止水帷幕注漿工藝在地鐵區(qū)間泵房施工中的應(yīng)用

丁海明 尹 偉 油新華

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044;2.北京建工集團直屬工程部 北京 100028;3.中建市政建設(shè)有限公司 北京 100161)

地下工程采用礦山法施工均要求在無水條件下作業(yè)，當(dāng)擬施結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高位于地下水位以下時需采取處理措施，常規(guī)措施有管井降水和冷凍法。管井降水，地表需具備設(shè)置降水井及降水井施工的作業(yè)條件，同時地下水的抽排不利于地下水資源的保護，目前已有城市開始嚴(yán)格限制降水施工;冷凍法工藝復(fù)雜，投入的設(shè)備多，能源消耗大，施工周期長。而采用止水帷幕注漿工藝進行地下水處理，施工工藝簡單，無需抽排地下水，同時通過科學(xué)、合理的漿液配合比設(shè)計，施工對地下水基本無污染，既保證了結(jié)構(gòu)施工的無水作業(yè)條件，又有利于地下水資源的保護。筆者以北京地鐵4號線區(qū)間泵房施工為例，介紹了止水帷幕注漿設(shè)計與施工，可供類似工程參考。

1 工程概況

北京地鐵4號線角門北路站—北京南站區(qū)間在右線里程K2+972處設(shè)置泵房，泵房結(jié)構(gòu)包括泵房間和廢水池兩層結(jié)構(gòu)，采用礦山法施工。泵房處地表為萬芳亭公園會議室、燃氣調(diào)壓站等永久建筑物，泵房平面見圖1。

擬建場區(qū)地形起伏不大，土層以第四紀(jì)沖、洪積土層為主。按照沉積年代、成因類型及巖性，場區(qū)地層自上而下依次為粉土填土①層、粉土②層、粉細砂②3層、中粗砂②4層、圓礫②5層、中粗砂⑤1層、圓礫⑤層、粉土⑥2層、中粗砂⑦2層、卵石⑦層。泵房結(jié)構(gòu)位于卵石⑦層，場區(qū)地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 泵房平面位置

圖2 地質(zhì)剖面

在42 m勘察深度范圍內(nèi)實際量測到2層地下水，第1層為上層滯水，第2層為層間潛水，在整個區(qū)間線路穩(wěn)定分布，各層水具體情況如表1所示。

表1 地下水狀況一覽

泵房采用礦山法施工，原設(shè)計泵房結(jié)構(gòu)施工前采取地面管井降水措施。因降水施工場地位于萬方亭公園內(nèi)，占地、地上物拆遷、樹木伐移等補償費用較高。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對泵房施工區(qū)域?qū)嵤┒毓車娚渥{止水帷幕工藝處理，代替原設(shè)計地面管井降水，利用帷幕將水體隔離于結(jié)構(gòu)之外，保證礦山法施工的無水作業(yè)條件。

2 止水帷幕注漿設(shè)計

2.1 注漿止水帷幕作用原理

噴射注漿通過高壓噴射流對土體的破壞作用，使注漿漿液在噴射流作用范圍內(nèi)擴散、充填和置換，并與土體顆粒摻混攪拌形成凝結(jié)體。通過選擇適當(dāng)?shù)臐{液材料、合理的配合比設(shè)計，可以使凝結(jié)體的滲透系數(shù)小于1×10－6cm/s，并具有良好的防滲性能和較高的強度，從而在注漿區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑一道能切斷滲流的連續(xù)止水帷幕，并能夠抵抗一定高度的地下水頭壓力。同時，通過控制注漿角度和深度，在需處理的區(qū)域底部形成水平隔水底板，并能夠承受一定的水頭壓力，與周邊的止水帷幕緊密連接，形成封閉的箱型隔水體系，保證無水作業(yè)條件。

2.2 注漿孔位布置

將注漿處理區(qū)域劃分為底板位置垂直注漿處理區(qū)域(形成底板止水帷幕，即隔水底板)和側(cè)壁斜向注漿處理區(qū)域(形成側(cè)壁止水帷幕)。根據(jù)泵房結(jié)構(gòu)的設(shè)計情況及現(xiàn)場施工條件，底板止水帷幕注漿孔采取垂直布置，側(cè)壁止水帷幕注漿孔采取輻射式布置。因注漿止水帷幕對于周圍形成不透水的地層，隔絕地下水體，帷幕注漿體將承受一定的水頭壓力，因此側(cè)壁與底板注漿均要達到一定的厚度。注漿孔位布置如下:

1)垂直注漿處理區(qū)域。在泵房底板(廢水池頂板)的標(biāo)高位置布設(shè)垂直注漿孔，鉆孔孔徑φ42，間距1.0 m ×1.0 m，梅花狀排布注漿孔，孔深約 9.4 m，確保底板注漿體厚度達5.0 m。從上而下全程壓力注漿形成廢水池的隔水底板，注漿孔位32根。

