新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制分析

謝 波，邵金鵬，高 波，唐 波

(1.南京市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇南京 210015;2.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210015;3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

注漿法是將材料按一定配比配制成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴散、膠凝或固化，以達(dá)到加固地層或防滲堵漏的目的。經(jīng)過2個多世紀(jì)的理論研究和工程實踐，注漿法已廣泛應(yīng)用于各類不良地質(zhì)災(zāi)害治理，解決了諸如地層沉陷、隧道突涌水及豎井圍壓加固等問題，并避免了疏排水引起的生態(tài)環(huán)境破壞［1－4］。

針對富水破碎帶注漿加固治理問題，國內(nèi)外很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究，很多學(xué)者從破碎地層的工程性質(zhì)、治理注漿工藝及流體力學(xué)特性方面展開了研究，同時對破碎巖體注漿加固機制也進(jìn)行了深入的理論分析并取得了重要的成果［5－7］。目前，國內(nèi)所做的研究中:楊樹才等［8］基于注漿材料加固強度、初凝時間及流動度研究了高水位軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層注漿改良問題。劉泉聲等［9］等研究了斷層破碎帶深部區(qū)域地表預(yù)注漿加固問題，相關(guān)措施提高了巖體的自身承載能力及抗變形能力。綜合分析前人的研究成果，基于水泥基速凝類注漿材料的富水破碎帶注漿加固機制的研究較少，同時關(guān)于類似地層的注漿工程實踐也較少。

本文在系統(tǒng)分析工程水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用COMSOL聯(lián)合仿真基坑中的滲流狀態(tài)，模擬水泥基速凝漿液對富水破碎帶的注漿加固，并基于此進(jìn)行注漿工程應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵3號線TA05標(biāo)上元門車站距離長江約400 m，區(qū)段土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含水砂層發(fā)育，江水與地下水水力聯(lián)系密切，同時車站基坑處于穿經(jīng)長江的F5斷裂分支影響范圍內(nèi)。地質(zhì)勘探資料顯示基坑底板標(biāo)高處地層橫向上有:粉細(xì)砂、軟塑－流塑狀粉質(zhì)黏土及破碎狀中風(fēng)化白云巖。地基均勻性很差，工程巖體具有一定典型性及復(fù)雜性，屬于臨江富水破碎地層?；拥貙又鶢顖D如圖1所示。

上元門車站斷面型式為地下3層側(cè)式，施工方式采用明挖順作法，車站地鐵基坑開挖尺寸為163.5 m ×24.4 m ×24 m(長 × 寬 × 深)，底板埋深為25.0 m，底板標(biāo)高－12.0 m，支護(hù)類型采用地下連續(xù)墻與支護(hù)樁相結(jié)合的方式，設(shè)計深入中風(fēng)化巖2.5 m。

車站基坑開挖至埋深18 m處時，在14軸軸線里程、距西側(cè)地連墻4 m位置出現(xiàn)一股泉眼狀涌水，涌水量約為720 m3/d，水壓約為0.17 MPa。為控制施工風(fēng)險，對涌水點采用堆載反壓進(jìn)行應(yīng)急處理，并停止基坑開挖工作，但基坑內(nèi)仍出現(xiàn)大面積涌水，涌水點超過5處，上元門站100 m范圍內(nèi)全段涌水量超過3 000 m3/d。

1.2 基坑涌水分析

綜合區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件分析認(rèn)為，南京地鐵3號線工程上元門車站處于F5斷層分支影響范圍內(nèi)，斷層破碎帶富水，在基坑底部以下存在厚層含水層。此外巖體基巖面起伏較大，巖溶裂隙發(fā)育，含導(dǎo)水構(gòu)造較發(fā)育。

結(jié)合工程區(qū)域地質(zhì)條件分析認(rèn)為:基坑涌水來源主要包括2部分，即微承壓裂隙水和周邊水平補給，兩者補給來源均包括大氣降水，同時在基坑開挖形成區(qū)域降水漏斗過程中相互補給。

