上海地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理工藝研究

王紅衛(wèi)

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

上海城市核心區(qū)地下工程深度已達(dá)到60 m。從水文地質(zhì)條件來看，上海地區(qū)地表以下30 m范圍內(nèi)主要存有第⑤層微承壓含水層，而超過30 m將進(jìn)入第⑦層承壓含水層，深度超過30 m基坑工程的施工風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)大于20 m左右深度的基坑工程，特別是承壓水滲漏和突涌預(yù)防治理方面，風(fēng)險(xiǎn)管控理論的研究已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)踐的發(fā)展需求[1-4]。據(jù)此，本文通過對常用化學(xué)注漿封堵技術(shù)進(jìn)行機(jī)理分析，揭示上海地區(qū)采用化學(xué)注漿治理突涌的不足，為完善以上不足并促進(jìn)注漿技術(shù)在深基坑突涌事故治理中得到更好的應(yīng)用，進(jìn)而提出了基于化學(xué)注漿的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理的新工藝。

1 化學(xué)注漿

1.1 封堵止水機(jī)理及分析

本文以上海地區(qū)常用的聚氨酯為例，說明化學(xué)注漿作用機(jī)理。聚氨酯漿液凝固時(shí)間從幾十秒到幾分鐘可調(diào)，經(jīng)高壓泵送裝置注入地層，先以液態(tài)形式填充周圍多孔結(jié)構(gòu)和裂隙，然后遇水發(fā)泡膨脹產(chǎn)生二次壓力，進(jìn)一步把漿液壓入裂隙，使多孔結(jié)構(gòu)或地層充填緊密。從發(fā)泡初凝到固結(jié)，聚氨酯都具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度，能有效附著在骨料表面，減小骨料間的過水通道，在逐漸硬化形成不透水層后，實(shí)現(xiàn)對突水點(diǎn)和過水通道的有效封堵。

通過以上的機(jī)理分析，總結(jié)聚氨酯能夠產(chǎn)生封堵作用的關(guān)鍵因素如下：第一，聚氨酯漿液從注漿到發(fā)泡膨脹經(jīng)歷2次壓力，分別是注漿壓力和膨脹壓力，2次壓力能夠在漿液固結(jié)前密實(shí)填充周圍巖土體裂隙和多孔結(jié)構(gòu)；第二，聚氨酯發(fā)泡膨脹后具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，在動水條件下也能牢固附著在巖土體骨料表面；第三，聚氨酯漿液凝固時(shí)間可調(diào)，能夠適時(shí)凝固，避免隨動水流失。

1.2 工程應(yīng)用中的不足

經(jīng)文獻(xiàn)查閱可知，化學(xué)注漿封堵止水最早應(yīng)用于巖質(zhì)地層中的油井、礦井開挖等工程領(lǐng)域，后拓展到土質(zhì)地層工程建設(shè)領(lǐng)域。在巖質(zhì)地層中采用注漿堵漏，由于地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，故即使在注漿壓力和膨脹壓力、承壓水頭等綜合作用下，巖層結(jié)構(gòu)依然能夠保持穩(wěn)定，封堵止水成功的概率較高。而在土質(zhì)地層中采用注漿堵漏，特別是突涌點(diǎn)堵漏，由于土體顆粒容易隨動水流失，土層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，故難以具備聚氨酯等漿液產(chǎn)生封堵效果所需要的關(guān)鍵因素。本文以上海地區(qū)的水文地質(zhì)條件加以詳細(xì)說明。

上海地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的突涌事故主要發(fā)生在第⑦層，其上第⑥層是分布較廣的硬土層，主要是暗綠-草黃色黏土，不透水；其下第⑧層是分布較廣的軟土層，其中⑧1層是灰色黏性土，⑧2層是灰色粉質(zhì)黏土、粉砂互層，不透水。第⑦層水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 第⑦層水文地質(zhì)參數(shù)

在第⑦層高水頭壓力下，只要基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在細(xì)小通道，粉細(xì)顆粒的砂、粉土就會隨著水一起流入坑內(nèi)，并在較短時(shí)間里擴(kuò)大漏水涌砂通道。

在此類水文地質(zhì)條件下，采用注入聚氨酯等化學(xué)漿液封堵規(guī)模較大的突涌，方案本身存在著諸多不足。首先，易隨動水流失的粉土和細(xì)砂無法為聚氨酯提供相對穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，無法持續(xù)為凝固過程中的聚氨酯提供用于附著的骨架支撐。其次，土體結(jié)構(gòu)在動水作用下已有擾動，而注漿壓力或膨脹壓力將加速土體初始結(jié)構(gòu)的破壞，加劇漏水涌砂通道的擴(kuò)大。最后，持續(xù)增大的動水流速，將會導(dǎo)致新注聚氨酯來不及凝固就隨動水流失，而初凝后附著在土體骨料顆粒上的聚氨酯也會隨動水流失。以上3點(diǎn)不足容易造成注漿封堵失敗。

