厚卵礫漂石地層地鐵明挖車站注漿止水施工技術

程志鵬 朱雯蕾

(中交鐵道勘察設計研究總院有限公司，北京 100088)

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厚卵礫漂石地層地鐵明挖車站注漿止水施工技術

程志鵬 朱雯蕾

(中交鐵道勘察設計研究總院有限公司，北京 100088)

以某地鐵站深孔帷幕注漿止水的設計與施工為例，根據(jù)該工程場區(qū)的地質(zhì)條件，提出了富水卵礫漂石地層注漿止水的施工方案，并對其注漿材料、注漿工藝及施工設備等進行了介紹，通過對注漿效果的檢驗與分析，指出采用內(nèi)外雙層、分段后退式注漿工藝取得了良好的止水加固效果。

注漿方案，漿液，注漿工藝，基坑

0 引言

結(jié)合現(xiàn)代城市人口密集，地面交通利用率的特點，大力發(fā)展城市抵消交通成為趨勢，然而城市地下空間工程開發(fā)往往會受到其現(xiàn)有基礎設施如城市建(構)筑物、管線、交通等各種因素的影響，施工場地受到限制。厚卵礫漂石地層是北京典型地層，地下水位以下水量較大，為了保證工作面無水以及開挖面穩(wěn)定，對富水卵石地層的防水排水是明挖地鐵車站施工的重要環(huán)節(jié)。

本文結(jié)合了北京某地鐵站深孔帷幕注漿止水的設計與施工，面對鉆孔深度大、卵石粒徑大、地層滲透性大等難點問題，提出針對富水厚卵礫漂石地層明挖基坑注漿止水的關鍵施工技術，其中，重點介紹了注漿材料的創(chuàng)新、注漿方案的選擇以及注漿效果的檢驗與分析。

1 工程概況

該地鐵車站主體為明挖三層單跨箱形結(jié)構，頂板覆土約2.90 m～3.39 m。該車站橫跨十字路口，位于城市主道路下方，東西走向，南鄰高架橋，與交叉路口北側(cè)南北走向的地鐵車站形成換乘。

1.1 工程地質(zhì)

本車站區(qū)域地層分布穩(wěn)定，人工填土、新近沉積土層、第四紀晚更新世沖洪積地層自上而下依次分布，其中第四紀晚更新世沖洪積層主要包括圓礫卵石⑤層、卵石⑦層及卵石⑨層。本場地漂石分布隨機性較強，根據(jù)臨近探井及基坑調(diào)查資料顯示存在粒徑大于200 mm的漂石，且最大粒徑可達1 000 mm左右。

1.2 水文地質(zhì)

場區(qū)范圍內(nèi)地下水類型主要為潛水，以大氣降水入滲補給方式為主，主要含水層為卵石⑦層。最大水位埋深約25.60 m～28.15 m。

本工程主體結(jié)構采用明挖法施工，基坑開挖深度26.7 m，進入潛水2 m～3 m，屬深基坑施工。施工時需考慮基坑內(nèi)局部降水，附屬結(jié)構施工時基坑內(nèi)不受地下水影響。

2 富水卵礫漂石地層注漿止水帷幕施工方案

地鐵車站A站位于城市主道路北側(cè)輔路，東西方向布設，由于輔路下方管線較密，無布設基坑外降水井的位置?；诘刭|(zhì)條件復雜且路面交通繁忙，已無在基坑外施工降水井條件。為了解決工程環(huán)境因素及工期原因造成的降水困難，采用“坑外阻水、坑內(nèi)排水”，即在圍護樁的樁間和樁周進行深孔注漿阻水加固土體，在坑內(nèi)設降水井排水，為結(jié)構施工創(chuàng)造無水作業(yè)環(huán)境。

