深基坑防水工程的注漿加固設計與施工

戴傳英

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

隨著城市建設的迅猛發(fā)展,地鐵、輕軌的興起,地下建筑大幅增加,特別在深厚層第四系地層覆蓋的城區(qū),明挖的深基坑受地下水的威脅,不僅坑壁不穩(wěn)定,基礎無法施工,一旦發(fā)生基底涌砂、潰決,即可能產生基坑垮塌,甚至造成周邊環(huán)境、建筑嚴重破壞的危險。

受城市環(huán)境的局限,基坑防水多采用地下連續(xù)墻、抽水降深和注漿加固等方案。通過在長江一級階地的武漢市漢口鬧市區(qū)的工程實踐,注漿加固無疑是安全、經濟、合理的施工方案?；仡櫄v經的各實施項目,初步總結以下設計思路和施工方法,以供業(yè)界參考。

1 注漿加固的工藝基本原理

注漿加固(即灌漿法或壓力注漿)工藝是用氣壓、液壓或電化學原理,把某些能固化的漿液注入各種巖土體的裂隙或孔隙,以改善地基的物理力學性質,以期達到地基或圍巖的加固、防滲、堵漏的目的。

2 深基坑注漿加固設計

2.1 深基坑基底隔水頂板穩(wěn)定性評價

深基坑施工開挖隨深度增加,隔水頂板逐漸變薄,在承壓水頭作用下,頂板穩(wěn)定性越來越差,直至沖潰基坑底部,造成施工無法進行,周邊環(huán)境惡化。為避免上述災害地質和環(huán)境問題發(fā)生,根據勘察獲取不同土層的物理力學和承壓水的相關參數,擬定預注漿加固方案。確保隔水頂板的厚度,可維持基底穩(wěn)定狀態(tài)和水環(huán)境的原始狀態(tài)。

2.1.1 評價基底穩(wěn)定的計算

檢算不透水層基底穩(wěn)定厚度,采用水頭壓力平衡式進行計算(圖1)。

圖1 基坑下水位示意

當滿足下列條件,基底處于穩(wěn)定狀態(tài),其基本式為

式中 H0——基底開挖后不透水層厚度,m;

γ——土的重度,kN/m3;

γ0——水的重度 ,kN/m3;

h——承壓水頭高于含水層頂板的高度,m。

當土的天然重度 γ=18～20 kN/m3時,不透水層厚度計算結果評價:

(1)H0=(γ0/γ)·h處于極限平衡狀態(tài),即 H0=(0.5～0.56)h;

(2)H0＞(γ0/γ)·h基底處于穩(wěn)定狀態(tài),即 H0＞(0.5～0.56)h;

(3)H0＜(γ0/γ)·h基底處于不穩(wěn)定狀態(tài),即 H0＜(0.5～0.56)h。

2.1.2 不穩(wěn)定基底的加固厚度

基底隔水頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài),隔水層頂板及其以下一定注漿加固厚度的計算(圖2)

圖2 注漿加固厚度示意

注漿加固處理總厚度 H1應為基底至加固底部的高度,即基坑開挖后殘余隔水層厚度 H0與隔水層底板以下加固厚度 b的總和。

即:H1=H0+b

當含水層沒有固定的隔水頂板,基底加固厚度 H1應維持不少于 H0+b。

2.2 基坑側壁垂直帷幕的計算

注漿垂直帷幕往往與其他基坑側壁防護措施(如防護樁、支撐樁、旋噴樁、深層攪拌樁等)結合使用,基坑側壁注漿與周邊其他工程防護可視為同類“灰土混合軟巖體”。

2.2.1 注漿垂直帷幕厚度的計算

注漿垂直厚度參考式(4)計算

式中 T——帷幕厚度,m;

ΔH——帷幕前后的水頭差;

