巖溶富水區(qū)全斷面注漿設(shè)計(jì)

摘要：針對貴陽地鐵2#線延安路站斷層發(fā)育巖溶富水區(qū)基坑開挖后呈現(xiàn)涌水點(diǎn)多、水量大、壓力高、分布不規(guī)則等特點(diǎn)，全站按照“以堵為主，適量排放”的原則對構(gòu)造發(fā)育的巖溶富水區(qū)域進(jìn)行全斷面注漿止水設(shè)計(jì)。文章針對巖溶富水區(qū)全斷面注漿設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：巖溶富水區(qū)；全斷面注漿；注漿設(shè)計(jì)；地鐵工程；基坑開挖 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U453 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0155-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.075

1 工程概況

貴陽地鐵2#線延安路車站處于貴陽向斜北部揚(yáng)起端近軸黔靈山溶蝕殘丘東面和貴陽溶蝕盆地核心地段，屬于貴陽構(gòu)造盆地中心區(qū)，處于噴水池巖溶淺洼地內(nèi)及其邊緣，現(xiàn)狀地面呈北高南低之勢，地面高程為1060.85～1064.15m。延安路車站長189.5m，寬23.9m，為地下三層15m島式站臺(tái)車站，車站兩端接礦山法區(qū)間。施工采用明挖順作工法，基坑最大開挖深度27.4m。擬建場地內(nèi)有一條自師大照壁山沿延安路張扭性斷層（F15，照壁山斷層）通過，該斷層走向?yàn)楸睎|-南西向，在擬建場地內(nèi)變?yōu)榻鼥|西向，在線路里程YDK23+051處與線路成正交。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該斷層為正斷層，工程揭露斷層南北兩盤巖性分別為南盤三疊系中統(tǒng)松子坎組一段（T2sz1）泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r和北盤三疊系安順組下統(tǒng)二段（T1a2）、三段（T1a3）泥質(zhì)白云巖、白云巖。

根據(jù)勘查資料，工作區(qū)及其周邊受巖溶作用發(fā)育大量溶槽、溶洞、溶隙，，在照壁山斷層的作用下，工作區(qū)內(nèi)巖體裂隙發(fā)育并伴隨厚度不等的斷層破碎帶，斷層裂隙及溶洞內(nèi)充填大量巖屑及粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土為黃褐色，根據(jù)位置不同分別呈現(xiàn)軟塑和流塑狀，揭露后易被水壓力推移擾動(dòng)或擊穿，產(chǎn)生新的導(dǎo)水通道。

工作區(qū)內(nèi)地下水豐富，埋深1.8～4.6m，以巖溶裂隙水和基巖裂隙水為主，補(bǔ)給方式主要以大氣降水和泉水自流為主，補(bǔ)給范圍廣，來源豐富，地下水徑流方向總體上由北向南徑流，向地勢較低處及南明河排泄。巖溶通道與斷層特征結(jié)合，導(dǎo)致工作區(qū)內(nèi)涌水呈現(xiàn)無規(guī)律性和突發(fā)性。自2015年12月初以來，隨著基坑開挖深度和范圍的加大，出水點(diǎn)不斷增多，涌水量不斷加大?；幼畲笥克窟_(dá)到12000m3/d，單點(diǎn)最大涌水量達(dá)到8000m3/d，最大涌水壓力達(dá)到130kPa，止水難度大。

2 止水方案的確定

由于工作區(qū)內(nèi)照壁山斷層為張斷層，斷層及相鄰破碎區(qū)域?yàn)轲ね脸涮?，呈軟塑及流塑態(tài)黏土對地下承壓水幾無封堵能力，造成地下水無規(guī)律突涌；根據(jù)現(xiàn)場測定，基坑內(nèi)涌水含泥砂量常為0.2%～3%，最大瞬間含泥砂量大于15%，工作區(qū)周邊建筑林立且多為高層建筑，因此，長時(shí)間涌水將對周邊建筑物地基造成不利影響；經(jīng)過貴陽市城市軌道交通有限公司、設(shè)計(jì)、勘查、施工多方多輪會(huì)商后決定本著“以堵為主，限制排放”的原則，采用全斷面注漿方案對地下水進(jìn)行封堵。

