北京城市绿心公共建筑及共享配套设施深基坑不同工艺水泥土墙的对比试验

摘要:针对北京城市副中心的标志性建筑及重点配套项目基坑周边有保护历史遗迹、国家大剧院台湖舞美艺术中心剧场下穿通道及地铁线路的情况，考虑到场地地下水位高、开挖工程量大、槽底标高变化大、工程地质和水文地质条件复杂等因素，在北京地区首次采用了渠式切割深层搅拌地下水泥土连续墙工法(TRD工法)施做止水帷幕。通过对深层铣削搅拌工法(SMC工法)止水帷幕与TRD工法止水帷幕的比较表明:TRD工法水泥土搅拌墙接缝处和转角处垂直度控制较好，止水效果能够达到预期，SMC水泥土搅拌墙接缝处和转角处控制垂直度仍待进一步研究和改进。

关键词:城市副中心;深基坑;渠式切割深层搅拌地下水泥土连续墙工法;深层铣削搅拌工法

城市绿心是北京城市副中心重点功能区之一，三大公共建筑及共享配套设施是通州城市绿心项目的重要组成部分，总建筑面积约59万m2，基坑开挖深度为4.97～34.9 m，基坑开挖面积约30万m2。该项目范围内包括小圣庙古遗迹及运河故道古遗迹等文物保护遗存，同时还有国家大剧院台湖舞美艺术中心剧场南侧下穿道路及城市地铁线路。项目基坑开挖工程量大，槽底标高变化大，且工程地质和水文地质条件复杂，项目西北和南侧场地还不同程度地受到污染。为此该项目地下水控制方案设计除了需确保项目自身安全外，还要尽可能地减少地下水资源消耗和对附近污染场地的环境扰动。

该项目共涉及三层地下水，分别是第一层潜水、第二层潜水—承压水、第三层承压水。方案经多次专家论证，最终决定基坑开采用“长帷幕+槽内备用井+闭合环内疏干井”的地下水控制方式。止水帷幕为水泥土连续墙，墙厚为0.8m，帷幕底进入⑨层隔水层，帷幕底标高－29.00～30.00 m。帷幕施工工艺拟采用渠式切割深层搅拌地下水泥土连续墙工法(TRD工法)及深层铣削搅拌工法(SMC工法)，其中TRD工法为首次在北京地区应用，SMC工法在北京地区也应用较少。为确保止水帷幕方案可行，并研究两种帷幕工法在项目场地地质条件下所能达到的最佳止水效果和相应施工参数，在基坑帷幕施工前开展了水泥土搅拌墙工程现场试验。

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1.1技术路线

水泥土搅拌墙工程试验包括TRD、SMC两种工法在通州地区特有工程地质条件下的成墙施工工艺及止水效果检验，试验技术路线见图1。

图1试验技术路线

1.2地质条件

1.3地下水条件概况

根据该项目的水文地质勘察报告，区域内50m深度范围内存在3层地下水，地下水类型自上而下依次分别为潜水、潜水—承压水和承压水。另外，受局部地层变化影响，场区南部局部位置10 m深度范围还分布有上层滞水。

第一层地下水主要分布在近地表的20 m内以砂土(新近沉积的粉砂、细砂②层，细砂②3层，细砂、粉砂③2层，细砂、中砂④层)为主的地层中，含水层厚度约为7.5 m，地下水类型为潜水。勘察期间水位埋深约5.82～8.39 m，相应水位标高为13.100～14.920 m，呈自东向西逐渐变低的趋势。

第二层地下水主要分布在深度约22～32 m以砂土(细砂、粉砂⑥层)为主的地层中，含水层厚度约为12.0 m，地下水类型属潜水—承压水。勘察期

间水位埋深在约6.12～7.63 m，相应水位标高为12.81～14.62 m，普遍具有一定承压性，承压水头为13.480～15.670 m。

第三层地下水分布在约35 m深度以下以砂土(第四纪沉积的细砂、中砂⑧层)为主的地层中，含水层厚度约为5.0 m，地下水类型属承压水。勘察期间该层地下水静止水位埋深约7.79～8.03 m，相应水位标高为11.800～12.040 m，具有明显的承压性，承压水头为29.54～31.01 m。典型的水文地质剖面参图2。