綜合以上分析，上海地區(qū)土質(zhì)地層采用化學(xué)注漿進(jìn)行突涌治理時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)理論研究，充分考慮注漿壓力和膨脹壓力、水流速度、水力梯度等對地層擾動和土體流失的影響，應(yīng)制定合理的工藝流程以從根本上減少突涌治理的盲目性。

2 突涌治理新工藝

2.1 工藝流程

上海地區(qū)深基坑工程通常采用地下連續(xù)墻加支撐梁的支撐圍護(hù)體系，基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻所承受的荷載處于動態(tài)變化之中，接頭處往往是地下連續(xù)墻的薄弱環(huán)節(jié)，而處于粉土和細(xì)砂層的接頭更是容易產(chǎn)生缺陷并發(fā)生突涌的位置。為此，本文提出了深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷承壓水突涌治理新工藝，具體工藝流程如下：

1）依據(jù)坑內(nèi)突涌水中的土體流失量，判斷坑外地層中因土體流失所形成的空洞范圍及其增大的速度。根據(jù)突涌的單位時(shí)間流量、持續(xù)時(shí)間和單位體積土顆粒含量，估算土體流失的體積，結(jié)合水文地質(zhì)條件，判斷坑外地層中的空洞范圍及其擴(kuò)大的速度。

2）計(jì)算空洞范圍外初始地層中承壓水的滲流速度和水力梯度。根據(jù)突涌水單位時(shí)間內(nèi)的流量和水文地質(zhì)條件，判斷空洞范圍外部土體中承壓水的滲流速度和水力梯度。

3）計(jì)算化學(xué)注漿的固結(jié)范圍及其增大速度。根據(jù)初始地層承壓水的滲流速度、單注漿孔中的注漿范圍、注漿速度、漿液凝固時(shí)間等，判斷單注漿孔的固結(jié)范圍及其增大的速度。

4）以形成封閉的不透水固結(jié)層為前提，比較單注漿孔控制區(qū)域內(nèi)空洞范圍增長速度和固結(jié)范圍增長速度，判斷化學(xué)注漿對空洞范圍的影響。根據(jù)注漿壓力和膨脹壓力、凝固時(shí)間、注漿速度等參數(shù)，以及初始狀態(tài)土體中的水力梯度，估算注漿壓力、漿液的擴(kuò)散距離及二次壓力對空洞周圍地層的擾動程度。

5）根據(jù)化學(xué)注漿對空洞范圍的影響，制定封堵方案。選擇封堵方案時(shí)應(yīng)依據(jù)以下2個(gè)判斷條件：首先，化學(xué)注漿的注漿壓力或膨脹壓力未加劇空洞范圍及其增速的擴(kuò)大；其次，單注漿孔控制區(qū)域內(nèi)，漿液固結(jié)范圍的增大速度應(yīng)大于空洞范圍的增大速度。滿足以上2個(gè)判斷條件的，采用第6步的封堵方案；反之，則采用第7步的封堵方案。

6）根據(jù)突涌點(diǎn)位置、注漿對空洞的影響、空洞范圍及其增速、漿液固結(jié)范圍及其增速，確定注漿孔位置及數(shù)量，成孔后泵送注漿封堵。

7）根據(jù)突涌點(diǎn)位置，在坑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷處實(shí)施兩步封堵措施，具體方法如下：第1步，突涌點(diǎn)封堵。從坑外地面鉆出操作孔和灌砂孔，操作孔緊鄰?fù)挥奎c(diǎn)，灌砂孔數(shù)量和位置根據(jù)空洞范圍以便于灌砂為準(zhǔn)進(jìn)行確定。先通過操作孔塞入柔性布狀封堵材料，如棉布等，柔性布狀材料在水流壓力作用下堵塞突涌點(diǎn)，過濾土顆粒；坑內(nèi)涌水速度明顯降低后，通過灌砂孔持續(xù)灌入細(xì)砂和黏土球，填充土體流失留下的空洞。第2步，水流通道封堵。根據(jù)注漿對空洞的影響、空洞范圍及其增速、漿液固結(jié)范圍及其增速，確定注漿孔位置及數(shù)量，成孔后泵送注漿至封堵止水成功，并對操作孔和灌砂孔封孔。

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理新工藝流程如圖1所示。

圖1 突涌治理新工藝流程

2.2 新工藝優(yōu)點(diǎn)

1）理論分析邏輯清晰。通過分析突涌水中的土體流失量，計(jì)算坑外突涌所形成的空洞體積及其增長速度、空洞外圍初始地層中的滲流速度和水力梯度；依據(jù)滲流速度和單注漿孔的固結(jié)范圍及其增長速度，判斷注漿對空洞范圍的合圍速度；依據(jù)注漿壓力或二次壓力，判斷注漿對空洞及地層的影響。最后，根據(jù)不同的影響采取相應(yīng)的注漿封堵措施，較大程度上減少了制定封堵措施時(shí)的盲目性。

