的止水效果。TRD工法适用于黏土、砂土、砾石、软岩等多种土层，水泥土搅拌均匀、墙身完整性高。该工法设备的施工机架最大高度一般不超过12 m，适用于对周边环境有限高要求的场地。

旋喷桩不宜用于砂土中，且不宜少于2排，深度不宜太深。工程实践中出现过采用高压旋喷桩喷射注浆作为隔水帷幕，开挖过程中出现多处渗漏的案例[3]。

高压旋喷桩注浆压力大，对周边土体有一定挤压，因此在苏州砂土地区不优先选用高压旋喷桩作止水帷幕，但该工法施工设备小，操作灵活，可在场地受限时考虑。

三轴搅拌桩在苏州砂土地区用作止水帷幕效果好，且工程造价低，但施工设备较大，重心高，在施工过程中有倾覆的风险。

TRD工法止水效果好，施工设备高度低，但该工法施工造价相对较高，且对于给排水工程中的顶管井，设备转弯频次高，机械拆装问题导致施工效率低，综合效益一般，在周边环境保护要求较高的情况下可以考虑。

4 止水帷幕设计方案

通过对比分析可以看出，在阳澄湖砂土地区，当顶管井基坑开挖深度大于10 m时，在20 m以内，止水帷幕优先选择三轴搅拌桩较为经济合理。由于本项目部分顶管井距离京沪高铁沿线仅35 m左右，在该范围施工时机械设备受到限高要求，三轴搅拌桩存在倾覆风险，影响高铁运营安全；高压旋喷桩有一定挤土效应，对周边环境有一定影响，因此在高铁沿线不采用三轴搅拌桩和高压旋喷桩作止水帷幕。部分施工场地由于环境限制，三轴机设备无法进入。综上所述，本工程共采用3种不同工艺的止水帷幕工艺，分别为高压旋喷桩、三轴搅拌桩、TRD工法。

方案一采用2排ф800 mm@500 mm高压旋喷桩，桩间搭接300 mm（图3），高压旋喷桩为两重管，水泥掺量不小于35%；浆液水灰比为0.9～1.1；方案二采用单排ф850 mm@600 mm三轴搅拌桩，桩间搭接250 mm（图4），水泥掺量不小于20%，水灰比1.2～1.5；方案三采用TRD工法墙，墙厚850 mm，墙端外扩1 000 mm（图5）。

图3 高压旋喷桩止水帷幕

图4 三轴搅拌桩止水帷幕

图5 TRD工法墙止水帷幕

5 止水帷幕对比分析

基坑开挖前，对方案一高压旋喷桩和方案三TRD工法墙进行取芯检测。通过取芯结果可以发现，高压旋喷桩成桩质量如前文分析一致，随着加固深度的加大，成桩桩径具有一定的离散性；TRD工法墙的成桩质量非常好，在苏州砂土地区采用TRD工法墙作止水帷幕效果好。

基坑开挖后，通过对钻孔灌注桩间土体的观测发现，设计方案中采用的3种止水帷幕工艺均达到预期效果，起到了基坑内外止水、隔水的作用。通过现场施工情况，结合各工艺特点，本文总结了阳澄湖砂土地区各种止水帷幕工艺的优劣（表2）。

6 结语

1）三轴搅拌桩在阳澄湖砂土地区可用于坑深20 m的止水帷幕中，止水效果好，工程造价相对较低，但该工法设备较大，不适用于对周边环境有限高要求的工程。

2）高压旋喷桩在阳澄湖砂土地区做止水帷幕时，成桩桩径离散性较大，加固深度宜小于15 m，成桩时应特别控制喷浆管提升速度。该设备高度低，场地占地小，适用于对场地要求高的工程中。当采用此工艺时，应采用双排止水桩，以保证止水效果。

表2 优劣分析对比

3）TRD工法墙作为近年来的新技术，在阳澄湖砂土地区完全可以满足止水帷幕要求，特别是在基坑狭长的项目上综合效益更好。该设备高度较低，对周边环境有限高要求的工程可作为备选。该工法设备宽度较大，转弯时需要对刀片进行拆卸且工程造价相对较高，因此可作为特殊项目的处理方案。

4）通过本工程发现，在阳澄湖地区设计止水帷幕，三轴搅拌桩、高压旋喷桩、TRD工法均适应于砂土层。不同的工程可根据不同的加固深度、不同的作业环境要求选择不同的工法，一般情况下，优先选择三轴搅拌桩止水既可以降低工程造价，又可以保证止水效果。