开放悬挂式止水帷幕在黄土地区的应用实践

0 引言

黄土地区的降水问题一直被工程界视为难题，关于“采用止水还是降水”这一问题一直存在争论，对饱和黄土降水产生的附加沉降变形的研究也一直在进行。目前，西安地区的基坑降水一般采用管井降水的方式，当土层渗透性较大或者深基坑周边有需要保护的重要建筑物时，一般考虑采用止水帷幕加坑内降水的方式或采用降水加回灌的方式。由于黄土覆盖层深厚，无法插入不透水层，因此，通常采用悬挂式止水帷幕的方式。止水帷幕增大坑外地下水向坑内的渗流路径、降低坑内地下水水位的同时，能够避免坑外地下水水位快速下降使基坑周边土体产生固结沉降这一问题的发生，从而保护坑边重要建筑物。

悬挂式止水帷幕在深基坑中的排布方式，通常为基坑四周一圈相互咬合或与支护桩组合咬合，构成闭合的止水体系。某工程（以下简称“本工程”）在考虑安全经济的原则下，仅在基坑南部有重要建筑物的区域针对性地布置了悬挂式止水帷幕，并未形成闭合的止水体系。

本文基于未闭合的开放悬挂式止水帷幕降水方案及应用，结合实际基坑降水情况及变形监测结果进行分析，探讨了采用本降水方案的实际降水效果及对周边建筑物的影响。

1 项目概况

1.1 支护方案简介

拟建场地位于西安市北院门，建筑场地的地貌单元属于黄土洼地。场地勘查资料显示，场地地形稍有起伏，地面标高介于96.74 m～99.95 m之间，地下稳定水位埋深为5.8 m～8.7 m，基坑影响范围共有5层土。基坑开挖深度为15.2 m，平面形状大致为L形，长约120 m，宽约45 m。基坑采用桩锚支护，排桩采用现浇钢筋混凝土桩，长度为19.5 m～24.5 m、直径为0.8 m～1.0 m，间距为1.5 m。在地表以下4 m、7 m、10 m和13 m处各设一道锚索，上、中上、中下和下四道锚杆自由段长度均为6 m，锚固段长度分别为12 m、12 m、6 m和6 m；倾角均为15°；预应力分别为300 kN、300 kN、200 kN和200 kN。帷幕采用高压旋喷桩，直径为0.6 m，搭接距离为0.25 m，与排桩咬合接触。

1.2 基坑周边建筑物情况

本工程基坑北侧为莲湖区政府内部道路，道路紧挨基坑侧壁，基坑北侧中部为3层锅炉房，独立基础，埋深约2 m；基坑南侧开挖线外3 m～8 m为框架结构8层办公楼（5号楼），条形基础，基础埋深约2.5 m；西侧开挖线外为莲湖区政府内部道路，东侧开挖线外9 m为框架结构9层办公楼，1层地下室，为桩基础。

1.3 工程地质条件

岩土工程勘察报告显示，据勘探揭露，场地内地层自上而下依次由杂填土、素填土、第四系上更新统风积黄土、残积古土壤及中更新统风积）黄土、残积古土壤、风积粉质黏等组成。拟建场区在勘察深度范围内地下水5.8 m～ 8.7 m。本场地地下水主要由大气降水及地下径流补给，并通过自然蒸发、人工开采以及径流排泄。根据区域地质资料，本场地水位年变化幅度为1.0 m～2.0 m。土层综合渗透系数为35 m/d～5 m/d。

2 降水设计方案

2.1 止水帷幕及降水井的设计

由于本工程基坑南侧及东侧有办公楼，距离基坑较近且建成年代久远，采用常用管井降水方式可能造成不均匀沉降，经多次专家论证分析后，确认本工程采用开放悬挂式止水帷幕与坑内管井降水相结合的方式，即在基坑南侧及东侧设置止水帷幕进行阻水，增加渗流路径，减缓坑外建筑物下水位下降速度，并降低坑外建筑物下水头差，同时在坑内布置降水井，从基坑内进行降水，确保降水对南侧及西侧的建筑物降水影响最小，保证南侧及西侧建筑物的安全。