圖1 基坑地層柱狀圖Fig.1 Geological conditions of foundation pit

對基坑采用補充勘探和高密度電法進(jìn)行探測，探明橫穿基坑破碎帶范圍，顯示該區(qū)域溶洞裂隙十分發(fā)育，存在大量過水通道。基于COMSOL軟件建立了基坑開挖滲流模型，得出結(jié)果:隨著基坑開挖上覆地層應(yīng)力逐漸減小，逐步破壞了地下水滲流壓力與地層應(yīng)力的平衡狀態(tài);同時，地下水的滲入弱化了砂土顆粒間的黏聚力及咬合力，形成透水通道引發(fā)基坑涌水?；跈M穿基坑富水?dāng)嗔哑扑閹Ъ皫r溶等不良地質(zhì)影響，如不采取有效的加固治理措施，隨著基坑的開挖勢必會影響到基坑穩(wěn)定和周邊環(huán)境安全。車站高密度測線圖如圖2所示。

圖2 車站高密度測線圖Fig.2 High-density prospecting of the Metro station

2 加固治理及材料特性

2.1 加固治理分析

2.1.1 常規(guī)注漿材料治理過程及存在問題

在基本探明基坑范圍破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)分布的前提下，結(jié)合基坑內(nèi)動水壓力高、流速大，且富水破碎帶范圍內(nèi)第四紀(jì)覆蓋層厚度較薄的實際工況，初步采用水泥－水玻璃雙液漿涌水進(jìn)行注漿治理，但在動水作用下大量漿液被水沖散，坑內(nèi)注漿固結(jié)地層的利用率較低。

鑒于基坑不回填(灌)、無可靠止?jié){措施的情況，很難實現(xiàn)注漿加固效果的均勻性，為增強動水狀態(tài)下的注漿加固效果，亟需一種初凝時間短、動水抗分散性好、結(jié)石強度高以及結(jié)實率高的新型材料。

2.1.2 材料選型

注漿材料根據(jù)可行性、可注性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性及工藝實施難度綜合考慮選擇。目前，國內(nèi)外常用的注漿材料可以分為水泥基漿液(普通水泥漿、超細(xì)水泥漿及特制硫鋁酸鹽水泥等)和非水泥基漿液(改性水玻璃、環(huán)氧樹脂等)。

考慮復(fù)雜地質(zhì)條件下富水破碎帶，注漿材料應(yīng)滿足耐久性和動水耐沖刷的要求，采用山東大學(xué)巖土中心研發(fā)的新型水泥基注漿漿液進(jìn)行試驗。對凝膠時間、凝結(jié)時間、強度及配合比等物理力學(xué)特性進(jìn)行試驗。

2.2 新型速凝材料特性

2.2.1 初終凝時間

注漿材料的初、終凝時間決定了注漿材料的可操作性與可泵性［10］，不同水灰比(W/C)下材料初、終凝時間隨Vc∶Va變化曲線如圖3所示。

圖3 初終凝隨水灰比與體積配比變化曲線Fig.3 Curves of setting time of grout Vs volume ratio between cement grout and accelerator

分析圖3可知:在特定水灰比的條件下，注漿材料的初、終凝時間隨著水泥漿與外加劑體積比的增大而減小，在工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合漿液的輸運距離及設(shè)計注漿范圍選擇合適的注漿材料配比。

2.2.2 結(jié)石強度

結(jié)石強度指注漿材料在發(fā)生凝膠凝固反應(yīng)后，形成的漿液結(jié)石體具有的抗壓、抗剪、抗彎強度等力學(xué)參數(shù)。材料的結(jié)石強度決定了材料對高壓涌水的封堵能力與漿液結(jié)石體的長期穩(wěn)定性。為測試注漿材料的早期強度，對材料的數(shù)小時至28 d內(nèi)單軸抗壓強度增長進(jìn)行了測定。水泥基材料的不同水灰比、不同水泥漿與外加劑體積比(Vc∶Va)、不同齡期，材料的材料強度–齡期曲線如圖4所示。

圖4 GT－1注漿材料不同水灰比的強度－齡期曲線Fig.4 Curves of strength Vs age of GT-1 grout with different water-cement ratios

依據(jù)圖4可知:當(dāng)水灰比為0.8∶1和1∶1時，Vc∶Va=3∶1的28 d齡期強度最大;當(dāng)水灰比1.2∶1時，Vc∶Va=2∶1 和 Vc∶Va=3∶1 的 28 d 齡期強度最大。

2.2.3 結(jié)石率

取試樣漿液200 ml置于密閉容器中，3 h后將存留的水分與未固化漿液移除，測定其結(jié)石率。不同水灰比、不同雙組分比(Vc∶Va)結(jié)石率曲線如圖。

