大粒徑卵礫石地層多管同步注漿止水技術(shù)與試驗(yàn)研究

馬慶迅 欒晶晶 張有祥

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步和城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程正逐步向深度大、范圍廣、技術(shù)高的趨勢發(fā)展［1-3］。巖土工程條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式以及周邊復(fù)雜的建筑環(huán)境等諸多因素，對(duì)深基坑開挖的影響越來越突出［4］。

目前，北京地區(qū)深基坑工程設(shè)計(jì)與施工過程中，地下水的作用是引起基坑支護(hù)失效的主要致災(zāi)因素之一［5-6］。當(dāng)前，北京地區(qū)常采用的地下水控制方法主要有帷幕隔水和降水以及懸掛帷幕抽降相結(jié)合幾類。但對(duì)于大粒徑卵礫石地層，因其滲透性強(qiáng)及影響半徑較大，采用降水方法將導(dǎo)致嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)，建設(shè)行政管理部門已實(shí)施嚴(yán)格的水資源保護(hù)政策限制性降水，一般情況在技術(shù)可行的條件下盡量采用止水帷幕方法［7］。

帷幕隔水技術(shù)已經(jīng)有多套成熟方法［8-10］，但其應(yīng)用受到地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、基坑深度及施工工藝等各方面的限制。大粒徑卵礫石地層的深基坑工程中，可適用有效的止水方法相對(duì)較少，目前主要采用地下連墻止水技術(shù)。但是，地下連續(xù)墻作為支護(hù)止水體系，其施工造價(jià)高、工期長，且平面布置受周邊環(huán)境及施工機(jī)械制約。因此，解決常規(guī)設(shè)計(jì)方法難以解決的問題或者不足，成為當(dāng)前大粒徑卵礫石地層深基坑帷幕止水技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題。

北京麗澤金融商務(wù)區(qū)以大粒徑卵石為典型代表地層，在該區(qū)域進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)施工時(shí)，為了研究一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水技術(shù)，提出了多管同步注漿止水的措施。由于卵礫石地層深基坑注漿止水的應(yīng)用案例較少，且缺乏對(duì)注漿關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究，在確保與工程實(shí)例在地層巖性、施工工藝相一致的條件下，開展了現(xiàn)場縮尺模型進(jìn)行工程驗(yàn)證。通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析了多管同步注漿關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及其應(yīng)用可行性，使之成為一種可靠的深基坑工程輔助施工技術(shù)來進(jìn)行止水應(yīng)用，為類似地層條件下深基坑工程地下水控制設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

擬建工程位于北京市豐臺(tái)區(qū)麗澤金融商務(wù)區(qū)，由1棟地上7層文化娛樂用房及地下4層結(jié)構(gòu)（包括展廳、制冷站、汽車庫、設(shè)備用房等）組成，建筑結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)±0.00=44.80 m，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)。

擬建場地基本平坦，平均地面標(biāo)高為44.00 m，基坑開挖深度29.57 m?；娱_挖深度范圍內(nèi)地層以大粒徑卵石為主，具體分述如下：表層一般為厚約1.8～3.8 m的人工堆積之房渣土①層及粉質(zhì)黏土素填土、黏質(zhì)粉土素填土①1層；人工堆積層以下為新近沉積層之粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土②層及黏土②1層、卵石③層及中砂③1層；新近沉積層以下為第四紀(jì)沉積層之卵石④層、卵石⑤層、中砂、細(xì)砂⑤1層、黏土、重粉質(zhì)黏土⑤2層及黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土⑤3層；卵石⑥層及中砂、細(xì)砂⑥1層；第四紀(jì)沉積層以下為古近紀(jì)沉積之全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化礫巖⑦層。

工程場區(qū)自然地面以下40 m深度范圍內(nèi)主要分布1層地下水，其類型為潛水，主要賦存于標(biāo)高23.69～24.49 m以下的卵石層中。經(jīng)現(xiàn)場水文地質(zhì)勘察，含水層滲透系數(shù)約450 m/d，影響半徑為800 m，潛水穩(wěn)定水位標(biāo)高為19.42～19.84 m。