止水帷幕桩采用φ600 mm@450 mm、桩长为19.5 m（南侧）、14.5 m（东侧及东南侧）的旋喷桩，桩顶高程为－6.5 m（南侧）、－8.5 m（东侧及东南侧）；桩底高程为－26 m（南侧）、－22 m（东南侧）、－25 m（东侧）。保证隔水帷幕旋喷桩桩底与支护桩桩底在同一高程。隔水帷幕桩布置在护坡桩的中间，与护坡桩咬合后称为帷幕，起到防渗及增加降水水流渗流路径的作用，减小水头差。

护坡桩采用旋挖钻孔灌注桩施工工艺，旋喷桩采用高压旋喷注浆成桩施工工艺，先施工灌注桩，后施工高压旋喷桩（如图1所示）。高压旋喷桩施工采用二重管法，注浆压力为22 MPa～25 MPa，气压为0.6 MPa～0.8 MPa，注浆管提速控制在0.18 m/min～0.22 m/min，浆液水灰比1∶1。

基底深度约15 m，施工期间水位埋深约8.0 m，预计水位降至基坑底板下1.5 m。基坑东西长约120 m，南北宽约45 m，水位设计控制深度16.5 m，水位降深S＝8.5 m；含水层厚度H=22 m。采用大井法计算基坑涌水量Q＝3157.3 m3/d，基坑布置22口降水井，井深30 m。基坑南侧降水井布置在止水帷幕以内，基坑北侧降水井布置在坑外或者基坑肥槽中。基坑涌水量算式

式1中：Q为基坑降水总涌水量（m3/d）；k为渗透系数（m/d）；H为潜水含水层厚度（m）；R为降水影响半径（m）；Sd为基坑地下水位的设计降深（m）；r0为基坑等效半径（m）。

2.2 降水对周边建筑物的影响

降水会引起周边建筑物的微小沉降。根据沉降计算公式，沉降量计算式

式2中：S为降水所引起的沉降值；ΔP为降水产生的自重压力；ΔH为降水深度，取6 m～8.5 m（基坑南侧5号楼及东侧消防楼取6 m，基坑北侧锅炉房取8.5 m）；γw为水重度，取10 kN/m3；E为降水深度范围内土的压缩模量，取12000 kPa。

经计算，降水引起的沉降量为17.6 mm～30 mm。根据本地区的经验，实际沉降一般小于理论计算值，降水不会对现有建筑及路面造成影响，实际施工时需加强监测，一旦发现问题及时采取补救措施。

3 运用实践效果

3.1 基坑实测水位及抽水量情况

抽水前场地内水位埋深约为－10.0 m～－8.0 m。降排水工作自基坑土方开挖至－6 m开始启动，至基坑土方开挖至基底后，计划基坑内水位缓慢下降至－18 m。降水水位稳定后观察各降水井及观测井水位情况如下：基坑外四周观测井水位为－14.5 m～－12.0 m；坑内降水井动水位埋深－22 m（北侧）、－26 m（南侧），井水位降深14 m（北侧）、18 m（南侧）；基坑内部水位降深为11 m～ 13 m；基坑北部（无止水帷幕）坑外观测井水位下降为6.5 m～8.5 m，基坑南部（有止水帷幕）坑外观测井水位下降3 m～5 m。通过观测数据可知，基坑内井水位与坑内实际水位存在3 m～5 m井损，同时受止水帷幕截流影响，基坑南侧坑内外存在水位差，差值约为8 m。