圖5 不同水灰比與不同體積配比的結(jié)石率曲線Fig.5 Curves of consolidation rate Vs volume ratio between cement grout and additives

分析圖5可知:當(dāng)固定水泥漿與外加劑體積比為3∶1時，水灰比為 0.8∶1 的結(jié)石率為 93%，水灰比為1∶1的結(jié)石率為90%，水灰比為1.2∶1的結(jié)石率為88%。

3 基坑數(shù)值模擬

3.1 模型建立

將地質(zhì)模型進(jìn)行簡化，分為上部土層和下部巖層。錄入勘查報告中的數(shù)據(jù)，幾何建模中將溶洞簡化為一系列大小不一的橢球。對勘查報告中溶洞分布和尺寸等信息進(jìn)行統(tǒng)計，計算均值、方差等參數(shù)，按溶洞參數(shù)利用MATLAB中的隨機函數(shù)建立溶洞的幾何模型。上覆土層、下部巖層以及分界面組成的矩形區(qū)域，長98 m，寬28 m，高45 m。溶洞由大小不一的橢球表示。地下連續(xù)墻的厚度為1 m，深度為基巖層下2 m，創(chuàng)建分條的矩形區(qū)域。

計算使用的主要控制方程為牛頓流體的穩(wěn)態(tài)達(dá)西定律、布里克曼方程以及達(dá)西定律與層流流動的聯(lián)合方程。在滲流的數(shù)值計算中，潛水面以及滲出面的確定是關(guān)鍵因素，在本計算中，由于基坑開挖深度較深以及地下連續(xù)墻存在使得潛水面變化對開挖面以下流場分布影響較小，因此假定潛水面為一個平面并忽略潛水面的動態(tài)變化。

滲流有限元計算分析的實質(zhì)就是求解滲流場滿足的偏微分方程式和邊界條件式。COMSOL預(yù)置的Subsurface Flow Module模塊包含了滲流計算中常用基本微分方程和邊界條件［11］:

式中:ρ為流體密度;κ為滲透率;μ為流體黏度;p為壓力;D為位置水頭;Qm為源匯項;ε為孔隙率。

布里克曼方程:

式中:ρ為流體密度;u為流速;κ為滲透率;μ為流體黏度;Qbr為源匯項;εp為孔隙率。

主要計算參數(shù)賦值及計算設(shè)置如下:采用的主要控制方程為達(dá)西定律。在其求解域內(nèi)，水的密度1 000 kg/m3，水的動力黏度1 ×10－3Pa·s，上覆土層滲透率1 ×10－5cm/s，孔隙率0.25，下部巖體滲透率 1 ×10－6cm/s，孔隙率0.15，水頭高度為40 m。在溶洞區(qū)域，采用布里克曼方程或?qū)恿骺刂品匠?，地連墻為相對隔水層。計算過程中取消了巖土層分界面，墻外設(shè)置為定水頭邊界，開挖面設(shè)置為壓力為零。計算流場分布，并繪制三維效果圖，如圖6所示。

圖6 新型材料注漿前基坑地下水滲流示意圖Fig.6 Ground water seepage before grouting

由數(shù)值模擬可知:由于破碎地層的存在，地下水滲流壓力分布不均勻，尤其是破碎區(qū)域，滲壓比周圍明顯增大，極易超過地層的封堵能力，造成突涌水災(zāi)害，必須進(jìn)行相應(yīng)的注漿加固治理，改變地層滲流分布，提高地層封堵能力。

3.2 注漿過程滲流場變化

將水泥基漿液在地層中擴散進(jìn)行簡化［12］，不考慮漿液擴散瞬態(tài)變化對流場的影響，在同一水平面上，漿液按照各向同性擴散，擴散距離視為時間的函數(shù)，漿液界面相對于周圍地層設(shè)為相對不透水邊界。注漿孔分布按實際設(shè)計值進(jìn)行設(shè)定。首先在開挖面內(nèi)布置等間距的注漿孔，再沿45°方向孔間中點處插入新孔。漿液界面初值設(shè)定為直徑為0.1 m的圓。計算中涌水點設(shè)置有2種選擇:將涌水點設(shè)置為半徑較小的圓形區(qū)域。