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2.1 试验目的

采取现场试验评价水泥土搅拌墙工艺试验段和闭合试验段施工质量和止水效果。

2.2 检测内容及方法

1)检测不同配比水泥土搅拌墙浆液试块无侧限抗压强度。

2)对水泥土搅拌墙工艺试验段和闭合试验段均进行通长深度的钻孔取芯，目的是检验墙体的完整性和实体强度。评价内容包括芯样的颜色和性状、密实度、水泥搅拌均匀性、胶结度等。

3)在试验段墙中钻孔取第28天的芯样进行无侧限抗压强度。

4)现场抽水试验。

5)物探检测分别采用声波透射法、充电法和高密度电法。

2.3 SMC工法水泥土搅拌墙试验段施工参数

现场试验按照三个不同配比进行施工工艺性试验A段、B段、C段(图3a、3b、3c)，每个配比按照2.8 m一段成墙，成墙深度为49 m，以确定合适的水泥土配合比。另选取合适地段施工一个闭合成环的试验段，并在环内抽水检验帷幕的止水效果(图3d)。SMC水泥土搅拌墙闭合试验段尺寸为7.4 m×7.4 m，闭合环试验段配比按B段配比试验。

A段配合比:下沉喷浆水灰比为2.0，提升喷浆水灰比为1.8，水泥掺量为20%，喷浆流量为350 L/min，提升速度为60 cm/min。B段配合比:下沉喷浆水灰比为2.0，提升喷浆水灰比为1.5，水泥掺量为25%，喷浆流量为300 L/min，提升速度为50 cm/min。C段配合比:下沉喷浆水灰比为2.0，提升喷浆水灰比为1.2，水泥掺量为30%，喷浆流量为250 L/min，提升速度为40 cm/min。

2.4 TRD工法水泥土搅拌墙试验段施工参数

试验按照三个不同配比进行施工工艺性试验A段、B段、C段(图4a、4b、4c)，每个配比按照3.0 m一段成墙，以确定合适的水泥土配合比，成墙深度为49 m。另选取合适地段施工闭合成环的试验段，并在环内抽水检验帷幕的止水效果。TRD水泥土搅拌墙闭合试验段(图4d)尺寸为7.8 m×7.8 m，闭合环试验段配比按B段配合比。

A段配合比:水泥掺量为20%，水灰比为1.2，成墙时根据实际施工调整。B段配合比:水泥掺量25%，水灰比按1.2，成墙时根据实际施工调整。C段配合比:水泥掺量30%，水灰比按1.2，成墙时根据实际施工调整。

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3.1 钻芯法试验成果

根据钻芯法试验结果(表2)，TRD工法试验段和SMC试验段芯样均连续、完整、坚硬，搅拌均匀，呈柱状。芯样试验结果分析:试验前对TRD和SMC工法帷幕的现场芯样抗压强度预估大于0.9 MPa，试验结果表明两种施工工艺不同水泥掺量条件下A段、B段、C段芯样强度均能达到设计要求，且钻孔深度超55 m时，芯样均连续，证明两种施工工艺单幅成墙效果能够达到设计预期。

3.2 抽水试验成果

闭合环含水层抽水试验抽水井布置方案见图5。

3.2.1 SMC工法闭合环抽水试验

SMC工法闭合环潜水层抽水试验过程中，主井J1的抽水流量变化曲线见图6a，抽水过程共持续28 h，总抽出水量约69.23 m3。闭合环内水位观测井G1水位随抽水过程下降(图6b)，但抽水量随抽水时间未见明显变化，抽水结束后恢复明显;闭合环外G2水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图6b)。

SMC工法闭合环潜水—承压水层抽水试验过程中，主井J2的抽水流量变化曲线见图7a，抽水历时25 h，出水量稳定在16.0 m3/h左右，试验结束时总抽出水量约为413 m3。闭合环内水位观测井G3水位随抽水过程下降(图7b)，但抽水量随抽水时间未见明显变化，抽水结束后水位恢复明显;闭合环外观测井G4水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图7b)。

SMC工法闭合环承压水含水层抽水试验过程中主井J3的抽水流量变化曲线见图8a。抽水共历时25 h，出水量稳定在15.0 m3/h左右，试验结束时总抽出水量约400 m3。闭合环内观测井G5水位随抽水过程下降(图8b)，但抽水量随抽水时间未见明显变化，抽水结束后水位恢复明显;闭合环外G6水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图8b)。

