浅析苏州地区悬挂式止水帷幕的应用

苏 州 大 学 学 报（工 科 版） 浅析苏州地区悬挂式止水帷幕的应用

张枫，路遥，周顺新，孔岩

（苏州市城市建筑设计院有限责任公司，江苏 苏州 215007）

摘 要：介绍止水帷幕的分类及适用条件，分析影响悬挂式止水帷幕的关键因素，通过设计计算确定其厚度和插入深

度，并结合苏州地区工程实例分析其适用性及优越性。基坑监测结果表明，本工程止水帷幕取得了理想的止水效果，为悬挂式止水帷幕的应用提供了参考。

关键词：深基坑，水泥土搅拌桩，止水帷幕，悬挂式

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：

0 引 言

在地下水位较高的地区开挖深基坑时，为保证基坑开挖的顺利进行，采取降水措施是必需的。但大规模降低地下水位会引起基坑周边的地面沉降，对周边的建(构)筑物、道路等产生影响。为减轻因降低地下水位对周边建(构)筑物的影响，通常在基坑侧壁外侧设置止水帷幕，改变基坑周围地下水向坑内渗流的路径，从而减小基坑降水对周边环境的影响。因此，止水帷幕的设计、施工成败不言而喻。

止水帷幕根据其是否插入不透水层可以分为落底式止水帷幕和悬挂式止水帷幕。明显地，止水帷幕的插入深度越大，地下水的绕流距离就越长，基坑周围的地下水位降低量越小，对于基坑周边环境的影响就越小，但是相应的工程费用就越高。在某些情况下，只需要保证基坑周围的水位降低量不小于某一个数值就可以满足工程要求，这时就需要确定合适的悬挂式止水帷幕的厚度和插入深度，而这些参数与土层的渗透性、含水层厚度、基坑降水方案等都有关系。

目前，苏州地区深基坑工程中悬挂式止水帷幕的应用相对较少，本文主要浅析悬挂式止水帷幕的设计计算，并结合苏州地区工程实例，分析其适用性及优越性。 [1]

1 止水帷幕的分类及适用条件

（1）深层搅拌法

通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软粘土（含水量超过液限、无侧限抗压强度低于0.005 MPa）和固化剂(多数用水泥浆)强制拌和，使软粘土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的隔水体。

常用双轴水泥土搅拌桩（ø700）和三轴水泥土搅拌桩（ø650、ø850）作为止水帷幕。其中双轴水泥土搅拌桩只适用于软土地层（Ps10.0 MPa时，为保证止水效果，一般采用ø850三轴水泥土搅拌桩。

（2）高压喷射注浆法

利用钻机钻孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20 Mpa以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成的隔水体。

该法设备简单、操作方便，适用于施工空间狭小的场地，但施工造价相对较高。

（3）压密注浆法

在压力作用下将浆液注入土体，通过浆液的渗透作用，使浆液颗粒在土体中均匀扩散，通过浆液的凝结作用，与土体的化学作用及浆材自身体积充填土体中的孔隙和裂隙，堵塞土体中的过水通道，降低土体的渗透性能，或者通过浆液的劈裂作用，使浆液在土体中沿着裂隙扩散，从而通过浆液的凝结作用，对土体的挤密作用及与土体的化学作用，在土体中形成一定厚度的人工相对隔水层。

收稿日期：

作者简介：张枫(1982– )，男，江苏苏州人，硕士，主要从事岩土工程设计工作。

该法宜与深层搅拌法、高压喷射注浆法配合使用。

（4）地下连续墙

利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。

该法适用于投资大、周边场地复杂的大型建筑，对于投资小的一般建筑则显得太浪费。

此外，还有小径钻孔灌注法、冻结法、射水成墙法等，这些方法在工程中应用不多，这里不再赘述。 2 悬挂式止水帷幕设计

2.1 止水帷幕厚度设计

在工程设计中，竖向止水帷幕的厚度是根据施工机械的成桩直径和帷幕体的排列方式及地区经验等方面确定的。一般为单排帷幕桩，若基坑周边环境保护要求较高或土质较差，可采用两排以上的帷幕桩。

目前各类施工机械成桩垂直度虽要求≤1/200，当帷幕深度超过10 m时，两相邻桩端部错位可能大于10 cm，故帷幕趾部的泄漏在所难免，这是竖向帷幕(尤其是以深层搅拌法形成的止水帷幕)常见的缺陷。需结合高压灌浆等方法填补泄漏点，帷幕桩的搭接长度一般可取帷幕桩长的0.01~0.015[2]。