圖7展示了漿液界面由0.1 m擴散到2 m時的流場變化。其中顏色梯度表示壓力變化，藍(lán)色線條表示流線，白色線條表示等壓線。由圖7可以明顯看到注漿范圍的擴大對流場的影響，在漿液擴散范圍內(nèi)基體的滲透率降低，改變了流線的方向使流線繞行，流線長度增加，流速降低。隨著漿液擴散范圍的增大，在涌水點附近等壓線向四周擴散，壓力梯度降低，流速減小?？拷鼭{液范圍的壓力梯度較大，漿液擴散范圍內(nèi)的等壓線密集，遠(yuǎn)離漿液擴散范圍的等壓線較為稀疏。

圖7 注漿過程滲流示意圖Fig.7 Water seepage during grouting

假定漿液按照柱形擴散，設(shè)置鉆孔深度和擴散半徑，在漿液擴散范圍內(nèi)，設(shè)定基體的滲透率為1×10－10，計算流場分布，并繪制三維效果圖(如圖8所示)。通過對注漿前后基坑滲流進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析可以看到，注漿后，基坑的滲流明顯降低，地下水滲流壓力基本平均，降低突涌水發(fā)生的可能性。

圖8 新型材料注漿后基坑地下水滲流示意圖Fig.8 Water seepage after grouting

選取溶洞上方的M點為研究對象，得到了該點滲流壓力隨注漿時間的變化曲線，如圖9所示。

圖9 注漿過程M點滲壓變化圖Fig.9 Seepage pressure at point M during grouting

分析圖9可知，滲壓分為3個階段:1)開始注漿，漿液量進(jìn)入溶洞較少，滲壓變化緩慢;2)隨著漿液的大量進(jìn)入，溶洞破碎帶逐漸被充填，滲壓迅速下降;3)溶洞被充填，漿液進(jìn)入速度減慢直至停止注漿，滲壓變化緩慢，基本趨向穩(wěn)定。

4 工程應(yīng)用

4.1 注漿設(shè)計

基于上述COMSOL數(shù)值模擬及涌水加固分析，在富水破碎帶區(qū)域采取小間距鉆孔設(shè)計，鉆孔分為4序次設(shè)計施工:第1序次鉆孔用于驗證水文地質(zhì)分析和注漿;第2序次鉆孔用于檢查注漿效果和補充注漿;第3序次鉆孔用于關(guān)鍵涌水點封堵注漿;第4序次鉆孔為最終檢驗鉆孔。其中1序布孔106個，2序布孔56個，3序布孔58個，檢查鉆孔7個。第1序次鉆孔間距為3 m梅花形布置，由于施工場地的限制，鉆孔間距可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)1序鉆孔的布置點位將2，3序鉆孔內(nèi)插布置，注漿孔的最終間距為1.5 m。鉆孔開孔直徑φ108 mm，鉆孔深度確定為底板下7 m。

4.2 工藝參數(shù)及方案實施

4.2.1 注漿參數(shù)

1)擴散半徑類比選擇。根據(jù)工程經(jīng)驗及工程類比，上斷面周邊注漿擴散半徑為2 m。

2)注漿壓力的確定。注漿壓力是漿液在地層裂隙中擴散、充填、壓實脫水的動能，是注漿設(shè)計和施工中的主要注漿參數(shù)之一，對提高注漿質(zhì)量和保證注漿效果起到較大的作用。以水壓為依據(jù)的經(jīng)驗公式，主要目的在于堵水，適用于深埋地層，注漿時不受覆蓋層厚度限制，不考慮地層隆起?？紤]到超前預(yù)注漿的目的主要是堵水和加固，同時防止?jié){液擊穿覆蓋層，因此以靜力平衡和裂隙寬度作為壓力初步確定選擇的依據(jù)，根據(jù)靜力平衡條件計算壓力為1.2 MPa，由裂隙寬度確定的注漿壓力應(yīng)在1.4 MPa以上。綜合2種方法確定注漿壓力為1.5～2 MPa。

4.2.2 注漿工藝

注漿工藝主要有分段前進(jìn)式注漿和全孔一次性注漿。

分段前進(jìn)式注漿優(yōu)點:工藝比較簡單，適應(yīng)性強，反復(fù)加固地層，易保證注漿效果。缺點:重復(fù)掃孔，施工效率較低，靠近掌子面方向重復(fù)注漿。