3 全斷面帷幕注漿工藝原理

全斷面帷幕注漿工藝原理如圖1所示：

帷幕注漿是通過工作面鉆孔將不同特定材料按不同比例配置而成的漿液，采用液壓、氣壓或電化學(xué)原理等方法，通過壓送設(shè)備將漿液灌入地層或裂縫內(nèi)，漿液以填充、滲透、壓密及劈裂等方式，驅(qū)趕巖石裂隙中的水、空氣后占據(jù)其空間位置，待漿液膠凝、固化之后，改變原有工程特性提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，形成止水帷幕以達(dá)到堵水的目的。

全斷面帷幕注漿工法由日本于20世紀(jì)70年代結(jié)合青函隧道創(chuàng)建。該工法是對基坑、隧道開挖引起的松動(dòng)圈進(jìn)行注漿加固，在基坑各斷面進(jìn)行止水帷幕注漿形成全斷面止水帷幕，以此來抵外抗水壓力實(shí)現(xiàn)全面止水。

結(jié)合貴陽地鐵2#線延安路車站基坑開挖的工程地質(zhì)特點(diǎn)與該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造等情況，要制定切實(shí)可行、科學(xué)合理的全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)方案，保證堵水效果，必須對注漿材料、注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制和確定。

4 注漿材料的選擇

針對貴陽地鐵2#線延安路站基坑內(nèi)水量大、壓力高、巖層破碎、巖溶發(fā)育等特點(diǎn)，采用了3種不同的漿液，通過綜合調(diào)查對不同特點(diǎn)的區(qū)域采用不同漿液進(jìn)行注漿，以達(dá)到最優(yōu)注漿效果。

4.1 普通水泥單液漿

普通水泥單液漿是指不包括附加劑，僅用普通水泥和水調(diào)制而成的漿液，簡稱C漿。綜合現(xiàn)場注漿驗(yàn)證情況，普通水泥單液漿具有以下特點(diǎn)：（1）資源豐富，價(jià)格低廉；（2）工藝設(shè)備簡單，操作方便，對工人要求低；（3）漿液結(jié)石體強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度大，抗?jié)B性能好；（4）漿液初凝時(shí)間長，抗分散性差，在富水區(qū)易被地下水稀釋和沖走，不易控制；（5）終凝時(shí)間長，強(qiáng)度上升緩慢，注漿完成后不能立即開挖；（6）水泥顆粒粒徑相對較大，難以注入0.2mm以下的裂隙中。

通過在現(xiàn)場進(jìn)行不同漿液配比分組試驗(yàn)，取得了不同配比下的單液漿凝膠時(shí)間（表1）。

4.2 水泥—水玻璃雙液漿

水泥—水玻璃雙液漿亦稱為CS漿液，是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定比例采用雙液方式注入，必要時(shí)加入附加劑所形成的注漿材料。其避免了單液漿凝固時(shí)間長不易控制等缺點(diǎn)，保證了注漿效果，是一種用途廣泛效果良好的注漿材料（表2）。其具有以下特點(diǎn)：（1）通過不同配比調(diào)整凝膠時(shí)間，實(shí)現(xiàn)控制性注漿；（2）漿液滲透性強(qiáng)，適用地層廣；（3）凝結(jié)時(shí)間短，抗壓強(qiáng)度較低，耐久性較差；（4）材料來源豐富，價(jià)格便宜且對環(huán)境無污染；（5）施工工藝要求高，凝結(jié)時(shí)間短，操作不當(dāng)容易造成設(shè)備堵塞，對工人要求高。

通過調(diào)整水玻璃與水泥的配比，使兩者充分進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終達(dá)到較高的結(jié)石強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)（采用42.5R普通水泥，水玻璃波美度在30～45之間）可以得出，在水灰比一定的條件下，當(dāng)水泥—水玻璃體積比為0.4～0.7時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度較高；在水泥—水玻璃配比不變的情況下，水灰比越小，結(jié)石體強(qiáng)度越高（圖2）。