理论计算需从以下两方面进行考虑：①对于支护结构与止水帷幕合一的体系(如水泥土挡墙)，宜根据抗倾覆稳定条件和帷幕体强度条件计算竖向止水帷幕厚度，同时验算抗渗性。②对于一般的支护结构与止水帷幕分别设置的情况，土压力主要由支护体系承担，对帷幕体的强度无严格要求。此时止水帷幕的厚度满足止水要求即可，规范[3]规定止水帷幕的渗透系数宜小于1.0×10-6 cm/s。

2.2 止水帷幕插入深度设计

悬挂式止水帷幕桩底未进入不透水层，坑内外地下水存在水力联系，当坑内降水时，坑内外就存在水头差，坑外地下水将绕过帷幕桩底涌入坑内（如图1），导致基坑底土体发生渗透变形，基坑周边地面发生沉降。因此，止水帷幕插入深度的确定需从两方面考虑。

帷幕桩

不透水层

图1 地下水渗流示意图

（1）坑底渗透变形

为防止坑底不发生渗透破坏，必须满足坑底最大的水力梯度i小于临界水力梯度icr，则沿帷幕桩边进入基坑内的地下水渗流路径最短，水力梯度最大，计算公式如下：

i=h

h+2L+b （1）

若基坑发生流土破坏，临界水力梯度为

icr=(Gs-1)(1-n) （2）

通过式（1）、式（2）可以求解出止水帷幕插入深度L。但在工程设计时，考虑流土破坏历时较短，基坑局部可能瞬间即发生破坏，故必须加大临界水力梯度的安全储备。一般安全系数取为1.5~2.5，工程越重要，安全系数越大。

若基坑发生管涌破坏，则临界水力梯度可参照手册[4]计算。

（2）基坑周边地面沉降

基坑周边地面发生过大沉降时，可先假定止水帷幕的插入深度，计算有悬挂式止水帷幕时降水引起的地面沉降[5]，保证地面沉降控制在允许的范围内，从而反算止水帷幕的插入深度。

另外，止水帷幕插入深度还与基坑降水方案有关。采用基坑内管井降水时，一般管井底部埋深应大于基坑开挖深度6.0 m[6]，此时止水帷幕的插入深度应大于管井底部埋深；采用基坑外降水时，止水帷幕插入深度应高于降水水头曲线。

3 工程实例

3.1 工程概况

在建工程位于沧浪区解放东路以南，长吴路以西，建筑物包括主楼（11F）和裙房（4F）各一幢，均采用框架结构，总建筑面积20804 m2，其中地上建筑面积14755 m2，地下建筑面积6049 m2。主楼、裙房下部及裙房东部和北部区域设有二层地下室，主楼及裙房均采用桩基础。基坑面积约为3360 m2，周长约为224 m。主楼部位开挖深度为8.90 m，水池部位开挖深度为10.20 m，裙房部位开挖深度为8.50 m。

3.2 周边环境条件

场地地形较单一，地势有一定起伏，地面标高一般在2.77～4.15 m间（1985国家高程），设计时场地标高取整平后标高-1.500 m（相对标高）。基坑东侧基础边线距离用地红线最近处约为3.90 m，距离围墙最近处约为

9.90 m，围墙外为长吴路，道路下埋设有污水管、雨水管、路灯等各类市政设施；南侧基础边线距离用地红线约为14.40 m，距离已建小区住宅最近处约为24.10 m，该住宅楼层高11F+1，基底标高为+1.200 m（1985国家高程）；西侧基础边线距离用地红线约为2.60 m，距离已建小区住宅最近处约为10.50 m、18.70 m，该住宅楼层高11F+1，基底标高为+1.000 m、+1.200 m（1985国家高程）；北侧基础边线距离用地红线约为2.40 m，围墙外为解放东路，道路下埋设有电力管、自来水管、路灯等各类市政设施，电力管距离围墙仅为2.0 m。

3.3 工程水文地质条件

苏州地处长江三角洲东南缘、太湖水网平原中部。根据区域地质资料，本区第四纪以来地壳运动以沉降为主，广泛接受堆积，形成广阔单一的堆积平原地貌。与基坑工程相关的土层表述如下：①杂填土，回填时间约5年，厚度1.5～4.6 m；②粘土～粉质粘土，可塑，局部呈硬塑，厚度1.9～3.8 m；③粉质粘土夹粉土，软塑～可塑，厚度1.0～2.4 m；④粉土、粉砂，中密～密实，厚度13.3～15.0 m；⑤粉土夹粉质粘土，中密～密实，厚度4.0～5.2 m；⑥粉土，中密～密实，厚度4.0～5.9 m；⑦粉质粘土，软塑～可塑，厚度0.4～1.5 m；⑧1粉土夹粉质粘土，中密～密实，厚度4.6～5.3 m；⑧2粉土夹粉砂，密实，厚度12.5～13.5 m。各土层的基坑支护设计参数详见表1。