I0——帷幕的水力坡降,一般取值 10～25(相對于土層取 10)。

2.2.2 垂直帷幕的深度

對于重要工程的基坑采取帷幕注漿時,側壁加固深度除應滿足基底加固高程外,還應滿足插入深基坑底以下不少于 5 m的要求。

2.3 注漿的設計原則

2.3.1 注漿孔的布置

注漿孔的布置主要依據漿液在相應土層的擴散半徑確定,結合已施工的工程樁調整。

(1)注漿孔排列形式可按梅花形交錯布置,特殊情況可按正方形布置。

(2)注漿孔孔距可參照有效擴散半徑或加固半徑進行設計。

帷幕注漿孔孔距宜為漿液擴散半徑 1.4～1.6倍,排距應小于或等于注漿孔的孔距。

一般情況下,砂性土層滲透注漿孔距 0.8～1.2 m;黏性土層劈裂注漿孔間距 1.0～2.0 m。注漿地層較復雜時,孔距選擇較小的有效擴散半徑參數進行設計。

2.3.2 注漿孔的深度

(1)基底注漿水平帷幕深度,應按水頭壓力平衡穩(wěn)定性計算作為孔深設計的依據。

(2)基坑側壁垂直帷幕注漿應大于基坑深度,并直至基底水平帷幕注漿加固深度或以下。

2.4 注漿量計算

注漿量計算有:①注漿體總量計算法;②單位土體注漿量計算法;③經驗系數計算法;④單孔注漿計算法等多種,本文介紹前 3種。

2.4.1 注漿體總量計算法

式中 Q——注漿土體總注漿量,m3;

V——注漿土體總體積,m3(圖3);

n——孔隙率;

α——漿液損失系數,取 1.15～1.30(注漿面積小時取大值);

β——漿液充填系數,取 0.3～1.0。

圖3 注漿土體示意

2.4.2 單位土體注漿量

式中 Q——注漿土體總注漿量,m3;

α——漿液損失系數,取 1.1～1.2;

q——單位土體總注漿量,m3/m3;

V——總注漿土體,m3。

在注漿土體確定之后,單位土體注漿量按表1取值進行計算。

表1 每 m3土體需水泥漿量 L

2.4.3 經驗系數計算

式中 Q——漿液總量,m3;

V——總注漿土體,m3;

n——孔隙率;

k——經驗系數,取值見表2。

表2 經驗系數

一般情況下,黏性土地基中漿液注放量為注漿土體的 15%～20%,對孔隙率大的軟土,漿液注入量應適當增大。

3 深基坑防水注漿施工

3.1 注漿方法及施工機械

對細顆粒地層一般采用打入法施工,而粗顆粒難以打入,宜使用旋轉鉆機泥漿護壁成孔的袖閥管法施工,本文僅簡單介紹打入管法施工。

(1)打入管法的機械設備

機械設備主要有:振動設備、導向架、振動錘、移動軌道。1994年鐵四院結合第四系地層深基坑壓力注漿特點,自行開發(fā)研制了 ZDJ-1、ZDJ-2型振動沉管機。

注漿設備有:注漿泵、制漿儲備設備。可配置定型產品。

(2)注漿管路直徑

注漿管一般直徑較小,φ=25～42 mm。

(3)打入管的花管結構

打入管的前端有 1 m長的注漿花管,花管上有 3排直徑為 3～4 mm的孔眼,外套橡皮圈,花管頂端為錐頭(圖4)。

圖4 注漿花管結構(以 φ42mm為例)(單位:mm)

3.2 注漿材料及配比

(1)材料

水泥:采用強度等級 P.O 32.5級以上普通硅酸鹽水泥。

水玻璃 :35 ～ 40 Be′,模數 2.4 ～ 3.4。

(2)漿液配比

①水灰比:0.6∶1～2.5∶1,一般取 0.8∶1～1∶1。

②由于注漿管較細,為防止管路堵塞,常單管采用單液注漿。水泥漿液與水玻璃液間隔交替使用。

③當需要雙液注漿時,可直接在水泥漿液中摻入2%～5%的水玻璃,在膠凝之前注漿完畢。

3.3 注漿壓力

式中 γ——土的天然重度;

h——注漿深度。

根據經驗,一般每延米深度的壓力為 20～50k Pa,最大注漿壓力可取土體自重壓力的 2倍。但土層注漿管細,孔壁黏滯系數及摩阻力大,所以孔口壓力表顯示增大。施工前應進行注漿壓力調試,一般注漿壓力可達 1～4 MPa。