2.1 注漿材料

1)注漿材料的選擇。結(jié)合砂礫石地層土體顆粒較粗、粒間孔隙尺寸及滲透系數(shù)較大的特點，通常采用水泥漿作為該地層的注漿主材。然而，在工程實踐中遇到的砂礫石地層的結(jié)構相當復雜，當?shù)[石地層中顆粒的含量較多時，細粒對整個砂礫石地層的滲透性起控制作用，粒狀材料漿液很難實現(xiàn)注漿效果，需采用化學注漿的方法?？紤]地層情況并結(jié)合開挖基坑底以下10 m的土體不會被擾動且對強度要求不高的特點，對其采用水玻璃漿液固結(jié)止水；而開挖基坑底以上4 m采用凝固強度較高的水泥—水玻璃雙漿液。這樣，在保證施工質(zhì)量的前提下，通過對不同的工程條件對注漿漿液的差異選擇，可以大大降低施工成本。

2)注漿材料的改進。施工實踐中發(fā)現(xiàn)，水泥—水玻璃雙液漿在砂卵石中的可注性差異大、擴散極不均勻，且水玻璃漿液則存在結(jié)晶體耐久性差，后期強度降低甚至崩解的問題。針對以上問題，進行了以下兩種新型注漿材料的研究：

a.CD-SCA漿液增加可注性及漿液擴散半徑。利用高效分散劑(海川5040—聚羧酸鈉鹽型分散劑)可以吸附于固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤的機理，以及無收縮灌漿劑使?jié){液強度更高、漿液凝結(jié)后不收縮、不變形特性，以水泥—水玻璃為主體材料，水泥漿液中添加適量的無收縮灌漿劑和分散劑，將得到一種兼具水泥漿料和化學漿料優(yōu)點，且具有可注性好、擴散半徑大特點的經(jīng)濟實用新型注漿材料即CD-SCA漿液。

b.PC-SCA漿液提高結(jié)晶體長期強度、防止崩解。為了得到一種兼具水泥漿料和化學漿料優(yōu)點(固結(jié)強度高、耐久性好),且經(jīng)濟實用的新型注漿材料，研究以水泥—水玻璃為主體材料，水玻璃中添加適量的明礬和硫酸銅，得到該新型材料即PC-SCA漿液。添加的硫酸銅與水玻璃發(fā)生的雙水解反應：

SiO2-+Cu2++2H2O=Cu(OH)2↓+H2SiO3↓

添加的明礬與水玻璃發(fā)生的反應：

2KAl(SO)2+6NaOH=2Al(OH)3↓+3Na2SO4

另外，新型注漿材料——PC-SCA漿液和CD-SCA漿液凝結(jié)后凝結(jié)體呈堿性，且單液中不摻加任何有毒化學物質(zhì)，對地層無污染，滿足綠色施工要求。

3)漿液應用的控制。控制漿液的凝結(jié)時間能夠很好的解決卵石地層孔隙率大，易產(chǎn)生跑漿的問題，減少注漿過程中漿液浪費，根據(jù)不同地層需要的凝結(jié)時間調(diào)節(jié)出相應的漿液濃度。因此，通過試驗研究新型漿液(CD-SCA漿液、PC-SCA漿液)漿液濃度與凝結(jié)時間的影響關系是必不可少的。

通過漿液凝結(jié)時間測試的室內(nèi)試驗得到以下結(jié)論：

a.通過不同水灰比CD-SCA漿液反應的凝結(jié)時間的變化試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著水灰比的增加凝固時間是增加的，增長速度較為緩慢，本著節(jié)約材料和保證注漿質(zhì)量并重的原則，最合適的水灰比選擇是1.3∶1；

b.通過不同濃度磷酸對PC-SCA漿液反應凝結(jié)時間的試驗研究，發(fā)現(xiàn)速凝劑濃度約為6%時凝固時間最短(約4 s)，速凝劑酸濃度可在4%～7%范圍內(nèi)進行適當調(diào)節(jié)以適應不同地層。

2.2 注漿工藝

針對現(xiàn)場中間樁及鉆孔灌注樁尖進入砂土及碎石土的深度較大，易產(chǎn)生塌孔、擴徑等問題，為保證在這種惡劣條件下的注漿止水效果，進行了幾種施工工藝的對比(見表1)。顯然，在這種深孔、卵石粒徑大且含量比例高的地層中，更適合采用雙重管后退式注漿。同時，選用鉆機的鉆桿直徑較小，一定程度上減小了漿液回流；為解決工期問題，施工過程中鉆孔和注漿同步交叉進行，以縮短工期。