3.2.2 TRD工法闭合环抽水试验

TRD工法闭合环潜水含水层抽水试验过程中，抽水主井J1的抽水流量变化曲线见图9a。针对潜水层共抽水5 h，出水量变化较大，总体上呈

衰减趋势，由初期的15 m3/h左右衰减到3 m3/h左右，总抽出水量约17.4 m3。闭合环内观测井G1水位随抽水过程下降(图9b)，抽水量随抽水时间明显减少;闭合环外观测井G2水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图9b)。

TRD工法闭合环潜水—承压水层抽水试验过程中抽水主井J2的抽水流量变化情况见图10a。针对潜水—承压水的抽水共经历21 h，抽水量从3.30 m3/h最后降至0.30 m3/h左右，试验结束时共抽出水约22.76 m3。闭合环内观测井G3水位随抽水过程下降(图10b)，抽水量随抽水时间明显减少，抽水结束后下降水位未见恢复;闭合环外观测井G4水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图10b)。

TRD工法闭合环承压水层抽水试验过程中，抽水主井J3的流量变化情况图11a。抽水共持续28 h，出水量稳定在0.3 m3/h左右，至抽水结束时降至0.2 m3/h，总抽出水量为9.82 m3。闭合环内观测井G5水位随抽水过程下降(图11b)，抽水量随抽水时间明显减少，抽水结束后下降水位未见恢复;闭合环外观测井G6水位在抽水过程和抽水后变化不明显(图11b)。

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4.1 SMC的止水效果分析

SMC工法施工的闭合环帷幕在相对第一含水层的位置止水效果达到设计预期，基本阻断了环内、外地下水的水力联系;试验过程中的补给应来自建井施工中形成的含水层间天窗的越流补给。在相对第二含水层的位置止水效果未达到设计预期，未能完全阻断环内、外同层地下水的水力联系，帷幕存在渗漏点。在相对第三含水层的位置止水效果未达到设计预期，环内、外同层地下水间仍存在较为密切的水力联系。另外，由于该层地下水之下分布有高承压水头的承压水，且两层地下水之间的相对隔水层较薄，因此，在抽降环内该层地下水时，其下伏承压含水层中的地下水将继续越流补给环内该层地下水。

综合上述，SMC帷幕针对潜水含水层、潜水—承压水含水层和承压水层的止水效果分析结果可推论:SMC工法施工的水泥土搅拌墙闭合环帷幕整体止水效果未达到设计预期，随深度增加止水效果逐渐变差，仅阻断了第一层地下水环内、外间的水力联系，对于第二层与第三层地下水均未完全切断其径向水力联系，即相应第二和第三含水层位置均存在渗漏问题。

4.2 TRD工法止水效果分析

TRD工法施工的闭合环帷幕在相对第一含水层的位置止水效果达到设计预期，基本阻断了环内、外地下水的水力联系;恢复试验中水位回升应是建井施工中形成的局部天窗的越流补给所致。相应于第二含水层深度段的帷幕虽然存在微弱的渗漏，但总体止水效果达到设计预期。在相应于第三含水层的深度段止水效果达到设计预期，基本阻断了环内、外地下水的水力联系;恢复试验中水位回升应是埋深50m之下高承压地下水的越流补给所致。

综合上述对潜水含水层、潜水—承压水含水层和承压水层的止水效果分析结果可认为:TRD工法施工的闭合环帷幕止水效果达到设计预期，针对相应于第二含水层深度段存在微小渗漏问题，可在后续帷幕施工中严格控制搅拌均匀度来加以解决。

4.3物探方法检测效果分析

物探方法主要实施目的为与常规取芯及抽水试验方法进行对比，因现场成孔条件限制，仅对SMC进行了物探方法检测。

综合各种物探检测成果并结合钻孔取芯资料，结论如下:

SMC工法水泥土墙北侧墙西段深部(33～45 m)固结质量较差，较大可能存在渗漏;西侧墙整体固结质量较差，在北段较大可能存在渗漏;南侧墙西段、中间及东段深部固结质量较差，较大可能存在渗漏。

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1)根据钻芯试验结果研究分析，TRD工法搅拌墙和SMC工法搅拌墙在北京副中心地区单幅成墙效果较好，芯样强度在1～5 MPa。

2)根据闭合试验段抽水试验分析，TRD工法搅拌墙接缝处和转角处竖直度控制较好，止水效果能够达到预期，比常规地下连续墙可以节约大量工程投资和工期。SMC工法水泥土搅拌墙接缝处和转角处控制垂直度施工工艺，仍需进一步改进。

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