临海岩溶地区基坑工程止水施工技术

温文峰，严志娟

（1、广东水利电力职业技术学院 广州510925；2、广州华商职业学院 广州511300）

0 引言

岩溶为可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称［1］。在临海的岩溶地区，地质构造复杂，岩石孔隙发育，裂隙贯通，并有溶洞影响，因此在此类地区开挖基坑时涌水量大，施工极其困难。针对此类地区的基坑工程，必须采取有效的止水措施，隔断基坑内外联系并减小坑内涌水量，以确保基坑施工的安全及稳定。

本文对国外某电厂循环水泵房的基坑止水施工技术进行了研究，以期为今后类似地质条件基坑工程的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

某工程位于东南亚地区的海岛上，循环水泵房位于电站场区内西北角，平面布置如图1⒜所示，泵房平面尺寸为35 m×27 m，向北与前池及引水渠相连，泵房北侧为海洋侵蚀岸线，属临海水工建筑物。泵房立面如图1⒝所示，其地下结构由底板层、水泵层、电机层、密闭层等组成，采用大板式箱型结构，平均埋深约10 m，基坑底标高为-8.75 m（采用该国国家高程基准面作为高程起算面，下同），基础采用钢筋混凝土灌注桩，有效桩长28 m。

图1 泵房平面布置及立面Fig.1 Layout Plan and Elevation of the Pump Room

该地区为典型的溶蚀性火山灰岩地质，场区内地面标高为1.1～1.5 m，地下水位为-0.2 m，地下水丰富。泵房区的地质断面如图2所示，场区内的土层为：①表层耕植土冲积层，厚度较薄；②全风化灰岩，层底埋深约10 m，层厚约9 m，该层风化严重；③强风化灰岩，层底埋深为25～32 m，层厚约20 m，该层岩溶现象发育，为蜂窝状溶蚀，钻探过程中局部标准贯入击数小于10击；④中风化灰岩，未揭穿，该层较完整，裂隙发育不均匀，未发现有大的溶蚀现象。其中强风化及中风化灰岩裂隙发育极不均匀，局部裂隙连通性较好。泵房北侧距海约10 m，靠海侧在-14～-20 m深度范围内发育有强烈的溶蚀灰岩软弱夹层，渗透系数达2×10-1m∕s，即170 m∕d，属超强透水岩层。

图2 泵房区地质断面Fig.2 Geological Cross Section of the Pump Room Area

该地区属正规日潮，涨潮平均历时为12.2 h，落潮平均历时为11.8 h，各潮位特征值如下：最高潮位0.75 m，平均高潮位0.50 m，平均低潮位-0.74 m，最低潮位-1.07 m，平均海平面-0.126 m，平均潮差1.24 m，最大潮差1.82 m。

2 基坑工程止水施工

2.1 强挖排水方案

由于缺乏类似地质条件的工程施工经验，第一次施工对基坑开挖期内的涌水量预估不足，主要参照国内侵蚀性海岸地区的施工经验，以强排施工为主。基坑开挖平面布置如图3 所示，在泵房海侧构筑施工围堰，分层开挖基坑，在开挖过程中安排水泵抽水，开挖至设计标高后采用井点降水控制海水和地下水，保证底板干地施工。

图3 基坑开挖平面Fig.3 Layout Plan of Excavation of the Foundation Pit

基坑开挖至-1 m时开始出现地下冒水，但涌水量不大，开挖底标高与平均涌水量的关系如图4所示，开挖至-3 m 以后，涌水量明显增加，并随开挖深度呈线性增长，挖至-4.5 m 时涌水量超过4 000 m3∕h，由于涌水量太大，工程被迫停止施工。

图4 开挖底标高-涌水量关系曲线（强挖强排方案）Fig.4 Excavation Elevation-gushing Water Relation Curves（excavation and Drainage Plan）