工程場區(qū)典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 工程場區(qū)典型地質(zhì)剖面圖

2 基坑支護(hù)及地下水控制方案

2.1 基坑支護(hù)方案

綜合考慮工程特點(diǎn)及地質(zhì)條件，本項(xiàng)目基坑支護(hù)主要采用“護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)”體系，護(hù)坡樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁長42 m（樁端進(jìn)入全風(fēng)化礫巖），樁間設(shè)5～6道預(yù)應(yīng)力錨桿，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)；局部外放馬道采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)，土釘墻放坡比例1∶0.4，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為三級(jí)。基坑支護(hù)典型剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑典型支護(hù)剖面圖

2.2 地下水控制方案

根據(jù)勘察報(bào)告，基坑開挖深度范圍內(nèi)涉及一層地下水。綜合考慮水文地質(zhì)條件及本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件，地下水處理主要采用多管同步深孔注漿止水帷幕結(jié)合疏干井的止排水系統(tǒng)加以控制?；又顾到y(tǒng)平面布置如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)及止水系統(tǒng)平面布置圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案概述

本試驗(yàn)位于工程場區(qū)范圍內(nèi)，現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)平面尺寸2 m×2 m，四周布置8根鉆孔灌注樁，灌注樁直徑為1.0 m，樁間距1.3 m，樁長13.5 m，樁間及外側(cè)布置兩排注漿孔，采用袖閥管多管同步深孔注漿工藝，鉆孔長度12.5 m，孔徑8 cm，注漿至地面以下2.0 m。在2 m×2 m內(nèi)部采用雙重管深孔注漿止水帷幕工藝進(jìn)行封底，鉆孔長度12.5 m，孔徑8 cm，注漿厚度為底部3 m。試驗(yàn)注漿孔平面布置如圖4所示。

圖4 注漿孔平面布置圖（單位：mm）

注漿結(jié)束且達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)選取的的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部人工土方開挖，以模擬基坑開挖施工的過程，深度至地面以下4.5 m且進(jìn)入卵、礫石透水層。基坑開挖完畢且注漿體達(dá)到一定強(qiáng)度后，向開挖區(qū)域進(jìn)行注水作業(yè)，至地面以下2.5 m，浸泡兩天后開始觀察水位下降速度，根據(jù)下降速度判斷注漿止水效果。注漿止水剖面示意見圖5。

圖5 注漿止水剖面示意圖

3.2 袖閥管多管同步深孔注漿加固原理及工藝

袖閥管注漿法是通過較大的壓力將漿液注入（壓入）巖土層中，注漿芯管上下的阻塞器可實(shí)現(xiàn)分段分層注漿，可由施工需要選擇連續(xù)或跳段注漿。此工法在需要全程注漿的施工中，通過分段注漿，使得松散的地層和較密實(shí)的地層均得到很好的注漿效果。而袖閥管多管同步深孔注漿為采用多孔同步注漿機(jī)，以組為單位（每組3孔或4孔），采用袖閥管注漿法同時(shí)注漿，以保證巖土層的注漿效果，其注漿工藝如圖6所示。

圖6 袖閥管多管同步注漿施工工藝流程

3.3 主要試驗(yàn)過程

依據(jù)試驗(yàn)方案，本次注漿試驗(yàn)施工工序主要為：圍護(hù)樁施工→注漿孔施工→現(xiàn)場注漿→土方開挖→試坑注水。

3.3.1 圍護(hù)樁施工

采用長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行圍護(hù)樁施工。根據(jù)圍護(hù)樁施工情況，揭露地層情況與勘察報(bào)告相符，主要以卵石為主，夾雜粒徑較大的漂石。

3.3.2 注漿孔施工

采用全液壓履帶式地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行注漿鉆孔作業(yè)，鉆機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表1所示。本試驗(yàn)先施工圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)雙重管注漿孔，共計(jì)24孔；后施工袖閥管注漿孔，共計(jì)27孔。