3.4 注漿工作流程

注漿工作流程:平整場地輔軌排→架設沉管機→接輸漿管→沉管至注漿段→開泵注漿→再沉拔管至注漿段→全孔注漿完畢→移動至新孔。

3.5 注漿工藝及結束標準

3.5.1 注漿工藝及方法

(1)打入孔注漿本著“先外后內,先邊緣后中心”的施工順序,同時堅持隔排跳孔施工。

(2)打入孔注漿根據需要和地質條件可從上至下或從下至上,一般為從上至下注漿。

(3)分段注漿長度為 1 m,誤差不宜超過 10%,即10 cm。

3.5.2 注漿結束標準

注漿施工每延米注漿段平均進漿速度 10～20 L/min,注漿達到如下標準之一時,即可結束注漿(以注漿管路 φ=32～35mm為例)。

(1)當泵壓已達 4 MPa,而吸漿量≤1.0 L/min時;

(2)注漿量控制標準,每延米注漿達到設計要求;

(3)注漿過程中發(fā)現冒漿應立即暫停注漿,并對冒漿點進行封堵后,繼續(xù)注漿。所采取方法可以減少壓力或加稠漿液,以至采用雙液控制。當采取上述措施冒漿仍然不止時,可以停止注漿,但相鄰孔應實施“補償”措施。

3.6 注漿工程質量檢查

注漿是一種隱蔽工程,質量檢查宜采用下列方法進行。

(1)根據施工資料成果分析。

(2)原位測試(靜力觸探、動力觸探)成果比較,注漿前后觸探(或十字板剪切)的力學指標比較。

(3)標貫法:注漿前后分別鉆探,用實測標貫值比較。

(4)物探成果的比較:利用電法、面波檢查注漿前后曲線變化。

(5)鉆孔驗證。

利用鉆孔注水試驗(壓水試驗)對比注漿前后單位長度吸水量。

工程鉆孔取芯檢查,比較注漿前后土層的物理及力學指標。

3.7 工程實例

武漢市漢口地區(qū)地貌屬于長江沖積一級階地。地面高程一般為 24～25m。地層由上至下,一般為:①雜填土,厚 1～3 m不等;②黏土,可塑,厚 3～5 m;③粉土(含水層)夾粉質黏土,可塑,厚 2～6 m;④粉砂,稍密 ～中密,飽和,厚度大于 8 m。以下由細漸粗,為中粗砂及砂卵石直至基巖頂面。與長江、漢水連通的承壓含水層多大于30 m,承壓水位一般距地表1.3～1.5m。

位于臨江商業(yè)中心的江漢路中心百貨商店二期擴建工程(原稱:中百商貿城),主樓為 24層,其下為兩層地下室,基坑深距地面 -6.1～-9.7 m,面積 2 920 m2。承壓水頂板平均高程 23.25 m,基底穩(wěn)定評價基坑封底厚度 8.0 m,距最低高程為 4.35 m。原設計比選了地下連續(xù)墻和抽水降深方案,終因水文地質條件復雜,周邊“年逾古稀”的老建筑密集,各種地下管線錯綜復雜,由此開發(fā)應用了注漿加固方案。

施工前根據試驗孔的水泥漿影響半徑 0.5～1.0 m,水玻璃影響半徑 1.1～1.6m,設計水泥注漿孔(排)距采用 0.7～1.0 m,水玻璃孔 (排 )距 2.1～3.0m。施工控制為前述的各項控制要求和標準。注漿后地下施工異常順利,大面積開挖后基本干燥無水;設置基坑外的觀測井水位卻隨氣候條件和長江水位有規(guī)律變化。距基坑 1.5 m的中心百貨商店照常營業(yè),無任何沉降、位移。

在武漢市金源世界中心、建華大廈、武漢數碼港、新世紀大酒店、省郵電綜合大樓、君安大廈、絲寶大廈等十余項工程實踐,均確保了既有建筑安全和周邊環(huán)境無干擾,開挖后不僅基坑無水,明挖順利,而且基坑可采用整體支護;同時增強了地下建筑的防潮作用。

4 結語

在城市建設中高層建筑與地下工程爭空間日益激烈,基坑工程頻繁出現。實踐表明:在交通和基礎設施密集、地下水電管網交錯或新老建筑制約的復雜環(huán)境下,采用注漿加固則是“安全可靠、技術先進、切實可行、經濟合理”的施工方案。并已在治理地下水豐富的路基塌陷和涵洞施工中推廣應用。

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