2.2 混凝土咬合桩止水帷幕

临水或富水地区基坑工程的止水难度大，止水施工复杂［2-4］，第一次止水失败证明了强挖强排止水方案不可行。现场观察发现，泵房邻近的海滩有多处直径大小不等的溶洞，海水随潮汐的变化而向基坑内补水，基坑水位随潮汐的变化而变化，表明基坑与海的连通性好，于是提出了混凝土咬合桩止水方案。

考虑海侧来水是主要渗水源，在基坑的东、北、西3个方向设置U型咬合桩止水帷幕，从这3个方向阻断地下水及海水进入基坑，平面布置如图5所示。咬合桩直径为80 cm，两桩中心距60 cm，有效咬合20 cm，桩与桩之间形成相互咬合排列的防水幕墙，有效墙厚52.90 cm，防水幕墙周长为110 m，钻孔共210 个。咬合桩设计有效桩长20 m（实际施工调整至24 m），防水幕墙与土层的相对位置关系如图6 所示，桩底标高为-23 m，桩尖延伸至强风化岩层中约10 m。咬合桩采用C15 素混凝土，分A 桩、B 桩相间设置，采用旋挖钻孔工法施工，B 桩施工时采用钻机切割掉相邻先施工的A桩相交部分的混凝土，A桩采用超缓凝混凝土，以确保B桩能在A桩混凝土初凝之前完成施工。

图5 咬合桩平面布置Fig.5 Layout Plan of the Concrete Bite Pile

图6 止水帷幕与土层相对位置关系Fig.6 Relative Position of Curtain and Soil

咬合桩止水帷幕施工完成后，进行基坑内抽水并继续开挖，实施咬合桩后的开挖底标高与平均涌水量关系如图7 中a 线所示，随着开挖深度的增加，基坑内涌水量不断增大，且涌水量与潮水涨落关联，在-6 m时的潮位-涌水量变化关系如图8中a线所示，涌水量随潮位上涨而增加，高潮位时涌水量达4 300 m3∕h，此时抽水对降低基坑内水位基本不起作用，无法进行基坑内余土开挖。

图7 开挖底标高-涌水量变化关系曲线（咬合桩及帷幕灌浆方案）Fig.7 Excavation Elevation-gushing Water Relation Curves（Concrete Bite Pile Water Curtains，Curtain Grouting）

图8 潮位-涌水量变化关系曲线Fig.8 Tide Level - Gushing Water Relation Curves

2.3 帷幕灌浆止水方案

对上述施工方法进行分析，其失败的原因为该地区的岩体孔隙发育，岩层的层间裂隙贯通，使基坑内水体与坑外海水连通，若想成功止水，应设置封闭的隔水屏障，在基坑四周设置止水帷幕并至不透水层，从横向及纵向隔断坑内外水体联通路径。最终确定采用帷幕灌浆止水方案，该方法适用于对防渗要求较高的基坑工程的开挖，国内有众多成功的案例［5-7］。

2.3.1 帷幕灌浆方案设计

止水帷幕设计目标为开挖至设计标高时将剩余涌水量控制在500 m3∕h以内，具体设计方案如下：

⑴防水帷幕分东、南、西、北4 个单元，如图9 所示，每单元设A、B、C 三排灌浆孔，灌浆孔呈梅花形布置，孔距2 m，排距0.75 m。

图9 帷幕灌浆平面布置Fig.9 Layout Plan of the Curtain Grouting

⑵根据先导孔的钻孔情况，钻孔注浆深度达到不透水岩层（岩体渗透系数K≤5×10-5cm∕s）不少于2 m，灌浆孔设计底标高为-36 m，设计孔深约3 m，帷幕体与土层的相对位置关系如图6 所示，灌浆幕墙延伸至中风化岩层中约5 m。

⑶钻孔孔径：帷幕灌浆孔φ60～76 mm，终孔孔径不小于φ56 mm；检查孔：φ75～91 mm；先导孔：φ75～91 mm。

⑷灌浆材料使用当地普通硅酸盐水泥及中细砂，添加波美度为42～50 的水玻璃作为外加剂，单位水泥耗量210 kg∕m（为加强帷幕防渗能力，在施工中单位水泥用量调整至301 kg∕m）。