表1 全液壓履帶式地質(zhì)鉆SH6000參數(shù)表

鉆孔完畢后，將雙重管或袖閥管放入鉆管內(nèi)，雙重管通過套絲進(jìn)行連接，袖閥管通過套管進(jìn)行連接。雙重管及袖閥管安設(shè)過程，分別如圖7、圖8所示。

圖7 分節(jié)安設(shè)雙重注漿管

圖8 鉆孔完成后安設(shè)袖閥管

3.3.3 現(xiàn)場注漿

1）漿液配比

注漿材料主要為A液：水泥漿（P.O 42.5）、B液：水玻璃（硅酸鈉）、C液：速凝劑（稀硫酸）。注漿時(shí)根據(jù)地面是否冒漿轉(zhuǎn)換漿液，冒漿采用B液與C液，不冒漿選用A液與B液，A液與B液配比1∶1，B液與C液配比為1∶1。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)測定，B液與C液膠凝時(shí)間約為7～10 s，A液與B液膠凝時(shí)間約為40 s?，F(xiàn)場漿液配比作業(yè)情況見圖9。

圖9 現(xiàn)場注漿漿液配比情況

2）注漿流量、壓力控制

試驗(yàn)注漿壓力取為0.8～2.0 MPa，注漿流量（單管）約為10 L/min，主要通過注漿機(jī)自帶流量計(jì)、壓力計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制。

3）多管同步注漿

雙重管：注漿設(shè)備采用雙液注漿泵，連同拔管器、液壓站進(jìn)行后退式注漿。注漿時(shí)，每組3孔進(jìn)行同步注漿，并根據(jù)地層孔隙情況，實(shí)時(shí)調(diào)整注漿壓力及注漿流量。后退式雙重管注漿情況如圖10所示。

袖閥管：首先根據(jù)引孔深度連接袖閥管，并將袖閥管下口用尖底封好；然后，將袖閥管下入孔中，通過雙液注漿泵、止?jié){系統(tǒng)（由止?jié){塞、氣管、空壓機(jī)等組成）進(jìn)行注漿作業(yè)，袖閥管注漿亦為每組3孔同步進(jìn)行。袖閥管注漿情況如圖11所示。

圖10 后退式雙重管注漿

圖11 袖閥管注漿

3.3.4 土方開挖

注漿結(jié)束且達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行試驗(yàn)坑開挖。綜合考慮場區(qū)地層條件及試驗(yàn)方案，試驗(yàn)坑采用人工開挖方式，開挖深度約4.5 m且進(jìn)入卵礫石地層。試驗(yàn)坑開挖情況見圖12。

3.3.5 試坑注水

圖12 試驗(yàn)坑開挖

試驗(yàn)坑開挖完成后，開始進(jìn)行注水。首先浸泡基坑，以使得周邊土體處于飽和狀態(tài)，水位下降時(shí)及時(shí)補(bǔ)水，浸泡時(shí)間為2天，浸泡結(jié)束后保持基坑內(nèi)水位標(biāo)高—2.5 m（底板位置水頭7 m），并觀察水位下降情況，根據(jù)水位降速判斷注漿帷幕的滲透性。試驗(yàn)坑注水及量測見圖13。

圖13 試驗(yàn)坑注水及水位量測

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 Q-t曲線分析

試驗(yàn)范圍內(nèi)土體飽和后，開始進(jìn)行水位降深觀測，觀測時(shí)長48 h，水位降深約74 mm（未考慮蒸騰、揮發(fā)作用影響），水位觀測記錄情況詳見表2。試驗(yàn)區(qū)域降深與時(shí)間關(guān)系曲線見圖14、滲透水量與時(shí)間關(guān)系曲線見圖15。

表2 水位降深記錄表

通過以上圖表可以看出，試驗(yàn)坑內(nèi)水位平均降深速率約1.54 mm/h，滲透水量為6.16 L/h，且滲透水量與時(shí)間成線性比例關(guān)系，結(jié)果表明卵石地層采用多管同步深孔復(fù)合注漿日均滲透量較小，且比較穩(wěn)定。