全孔一次性注漿具有工藝簡單，效率高等優(yōu)點，適合于孔深較小的孔內(nèi)注漿。

南京上元門車站由于鉆孔較淺，工期緊急，采用全孔一次性注漿技術(shù)。

4.2.3 注漿量

現(xiàn)場采用模袋注漿管封固工藝［13］，注漿材料采用新型速凝注漿材料GT－1，綜合考慮初凝時間、結(jié)石強度以及結(jié)實率等因素，確定水泥漿液水灰體積比為1∶1，水泥漿液與GT－1配比為3∶1。1序孔施工結(jié)束后，根據(jù)涌水及檢查孔情況施工2序鉆孔以及3序孔。注漿孔壓力達(dá)到1 MPa、地層開始隆起或吸漿量小于1 L/min時為單孔注漿停止條件。最終，設(shè)置7個檢驗鉆孔。新型速凝注漿材料消耗478.48 m3。

4.3 注漿效果檢測

4.3.1 地質(zhì)雷達(dá)探測

注漿結(jié)束，利用地質(zhì)雷達(dá)對原富水區(qū)進(jìn)行探測，探測結(jié)果如圖10所示。

依據(jù)圖10可知:地質(zhì)雷達(dá)探測圖信號無突變，探測深度內(nèi)信號較為均勻清晰，表明基坑下部過水通道基本被封堵，土層物理性狀均一，可見注漿明顯改善了基坑土層的物理力學(xué)性質(zhì)。

4.3.2 壓水試驗

常規(guī)壓水試驗采用 0.3 MPa—0.6 MPa—1.0 MPa—0.6 MPa—0.3 MPa 5 個壓力階段進(jìn)行，采用單栓塞止水，每5 m設(shè)置為一個試驗段，進(jìn)行常規(guī)壓水。

注漿結(jié)束，進(jìn)行壓水試驗，根據(jù)巖體透水率計算公式:

式中:Q為試段壓入流量，L/min;p為試驗壓力，MPa;L為試驗長度，m。

通過簡易壓水試驗，對注漿前、后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其中對基坑進(jìn)行簡易壓水試驗，獲得所示的試驗結(jié)果，如表1所示。

4個檢查孔的透水率均小于1.5 Lu，注漿后地層滲透系數(shù)在1.65×10－7m/s左右，與注漿前相比，滲透率減小一個數(shù)量級，巖體透水性由中等透水下降為弱透水，注漿效果明顯。

圖10 地質(zhì)雷達(dá)探測圖Fig.10 Geological radar detecting results

表1 各孔壓水實驗結(jié)果Table 1 Results of packer permeability test of boreholes

4.3.3 現(xiàn)場開挖

注漿治理結(jié)束后，基坑表面已無涌水，現(xiàn)場根據(jù)設(shè)計圖施工補充鉆孔補1至補6，如圖11所示，鉆探取芯為已固結(jié)巖芯，各取芯資料顯示注漿治理效果良好，后期已實現(xiàn)基坑開挖至基底。

由工程應(yīng)用可知，COMSOL數(shù)值分析，計算成果較為合理，說明軟件在工程計算中具有一定的應(yīng)用價值，為后續(xù)注漿方案的設(shè)計提供了依據(jù)。同時，注漿對基坑溶洞的治理效果顯著，在有效封堵溶洞的同時，能顯著提高地層的抗?jié)B性，降低基坑突涌水的可能性。

圖11 補5鉆孔取芯圖Fig.11 Cores

5 結(jié)論與討論

1)GT－1注漿材料滿足可行性、可注性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性，該材料初終凝時間可調(diào)、單軸抗壓強度和結(jié)石率較高。

2)基于COMSOL對注漿前后基坑滲流進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析可以看到，注漿后，基坑的滲流明顯降低，地下水滲流壓力基本平均，降低了突涌水發(fā)生的可能性。

3)對新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制分析，基于物探、水文地質(zhì)分析，根據(jù)新型注漿材料的優(yōu)選，進(jìn)行COMSOL數(shù)值模擬計算設(shè)計方案的設(shè)計思路，通過開挖驗證了該思路的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

4)針對新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制進(jìn)行了宏觀分析，揭示了其加固機制的宏觀表現(xiàn)。對于相應(yīng)的微觀分析有待進(jìn)一步研究，深入研究其加固機制。

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