本方案灌浆孔共395 个，总长度约15 000 m。为简化工序，节省施工时间，采用自下而上分段灌浆，每段灌浆长度为5 m。

2.3.2 帷幕灌浆施工

单孔帷幕灌浆施工工艺流程为：施工准备➝测量放样➝钻孔➝钻孔冲洗➝压水试验➝分段灌浆➝封孔➝结束。施工控制要点如下：

⑴测量放样。测量放样由专业测量人员进行操作，确保测量精度。

⑵钻孔。钻孔先进行先导孔（Ⅰ序孔）施工，进一步探明地质情况，然后进行Ⅱ序孔施工；钻孔的孔位要求对中，其水平偏差控制在10 cm以内；钻孔要求铅直，各孔分段进行孔斜测量，孔底偏差不大于0.8 m；孔深不小于设计深度。

⑶钻孔冲洗。每个孔钻在成孔后采用灌浆泵进行冲洗，冲洗时采用大流量水流冲洗，直至回水澄清，无砂和岩粉，要求孔底残留物厚度不大于0.2 m；冲洗顺序为先冲洗钻孔，再冲洗岩层裂缝；冲洗压力不大于灌浆压力的80%，以免引起裂缝扩张和岩层的移动、变形。

⑷压水试验。先导孔分段进行压水试验，并求透水率Lu 值；其它序孔灌浆前进行简易压水试验，简易压水试验采用单点法，压水压力为灌浆压力的80%，压水时每5 min 测读1 次流量，连续5 次其最大值与最小值小于10%后，取最后1 次的流量值作为计算流量，并按文献［8］计算透水率。

⑸制浆。水泥采用当地普通硅酸盐水泥，存放严格防潮；制浆材料按规定的配比计量，计量误差小于5%；每桶浆液搅拌均匀，浆液在使用前必须过筛，确保浆液质量的稳定性、连续均匀性；使用高速搅拌机进行拌制，搅拌泥浆时搅拌时间不小于30 s，从浆液制备至用完的时间不大于4 h；灌浆用水符合拌制水工混凝土用水的要求，搅拌浆液温度保持在5～40 ℃。

⑹灌浆。灌浆严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范：SL 62—2014》［8］执行，帷幕灌浆按分序加密原则进行，先灌注下游排孔，再灌注上游排孔，后灌注中间排孔；单孔采用自下而上分段灌浆法，灌浆方式为循环式；钻孔钻至设计孔深并压水冲洗完成后，提升钻杆下入灌浆管，灌浆管距孔底小于0.4 m，灌浆段长为5.0 m，接触面灌浆段长为2.0 m；灌浆浆液需保持流动畅通，灌浆压力以回浆压力表读数为准，其值随着孔深的增大而增大，灌浆压力按设计要求严格执行；灌浆施工应连续进行。

⑺灌浆结束标准及封孔。在设计压力下，当吸浆量不大于1 L∕min时，继续灌浆30 min，可结束灌浆；全孔灌浆完毕后，采用水灰比为0.5的浓浆封孔，使用孔口封闭法，灌注压力采用该孔最大灌浆压力，封孔注浆时间为1 h。

2.3.3 施工效果

帷幕灌浆施工前及施工后的岩芯面貌如图10 所示，左侧为含大量孔隙的原状岩体，右侧为灌浆后水泥浆填充孔隙后的帷幕体，由图10可知帷幕灌浆的填充效果良好，检查孔压水试验结果也表明帷幕体的施工质量达到了设计要求。

图10 天然岩体芯样与帷幕灌浆后的芯样Fig.10 Samples of Natural Rock and after Curtain Grouting

帷幕灌浆施工结束后，进行基坑开挖作业。开挖底标高-平均涌水量关系如图8 中b 线所示，在-6 m时，涌水量约为800 m3∕h，较帷幕灌浆前4 000 m3∕h 的涌水量减少了80%。基坑开挖至设计标高时，涌水量约为1 500 m3∕h，虽未达到预定的要求，但在采取有效排水措施的前提下实现了干地作业条件，满足了泵房底板浇筑及其他后续施工作业的要求，并确保整个工程最终顺利完成。