潜水赋存于①杂填土孔隙、②粘土～粉质粘土上部裂隙、根孔、虫孔内，初见水位标高为1.08～1.18 m，稳定水位标高为1.21～1.45 m。微承压水赋存于④粉土、粉砂、⑤粉土夹粉质粘土、⑥粉土中，富水性中等，初见水位标高为-3.21～-3.44 m，稳定水位标高为1.01～1.21 m。

表1 基坑支护设计参数表

层号

①

②

③

④

⑤ 土层类型 杂填土 粘土 粉质粘土夹粉土 粉土、粉砂 粉土夹粉质粘土 重度（KN/m3） *18.0 19.7 19.2 19.3 19.2 粘聚力（KPa） *12.0 41.5 18.0 3.90 10.7 内摩擦角（度） *10.0 14.7 14.6 28.8 14.7 渗透系数（cm/s） 5.0E-4 5.0E-7 2.0E-5 2.0E-3 2.0E-3 注：表中力学指标为勘察报告提供的直剪固结快剪指标，其中杂填土按经验取值。

3.4 基坑支护结构形式

整个基坑采用排桩加一道内支撑的支护形式，支护桩为钻孔灌注桩，共两种桩型：ø800@1000、ø900@1100。内支撑为砼支撑，环撑结合角撑的形式，环撑截面尺寸为1500×800，角撑截面尺寸为800×800。冠梁截面尺寸分别为1000×800、1100×800，单位均为mm。支撑及冠梁顶标高为-3.500 m（相对标高），砼强度均为C30。

3.5 基坑降止水措施

由于基坑底粉土、粉砂层深厚（>20.0 m），如采用落底式止水帷幕则经济性太差，故基坑周边采用悬挂式止水帷幕，为ø850@1200三轴水泥土搅拌桩，搅拌桩水泥掺量为22 %，施工时掺入适量膨润土，用量为被搅拌土体质量的5 %。经公式（1）、公式（2）设计计算，桩长取为21.0 m，桩顶标高为-2.400 m（相对标高），桩底位于⑤层粉土夹粉质粘土（含水层）中。

基坑采用坑内管井降水措施，管井井深18.0 m，井径650 mm，井管采用内径300的PVC波纹管，共12口管井，施工期间9口管井保持抽水状态，3口管井作为坑内观测井，根据抽水情况进行补充降水，控制基坑内地下水位在坑底下1.0 m。坑外布置9口观测井，基坑降水期间实时观测坑外地下水的变化情况，必要时可作为回灌井。

3.6 基坑监测结果

本基坑周边环境保护要求较高，基坑侧壁安全等级为“一级”。在基坑及地下室结构施工期间加强基坑监测，对施工全过程进行了动态控制。整个地下室施工期间，基坑周边坡顶水平位移及沉降在10~15 mm，支护桩深层水平位移在12~20 mm，基坑周边建筑物及道路沉降均未大于10 mm，坑外地下水位保持在自然地面下1.0m~3.0 m。监测结果均在设计允许范围内变化，未出现异常情况。

4 结 论

(1) 按本文所述方法确定的止水帷幕厚度和插入深度，在本工程中取得了较为理想的止水效果，为今后悬挂式止水帷幕的应用提供了参考。

(2) 苏州地区普遍存在④、⑤、⑥粉土、粉砂层，且土层总厚度一般均大于15.0 m，若选用落底式止水帷幕，止水效果好，但经济性较差，故选用悬挂式止水帷幕较为合理、经济。

(3) 三轴水泥土搅拌桩的施工质量是保证止水效果的关键，一般水泥掺量为20 %。在砂性土中需掺入膨润土，改善水泥浆液的粘稠度，提高水泥土搅拌桩的搅拌均匀性，增强成桩后的抗渗性能。

(4) 止水帷幕的设计需理论与地区经验相结合，方能取得较为理想的效果。

参考文献

[1] 祝卫东，韩同春. 悬挂式止水帷幕插入深度的数值分析[J]. 水利水电技术，2009，40（7）：19-21.

[2] 何永福，朱进军，张雨花. 深基坑止水帷幕的优化设计[J]. 常州工学院学报，2008，10：119-121.

[3] 中国建筑科学研究院. 建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）[S]. 北京：中国建筑工业出版社.

[4] 常士骠，张苏民. 工程地质手册（第四版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007：1018-1020.

[5] 闫瑞明，黎志向，黄秋来. 有悬挂式止水帷幕基坑降水中的几个问题的探讨[J]. 岩土工程界，2004（7）

增刊：58-62.

[6] 刘国彬，王卫东. 基坑工程手册（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：829.