4.3 普通水泥—宏宇①號(hào)水玻璃雙液漿

宏宇①號(hào)水玻璃是中南大學(xué)歷時(shí)多年研發(fā)的一種新型水玻璃，其主要在普通水玻璃中加入多種輔助劑混合而成；其初凝時(shí)間極短，形成具有網(wǎng)狀包裹的塊狀不易受流水沖散，在封堵涌水的過程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢和效果。和普通水泥及普通水玻璃雙液漿相比，普通水泥—宏宇①號(hào)水玻璃雙液漿具有以下特點(diǎn)：（1）初凝時(shí)間更短，瞬間至十幾秒可完成初凝，結(jié)石效果好，抗壓強(qiáng)度大；（2）漿液滲透性較差，漿液擴(kuò)散半徑?。唬?）漿液可瞬間以塊狀初凝，且高分子材料在其外圍形成一層網(wǎng)狀包裹，使其不受水流分散；（4）原料供應(yīng)較少，價(jià)格較普通水玻璃高；（5）施工工藝要求高，凝結(jié)時(shí)間短，操作不當(dāng)容易造成設(shè)備堵塞，對工人要

求高。

在注漿施工過程中，漿液類型的選擇基本根據(jù)地下水賦存情況、巖溶發(fā)育狀況和涌水量等因素綜合確定，當(dāng)遇到斷層破碎帶或者巖溶發(fā)育區(qū)域時(shí)多使用單液漿或水泥—水玻璃雙液漿，當(dāng)遇到裂隙發(fā)育含大量稀泥或者少量水涌出時(shí)使用普通水泥—普通水玻璃單液漿，當(dāng)出現(xiàn)涌水且水量較大、水壓高時(shí)使用普通水泥—宏宇①號(hào)水玻璃雙液漿進(jìn)行快速堵水。在注漿過程使用的3種注漿材料各有特點(diǎn)，在堵水過程中應(yīng)考慮各材料的特性，通過不同材料配合使用以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、快速、高效的堵水目的。

5 注漿參數(shù)的確定

5.1 注漿加固范圍

通過現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析，經(jīng)過對現(xiàn)場綜合地質(zhì)條件、理論模擬計(jì)算并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，通過斷層破碎帶基坑開挖施工注漿加固區(qū)域?yàn)榛娱_挖輪廓線外4m。

5.2 漿液擴(kuò)散半徑

通過后期開挖揭露，漿液主要以劈裂的方式進(jìn)行擴(kuò)散，漿液在注漿壓力作用下克服地層的切應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使其在垂直于最小主應(yīng)力的平面上劈裂，劈裂滲透擴(kuò)散采用下式計(jì)算：

R=

式中：R為漿液滲透半徑（cm）；ρw為水的密度（g/cm3）；g為重力加速度（m/s2）；h為注漿壓力（水頭壓力高度，cm）；re為空隙的等效半徑（cm）；S為注漿材料的凝膠強(qiáng)度（dyn/cm2）；r為注漿孔半徑（cm）。

根據(jù)現(xiàn)場情況計(jì)算與工程經(jīng)驗(yàn)類比，在施工過程中通過開展注漿試驗(yàn)和注漿效果驗(yàn)證、評判后修正，最終確定注漿擴(kuò)散半徑為1.5m。

5.3 注漿壓力的確定

注漿壓力是注漿工藝的重要參數(shù)，其對漿液擴(kuò)散范圍和注漿效果的好壞具有決定性作用。本次注漿設(shè)計(jì)壓力一般比凈水壓力大0.5～1.0MPa；在封堵涌水時(shí)，注漿壓力按下式計(jì)算：

P=（2～4）MPa+Po

式中：P為注漿終孔壓力（MPa）；Po為涌水壓力（MPa）；綜合考慮基坑內(nèi)的工程地質(zhì)條件和涌水情況，注漿壓力確定為1.5～2.5MPa。

5.4 注漿段長和注漿孔布置

在施工過程中，綜合考慮場地綜合工程水文地質(zhì)情況、選擇合適的鉆機(jī)，根據(jù)鉆機(jī)的能力、設(shè)計(jì)止水帷幕厚度等內(nèi)容確定注漿段長度；延安路站底板設(shè)計(jì)深度為28m，抗拔樁深度位于底板以下7m，注漿加固范圍為4m，由于注漿工作面位于基坑開挖15m深度平面，所以注漿段長為24m。