表1 注漿工藝的對比

經(jīng)試驗研究，確定深孔止水帷幕注漿選用內(nèi)外雙層、分段后退式注漿工藝，保證注漿質(zhì)量，實現(xiàn)了均勻注漿的目的。

1)內(nèi)外雙排雙層復合注漿，確保注漿止水墻體厚度止水效果。為保證注漿止水帷幕滿足止水要求，采用垂直雙排孔，注漿孔孔位分布在圍護樁中間及外邊，共兩排?？组g距900 mm，兩排間距600 mm梅花形交錯布設，注漿土體可以相互咬合密實。圍護樁與注漿土體形成一體的止水帷幕墻，見圖1。砂卵石地層透水性較大，為更好地控制降水，注漿深度為現(xiàn)況水位21.89以上2 m至礫巖層以下0.5 m，形成高度為14 m的止水帷幕墻。

因地層主要由漂石和鵝卵石組成，孔隙率大，漿液流失嚴重，所以注漿時先注速凝的PC-SCA漿液后，再注CD-SCA漿液。注漿過程中兩種漿液混合注漿，但樁間注漿孔以速凝的PC-SCA漿液為主，樁后一排以CD-SCA漿液為主。

注漿時要實時觀察注漿壓力，壓力較大時可注CD-SCA漿液，壓力較小時可注速凝的PC-SCA漿液。

2)上下分段后退式雙液注漿，確保止水效果。靜水壓力會隨含水層埋藏深度增加而增加，當注漿深度較大，穿過較多含水層，且裂隙大小不同時，在一定的注漿壓力下，漿液的流動和擴散不同，上部巖層的裂隙注漿量多，擴散半徑大，下部巖層的注漿量少，擴散半徑小，或幾乎不擴散。為了確保注漿止水深度范圍內(nèi)的止水效果，漿液在各含水層擴散均勻，采用上下分段后退式雙液注漿的方法保證了其注漿質(zhì)量。

3)采用雙控信息化注漿法，確保注漿擴散均勻。本工程采用雙控信息化注漿法，即通過對注漿壓力和注漿量雙指標進行控制，且通過整體注漿壓力變化來判斷選擇注漿材料(速凝化學漿或水泥—改性水玻璃漿液)。注漿過程中采用定量注漿，以注漿壓力來控制雙重管提升速度，壓力值達到1.5 MPa～2.0 MPa或者達到其分段注漿標準注漿量時，雙重管提升0.05 m～0.10 m后繼續(xù)注漿，直至注漿完成。

4)采用了新型雙液漿注漿管端頭混合裝置，確保漿液混合均勻。 本工程采用的雙液漿注漿管端頭混合裝置，保證了漿液充分混合均勻，泥砂不易進入內(nèi)管造成堵管，解決了漿液擴散不均勻的問題，保證了注漿止水效果。

2.3 施工設備

針對現(xiàn)場卵石粒徑大、強度高、成孔較為困難的情況，以及對成孔效率、定位準確且適用于雙液漿等要求，現(xiàn)場采用地質(zhì)鉆機成孔的方法，所用鉆孔設備主要有日本RPD-130C鉆機和韓國SH5000，SH6000，SH8000鉆機，以上設備的主要特點為大小適中、作業(yè)扭矩大。注漿設備為進口多功能注漿機(見圖2)、雙重管注漿同步拔管系統(tǒng)(見圖3)，其突出特點是：注漿機配備進口流量計，可以實現(xiàn)壓力和流量的雙控,實時顯示各注漿的流量與壓力，根據(jù)對注漿壓力的控制，一方面可以保證地層注漿的充分，另一方面可以實時監(jiān)控不會過量跑漿漏漿，造成不必要的浪費。