本基坑降水面积为120 m×45 m，按照无限含水层潜水非完整井计算，出水量约143.5 m3/h；做开放悬挂式止水帷幕后现场实际测量降水井单井排水量最大约为6 m3/h，基坑排水量为100 m3/h；采用本方案后，节水率达到30.3%。不仅从止水体系上，还从抽水量上节约了工程造价。

3.2 基坑监测情况

本基坑监测工作中，水平位移监测极坐标法或小角度法，使用Leica TCA1201＋全站仪进行观测。

根据第三方基坑顶部水平位移监测报告，基坑东侧邻楼区域相对变形较大，最大累计位移8.5 mm，其他区域变形均较小，满足规范要求。

通过锚杆轴力监测，本工程预应力锚索在锁定稳定后，锚索有6%～10%的损失，稳定后的轴力约为310 kN。

整个基坑支护体系安全可控。采用开放悬挂式止水帷幕，在基坑南部造成了坑内外较大的水位差，且与基坑其他侧相比，基坑南侧坑外水压较大，但并未对基坑水平变形造成明显影响。

3.3 基坑四周建筑物沉降情况

本基坑沉降监测采用天宝Dini03高精度电子水准仪进行独立闭合水准测量。本文主要选取基坑邻近3栋建筑物，包括消防楼（东侧）、锅炉房（北侧）及5号楼（南侧）沉降监测数据进行分析。

消防楼（东侧）设置了4个沉降观测点，分别为XF01、XF01、XF03和XF04。锅炉房（北侧）设置了4个沉降观测点，分别为J301、J301、J303和J304。5号楼（南侧）设置了5个沉降观测点，分别为J501、J503、J504、J505和J506。

根据累计沉降量位移图，沉降量的变化呈波动上升增大趋势。最大沉降量并不是最后一期的累计沉降监测结果，而是出现在降水中间过程中。基坑东侧消防楼最大沉降量为8.3 mm，基坑北侧锅炉房最大沉降量为6.9 mm，基坑南侧5号楼最大沉降量为8 mm。最大沉降量监测数据约为理论计算值的1/3，基坑支护及降水达到了比较理想的效果，整个施工期间建筑物的沉降变形控制均处于安全受控状态。

3.4 小 结

经过对基坑水位、基坑变形及基坑四周建筑物变形情况的持续观测可知，施工过程中基坑边坡稳定，基坑四周建筑物变形可控，基底水位保持稳定，对基坑主体施工无影响，因此，采用开放悬挂式止水帷幕应用效果良好。

（1）在西安地区黄土地层条件下，采用高压旋喷桩作为止水帷幕，通过精心施工，能够做到高压旋喷桩之间、旋喷桩与支护桩之间有效咬合，充分保证帷幕的完整性，能够满足止水及基坑支护需要。

（2）开放悬挂式止水帷幕能有效改变帷幕背后坑外地下水渗流路径，地下水通过从止水帷幕底端及帷幕两端部开口处绕流与坑内地下水产生水力联系，能够有效减缓止水帷幕外地下水下降速度，防止土体产生过大沉降，从而对坑外建筑物起到保护作用。

（3）采用开放悬挂式止水帷幕在改变地下水渗流路径的同时，能一定程度地减小基坑涌水量，减小了对地下水的抽取，间接防止了过快降水，保护了邻近建筑物，同时保护了地下水资源。

4 结语

西安地区黄土层降水一般采用管井降水方式，在基坑周围有重要建筑物时，可采用开放悬挂式止水帷幕。开放悬挂式止水帷幕一方面可以有效保护基坑周围建筑物安全，另一方面能减少抽水量，保护地下水资源，同时还可以节约工程造价，避免造成建筑资源浪费。本工程为西安市采用开放悬挂式止水帷幕隔水的成功案例，通过采取上述有效措施，有效保证了邻近建筑物安全和基坑稳定并降低了工程造价，说明开放悬挂式止水帷幕联合坑内降水的方法可作为饱和黄土有效的降水方法，可作为本地区类似工程的借鉴。