2)側(cè)壁斜向注漿處理區(qū)域。在泵房底板(廢水池頂板)標(biāo)高腳部布設(shè)斜孔1排，孔深5.0～12.0 m。每個孔內(nèi)按照一定的傾角斜向注漿，鉆孔孔徑φ42，間距1.0 m×1.0 m，從上而下進行全程壓力注漿形成廢水池的隔水帷幕，注漿孔位24根，注漿孔位布置如圖3所示。

圖3 注漿孔孔位布置

2.3 漿液配比設(shè)計

1)止水帷幕施工采用二重管高壓噴射注漿工藝。

2)根據(jù)地勘資料，泵房廢水池位于砂卵石地層，滲透系數(shù)大，地下水具有一定的流動性。為確保注漿止水效果，采用化學(xué)雙液漿。具體材料配合比以以下兩種配合比方案為基礎(chǔ)。

(1)配合比一:適用于洪積砂層、改良前縫隙大的松散沖積砂層與砂礫層，漿液凝固時間控制在0～30 s，如表2所示。

表2 配合比一 %

(2)配合比二:適用于松散沖積砂復(fù)合層(高強型)，漿液凝固時間控制在 30～60 s，如表 3所示。

表3 配合比二 %

在注漿初始階段，為防止?jié){液隨地下水的流動而流失，漿液選用配合比一，后期采用配合比二，以提高注漿體的強度及抗?jié)B性。

2.4 止水帷幕驗算

為確保廢水池在無水條件下施工安全，對止水帷幕設(shè)計采用Plaxis 8.2軟件進行數(shù)值模擬驗算。

1)驗算基本假設(shè)條件:一是泵房與廢水池圍巖受力及變形視為彈塑性平面應(yīng)變問題;二是屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則;三是圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性材料模擬和三角形單元劃分，泵房與廢水池的初期支護結(jié)構(gòu)采用桿單元和線彈性材料模擬;四是把止水帷幕注漿體視作一增強土體。

2)計算參數(shù)見表4。

3)有限元計算模型見圖4。

表4 計算參數(shù)

4)計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，廢水池開挖施工過程中，初期支護結(jié)構(gòu)側(cè)墻底部水平位移最大，為2.54 mm(見圖 5);豎向最大位移為 1.38 mm(見圖6)，均小于允許位移控制值。計算結(jié)果表明，該止水帷幕設(shè)計方案可行。

圖4 有限元計算模型

圖5 水平位移

圖6 豎向位移

3 止水帷幕注漿施工

3.1 鉆孔

采用TXU-75A型鉆機雙管單動回轉(zhuǎn)鉆機進行鉆孔。鉆機就位后，鉆頭對準(zhǔn)孔位，同時鉆機平面應(yīng)調(diào)放平穩(wěn)、水平，鉆孔應(yīng)與施放孔位一致。鉆進時鉆桿應(yīng)保持垂直，與設(shè)計偏差不應(yīng)大于1.5%，并應(yīng)準(zhǔn)確地鉆到設(shè)計要求的地層和設(shè)計深度。成孔后對孔深、孔位進行驗收。

3.2 注漿

開始注漿時，根據(jù)地層情況采用小壓力慢速注漿。注漿時嚴(yán)格控制回抽幅度，每步不大于20 cm，勻速回抽，注意鉆機參數(shù)變化。

4 注漿實施效果

注漿施工完成后，對注漿處理區(qū)域的注漿體鉆孔取芯檢測結(jié)果表明，注漿體止水效果良好。注漿體無側(cè)限抗壓強度達到0.5 ～1.0 MPa，滲透系數(shù)達到 10－7cm/s，滿足廢水池?zé)o水作業(yè)條件。在廢水池開挖過程中，周邊及底板均無滲漏情況發(fā)生，初期支護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降均滿足施工要求，表明止水帷幕注漿工藝是成功的。

5 結(jié)論

二重管高壓噴射注漿以高壓噴射流直接破壞并加固土體，適用于多種地層，注漿體質(zhì)量改良效果明顯，抗壓強度提高，滲透系數(shù)大大減小;止水帷幕注漿工藝在本工程中既起到了止水作用，又加固了土體，保證了在地下水位較高環(huán)境下的無水作業(yè)條件。止水帷幕注漿工藝相對于冷凍法，具有施工工藝設(shè)備簡單、操作空間小、現(xiàn)場管理方便、施工周期短、漿液無污染等優(yōu)點。該工藝在本工程中的成功應(yīng)用，在不具備降水施工的條件下，為地下水的處理提供了一種新的方法，同時也有利于地下水資源的保護。

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