貴陽地鐵2#線延安路車站采用全斷面注漿堵水，注漿加固范圍為基坑開挖輪廓線外4m，基坑橫向止水帷幕共7個(gè)節(jié)段總長181.5m，縱向在3至6節(jié)段末尾設(shè)置1道長12m的縱向止水帷幕（共4道），確保每一個(gè)節(jié)段注漿效果具有獨(dú)立性和可控性（圖3）。

5.5 注漿方式

在本次施工過程中采用前進(jìn)式分段注漿或全孔一次壓入式注漿，主要由鉆孔揭露地層情況決定注漿方式。在鉆孔過程中出現(xiàn)黃泥夾層或涌水等情況，則立即提鉆開展注漿，后采用鉆一段注一段的方式進(jìn)行注漿，直到終孔；若在鉆探過程中未出現(xiàn)黃泥或涌水等情況，則采取一鉆到底，全孔一次壓入式注漿。

5.6 注漿分段長度

在預(yù)注漿過程中，針對基坑內(nèi)含有黃泥、巖溶發(fā)育區(qū)域多采用前進(jìn)式分段注漿進(jìn)行，分段長度根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況確定，由于基坑內(nèi)地層多為斷層破碎帶與泥巖灰?guī)r互層，為保證注漿效果，確定分段長度為4～7m。

5.7 漿液注入量

單孔注漿量由注漿擴(kuò)散單價(jià)和地層裂隙率決定，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算單孔漿液注入量Q=3.2～24.5m3，按照如下公式計(jì)算：

Q=πR2Lnαη

式中：Q為單孔注漿量（m3）；R為漿液擴(kuò)散半徑（m）；L為注漿孔長（m）；n為地層裂隙率，取0.5%～3%；α為漿液在巖石裂隙中的充填系數(shù)，取0.3～0.9；η為漿液消耗率取1。

5.8 注漿速度

注漿速度主要由漿液在裂隙中的摩擦阻力與裂隙大小、延伸長度及填充物性質(zhì)和漿液自身濃度和黏度共同決定；注漿速度主要根據(jù)現(xiàn)場情況確定，若注漿孔無涌水和黃泥夾層時(shí)，注漿速度為30～60L/min；若出現(xiàn)涌水（水量≤60L/min）或黃泥夾層時(shí)，注漿速度為60～120L/min；若出現(xiàn)大量涌水（水量>60L/min）時(shí)，注漿速度為120～180L/min。

5.9 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)注漿壓力和注漿量來控制。當(dāng)注漿壓力逐步升高，達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿5～10min或者單孔注漿量與設(shè)計(jì)注漿量大致相同，注漿結(jié)束時(shí)的進(jìn)漿量在20L/min以下，結(jié)束本孔注漿。

注漿結(jié)束時(shí)，先打開泄?jié){管閥門，再關(guān)閉進(jìn)漿管閥門并用清水將注漿管沖洗干凈后停機(jī)。

6 結(jié)語

（1）從現(xiàn)今的注漿工藝水平來看，對構(gòu)造復(fù)雜、巖溶發(fā)育的富水區(qū)域進(jìn)行完全堵水，難度較大、過程復(fù)雜且成本較高；注漿后，均會(huì)殘留個(gè)別位置的涌水，其水量小一般不超過每延米滲水量1m3/d，通過監(jiān)測，注漿對周邊地下水和建筑物基本無影響，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展的目標(biāo)；（2）注漿效果的好壞主要取決于注漿參數(shù)的確定。貴陽地鐵2#線延安路車站基坑在注漿堵水過程中，針對斷層破碎區(qū)、巖溶富水區(qū)、地層完整區(qū)，分別采取不同注漿材料、注漿速度、注漿量等參數(shù)，對保證止水質(zhì)量和施工進(jìn)度具有重要的作用；（3）現(xiàn)貴陽市地鐵軌道交通建設(shè)屬于起步階段，針對貴陽地區(qū)地下水位淺、水源豐富、巖溶發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等綜合情況，延安路站采用全斷面注漿止水并且達(dá)到了堵水效果良好，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展，對貴陽市其他后續(xù)地鐵建設(shè)具有引導(dǎo)和參考的重要作用。

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作者簡介：涂文良（1984-），男，江西進(jìn)賢人，中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司工程師，研究方向：土木工程。

（責(zé)任編輯：小 燕）