3 注漿效果

主體基坑開挖至設計槽底后，基坑兩側(cè)壁無滲水，槽底無積水，表明注漿止水效果顯著，有效保證了后續(xù)施工的順利進行。當基坑開挖到原地下水位以下的地層，基坑內(nèi)基滿足無水施工的要求，說明基坑外注漿實現(xiàn)了預期效果；注漿加固區(qū)基坑側(cè)壁土體的固結(jié)強度明顯高于周邊未加固區(qū)土層，注漿加固區(qū)基坑側(cè)壁的開挖穩(wěn)定性良好。

注漿完成后，從加固區(qū)鉆孔取芯明顯可以看出注漿土體變?yōu)檎w，如圖4所示。

根據(jù)酚酞試劑遇堿(漿液中氫離子)變紅的原理，在基坑側(cè)壁噴灑酚酞試劑，肉眼識別其加固區(qū)注漿效果，圖5為漿液擴散情況，現(xiàn)場揭示注漿擴散半徑達到了預期效果。

由注漿地層的注水試驗可得到注漿后土體滲透性系數(shù)分別為4.63×10-7cm/sec，1.10×10-6cm/sec和6.55×10-7cm/sec，滿足了滲透系數(shù)小于10-6cm/sec的施工效果要求，對比注漿前地層滲透系數(shù)，加固區(qū)地層滲透性有了明顯改善。

4 結(jié)語

1)降水方案因地制宜，“坑外阻水、坑內(nèi)排水”既解決了排水空間受限制的問題，又實現(xiàn)了基坑工作面無水的要求，并且在一定程度上減少了水資源的浪費，因此，此降水方案是在城市富水地層進行結(jié)構施工的較好選擇。2)采用了適用于卵礫漂石地層的兩種新型漿液，使?jié){液可呈柱狀均勻擴散，帷幕止水墻的厚度和強度得到滿足，實現(xiàn)預期止水效果，保證了工程安全順利實施。3)在厚卵礫漂石地層深基坑施工中提出并成功應用了新型“內(nèi)外雙排、分段后退式雙液復合注漿”工藝，形成了一整套深孔復合注漿止水帷幕的非降水施工技術。在保證注漿質(zhì)量的前提下，既節(jié)省工期又節(jié)省成本，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、增強市場競爭力的有利選擇。4)通過試驗段的注漿效果來看，注漿后形成的新的巖土體和帷幕滲透系數(shù)明顯降低、整體性增強，實現(xiàn)了地層的有效止水,取得了地基加固處理的預期效果。

[1] 阮文軍.注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J].巖土工程學報，2005，27(1):69-73.

[2] 劉其金.北京西四環(huán)暗涵雙液注漿參數(shù)的選定[J].水科學與工程技術，2006(4):60-61.

[3] 袁德富.雙液注漿在地鐵樁支護結(jié)構止水施工中的應用[J].山西建筑，2011，37(7):59-60.

[4] 楊 坪.砂卵(礫)石層模擬注漿試驗及滲透注漿機理研究[D].長沙：中南大學，2005.

[5] 原新星.淺談如何實現(xiàn)雙液注漿的固結(jié)封水作用[J].山西建筑，2011,37(2):67-68.

[6] 孫國慶,張民慶.圓梁山隧道注漿材料及其配比選擇[J].隧道建設，2005,25(sup):82-85.

Grouting waterproofing construction technology of subway excavation station with thick erratic stratum

Cheng Zhipeng Zhu Wenlei

(ChinaCommunicationRailwaySurvey&DesignAcademyHeadquarterCo.,Ltd,Beijing100088,China)

Taking the subway station deep-hole curtain waterproofing design and construction as an example, according to the engineering field geology conditions, the article puts forward grouting waterproofing construction scheme of thick erratic stratum, introduces its grouting materials, grouting technologies and construction equipment, examines and analyzes grouting effect, and finally points out that: applying internal-external double layer and sub-section regression-style grouting technology has achieved great waterproofing reinforcement effect.

grouting scheme, slurry, grouting technology, foundation pit

1009-6825(2016)05-0192-03

2015-12-01

程志鵬(1983- )，男，碩士，工程師； 朱雯蕾(1988- )，女，碩士，助理工程師

U231.4

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