2）兩步封堵措施目標(biāo)明確。柔性布狀材料用于突涌點(diǎn)封堵，充分利用了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐，能夠迅速降低突涌的流速和流量，相對于坑內(nèi)堆載或坑內(nèi)回灌，具有治理目標(biāo)明確、實(shí)施規(guī)模小、見效快等優(yōu)點(diǎn)；灌注砂和黏土球用于減少空洞體積，補(bǔ)充土體流失，有利于降低突涌對深基坑周邊環(huán)境的影響，減少漿液的消耗量；注漿用于水流通道封堵止水。

3 突涌治理新工藝與常規(guī)工藝比較

3.1 常規(guī)工藝

總結(jié)上海市深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理常規(guī)工藝流程如圖2所示。

圖2 突涌治理常規(guī)工藝流程

突涌治理常規(guī)工藝的具體步驟如下：

1）根據(jù)突涌的規(guī)模狀況及相應(yīng)的治理經(jīng)驗(yàn)，確定注漿孔的位置和數(shù)量，然后鉆孔至封堵地層，持續(xù)泵送注入聚氨酯等化學(xué)漿液。

2）持續(xù)注漿條件下，如果坑內(nèi)突涌流速和流量明顯減少，則表明封堵工藝及措施合理，應(yīng)維持注漿現(xiàn)狀直至封堵成功。

3）持續(xù)注漿條件下，如果坑內(nèi)突涌流速和流量維持不變或逐漸變大，同時(shí)出現(xiàn)初凝漿液隨水流流出，則表明封堵工藝及措施不合理，此時(shí)僅保持注漿已不能成功止水。為降低突涌的流速流量，再采取坑內(nèi)圍堰堆載甚至回灌等措施，同時(shí)保持注漿，直至封堵成功。

3.2 新工藝與常規(guī)工藝比較

1）在事前量化評估環(huán)節(jié)，突涌治理新工藝較常規(guī)工藝更充分和合理。常規(guī)工藝確定注漿孔位置及數(shù)量時(shí)，雖然考慮了突涌所形成的空洞范圍、漿液滲流速度、固結(jié)范圍等因素，但缺少系統(tǒng)性的考慮，不能對影響因素的綜合作用進(jìn)行量化評估，存在加劇土體流失、促進(jìn)突涌不良發(fā)育的隱患。新工藝充分考慮了空洞范圍及增長速度、滲流速度和水力梯度、固結(jié)范圍及增長速度，量化評估了化學(xué)注漿和滲流對地層和空洞范圍的擾動影響，依據(jù)不同的影響程度，進(jìn)而采取不同的封堵措施，很大程度上避免了突涌治理的盲目性和過度依靠經(jīng)驗(yàn)。

2）在大流量高流速突涌封堵環(huán)節(jié)，突涌治理新工藝較常規(guī)工藝層次更清晰、目標(biāo)更明確。常規(guī)工藝采用先行注漿的方式，效果不達(dá)預(yù)期后，再在坑內(nèi)圍堰堆載或回灌。該方法存在如下幾點(diǎn)不足：首先，漿液流出間接說明注漿已影響到空洞范圍，加劇了突涌不良發(fā)育，增加了后續(xù)治理措施的難度。其次，施工現(xiàn)場狹小，并非每個(gè)項(xiàng)目都能足量配備圍堰材料；坑內(nèi)回灌成本高，且困難在于要有水可灌。最后，漿液消耗過多，治理成本高。而新工藝采取先直接封堵突涌點(diǎn)、其次灌入砂和黏土球、后封堵水流通道的方法，具有直接降低突涌規(guī)模、濾下土體顆粒、填充空洞體積、減少漿液消耗量等多項(xiàng)優(yōu)勢。

4 結(jié)語

化學(xué)注漿已是解決巖土問題的重要技術(shù)之一，但由于注漿與土質(zhì)地層的相互影響不同于巖質(zhì)地層，故在諸如上海地區(qū)的土質(zhì)地層中用于深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理時(shí)，還需要在理論和工藝等方面進(jìn)行更深層次的研究。

本文充分考慮了突涌所形成的空洞范圍及其增大的速度、單注漿孔固結(jié)范圍及其增大的速度、注漿及水力梯度對空洞范圍的影響等諸多因素，提出了兩項(xiàng)判斷條件，并依據(jù)判斷條件所得結(jié)果相應(yīng)采取不同的封堵措施，最終形成了深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺陷突涌治理的新工藝。通過比較，該工藝較常規(guī)工藝具有理論依據(jù)充分、量化評估準(zhǔn)確、封堵措施層次清晰等優(yōu)點(diǎn)。