3 分析及讨论

循环泵房基坑开挖工程量并不大，但从开挖到完成，施工一波三折，使得工期滞后、投资增加，究其原因，主要是对临海岩溶地区的地质条件及特点认识不足，施工经验缺乏，以及主观上重视程度不够。

岩溶地区对勘探有较高的要求，该地区强风化及中风化灰岩的裂隙发育极不均匀，局部存在溶蚀孔洞，而该项目的前期勘察工作不详细，钻孔深度在-20 m左右，只探明了地基持力层内的情况，不足以支撑基坑止水施工方案的制定，加上对临时工程的重视不足，使得前2次施工方案的制定不合理，造成止水效果不明显。

本工程位于印度洋与太平洋之间的东南亚地区的海岛上，地质构造复杂，场区内为溶蚀性灰岩，表层岩体风化程度高，岩石孔隙、裂隙发育，其中造成基坑大量涌水的原因主要有4个：①临海，基坑外侧水源丰富，渗透压力大；②岩石孔隙发育极其丰富，局部裂隙连通性好；③堆积岩层的层间裂隙贯通；④在-14～-20 m范围内存在软弱夹层，局部有相互贯通的溶洞。

工程区域的地质条件跟我国沿海各地区的地质情况均有较大差异，由于其特殊的地质条件，因此该类地区的基坑止水不能简单照搬国内的施工方法。在临水地区如果存在透水土层，基坑开挖时的涌水量将非常大［9-10］，由图2 可知，该泵房基坑处于全风化岩层中，图6中的钻孔剖面表明该岩层透水率为无穷大，基坑开挖时到地下水位线以后将出现大量涌水，因此强排止水方案在该地区不可行。

采用混凝土咬合桩止水帷幕，由于混凝土帷幕较单薄，且设置深度较浅，虽然在水平方向上能起到一定的隔水作用，但对基坑下方纵向的渗水通道并没有起到隔阻作用，因此无法限制基坑下方涌水。

帷幕灌浆方案在基坑四周设置止水帷幕并延伸至不透水层，由图6 中的帷幕体与土层的相对位置关系可知，灌浆幕墙延伸至中风化岩层中约5 m，该层岩体透水率约为10 Lu，透水率较小，因此灌浆幕墙对基坑形成了封闭的隔水屏障，起到了有效隔断坑内外水体联系的作用。图8中b线表明，在-6 m标高时，帷幕灌浆施工后基坑内的平均涌水量较帷幕灌浆前大为减少，且潮汐对其的影响也明显降低。图7中b线显示，在-6 m标高时，涌水量约为800 m3∕h，较帷幕灌浆前大幅降低，开挖至设计标高时，涌水量约为1 500 m3∕h，说明帷幕灌浆对基坑内涌水起到了有效限制作用，虽然坑底仍有涌水，但在辅以有效排水措施的前提下可以实现止水目标。

4 结论

⑴造成临海岩溶地区基坑开挖大量涌水的主要原因为：地处临海，坑外水源丰富，渗透压力大；岩石裂隙、孔隙发育，岩层层间裂隙贯通，存在溶洞影响，岩层透水性强。

⑵由于基坑开挖过程中的涌水量大，强排止水方案不适用于临海岩溶地区基坑工程的止水；由于存在复杂的横向及纵向渗水路径，在基坑侧面设置浅层止水帷幕不能有效抑制基坑内的涌水。

⑶临海岩溶地区基坑工程的防渗要求高，可在帷幕灌浆的基础上辅以有效排水措施进行基坑止水。为有效控制坑内涌水量，止水帷幕需沿基坑四周设置并延伸至不透水层，形成封闭的隔水体系。

⑷东南亚海岛溶蚀性灰岩地区的基坑工程的止水方法和施工经验仍需进一步探讨和总结，采用文献［8］设计止水帷幕时可适当提高标准，或采取合适的施工方法提高防渗能力。