圖14 降深-時(shí)間關(guān)系曲線

圖15 滲透水量-時(shí)間關(guān)系曲線

4.2 袖閥管注漿擴(kuò)散半徑分析

本次試驗(yàn)首先采用雙重管進(jìn)行封底注漿，再采用袖閥管進(jìn)行樁間及樁后注漿。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，雙重管封底注漿總流量為95.85 m3，考慮漿液在卵石地層中的擴(kuò)散作用，雙重管封底注漿整體擴(kuò)散半徑可按下式估算。

式中：Q為雙重管注漿總流量，m3；A為漿液損耗系數(shù)，取1.2；H為封底注漿厚度，考慮漿液擴(kuò)散作用，取4.0 m；n為孔隙率，按0.4考慮；β為漿液充填系數(shù)，取0.8。

經(jīng)計(jì)算分析，雙重管封底注漿整體擴(kuò)散半徑約為4.45 m，具體擴(kuò)散范圍如圖16所示。受雙重管注漿擴(kuò)散的影響，袖閥管下部約3.5 m卵石層較為密實(shí)，注漿量較少（不予計(jì)取），考慮注漿體之間及注漿體與支護(hù)樁之間的搭接，袖閥管注漿滿足設(shè)計(jì)要求擴(kuò)散半徑不小于0.5 m的理論注漿量為3.378 m3/組（每組3個(gè)孔），現(xiàn)場實(shí)測注漿量與理論注漿量對(duì)比詳見表3。

圖16 雙重管封底注漿擴(kuò)散范圍（單位：mm）

表3 實(shí)測注漿量與理論注漿量對(duì)比表（每組）

通過表3可以看出，現(xiàn)場實(shí)測注漿量平均值大于理論注漿量。綜合分析判斷，本次試驗(yàn)袖閥管注漿擴(kuò)散半徑大于0.5 m。

4.3 滲透系數(shù)估算

根據(jù)達(dá)西定律，滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Q為滲透流量；A為滲水?dāng)嗝婷娣e；i為水力坡降；υ為斷面平均滲透速度。

根據(jù)Q-t曲線，本試驗(yàn)滲透水量為1.71 cm3/s，平均滲透速度（取側(cè)面）3.05×10—6cm/s，側(cè)壁平均水力坡降為3.5 m/1.38 m=2.536。經(jīng)計(jì)算，止水體系滲透系數(shù)約為1.2×10—6cm/s；考慮支護(hù)樁止水作用的影響，注漿體滲透系數(shù)約5.2×10—6cm/s。

4.4 工程實(shí)例滲透水量估算

本試驗(yàn)地層巖性、水頭壓力及支護(hù)樁、注漿孔布置條件等與工程實(shí)例基本一致。通過模型試驗(yàn)（側(cè)壁滲透面積56 m2），現(xiàn)場實(shí)測滲透水量約為0.148 m3/d，采用類比分析法，以試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果為依據(jù)預(yù)估工程實(shí)例（側(cè)壁滲透面積5529 m2）滲透水量約為14.6 m3/d。

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場測定及試驗(yàn)成果分析，大粒徑卵礫石地層采用多管同步注漿止水措施，袖閥管注漿擴(kuò)散半徑大于0.5 m，止水帷幕體系的滲透系數(shù)約為1.2×10—6cm/s，注漿固結(jié)體滲透系數(shù)約為5.2×10—6cm/s，可有效降低卵礫石地層的滲透性。

2）通過大粒徑卵礫石地層現(xiàn)場注漿模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了多管同步注漿的施工工藝、注漿材料及施工參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，形成了一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水方案。同時(shí)，試驗(yàn)場地位于工程實(shí)例場區(qū)范圍內(nèi)，地層巖性、設(shè)計(jì)條件等與工程實(shí)例基本一致，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)效果及成果分析，證明試驗(yàn)參數(shù)適用于工程場區(qū)內(nèi)卵礫石地層作業(yè)。

3）受地質(zhì)條件、工人操作水平的限制，不同工程大粒徑卵礫石地層多管同步注漿參數(shù)可能有所差異，但總體可大大減少抽排水量，節(jié)約水資源并降低工程造價(jià)，為類似地層條件下深基坑工程地下水控制設(shè)計(jì)及施工提供參考。

收稿日期：2018-08-03