超高壓旋噴注漿法施工對地層擾動的研究

胡奇凡

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300142)

1 概述

靜壓注漿作為一種常用注漿手段被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)加固、建(構(gòu))筑物保護及地下鄰近施工防護等工程中[1-4]，靜壓注漿需借助壓力進行漿液擴散和壓密、填充，施工時對周邊地層產(chǎn)生擠推、劈裂、抬升作用[5-7]，注漿壓力控制不當容易引起土體較大的水平位移和豎向隆起[8-9]，極易導(dǎo)致地表和鄰近地層中的建(構(gòu))筑物破壞；同時，靜壓注漿受地層差異性影響較大，加之土層特性的普遍離散性，在缺乏類似地層實施經(jīng)驗時，靜壓注漿加固范圍和加固質(zhì)量難以保證。超高壓旋噴注漿法利用超高壓漿液、水、空氣射流沖擊切削破壞土層進行加固[10-11]，有效規(guī)避了靜壓注漿借助壓力擴散的弊端，在常規(guī)地層中均能有效加固，加固體質(zhì)量均勻、強度高、穩(wěn)定性好[12]，對周邊地層的影響較小，有利于鄰近結(jié)構(gòu)的保護[13-15]，但目前該技術(shù)多應(yīng)用于細顆粒地層和軟土地區(qū)的地基加固、基坑止水、盾構(gòu)井端頭加固等，在卵礫石地層的應(yīng)用幾乎未涉及，在地下工程鄰近施工防護中的應(yīng)用也鮮有出現(xiàn)。

當前，隨著地下空間開發(fā)利用和城市軌道交通、綜合管廊工程建設(shè)的大力推進，地下鄰近工程建設(shè)實施不可避免且日趨頻繁[16]，對既有地下結(jié)構(gòu)的保護成了地下工程實施的重要組成部分；同時，地下工程建設(shè)也不斷向更深處推進，諸如北京、太原、沈陽、青島等多個城市的軌道交通等設(shè)施建設(shè)已經(jīng)進入卵礫石、砂卵石地層，在可預(yù)見的將來，在包含卵礫石、砂卵石地層在內(nèi)的地下空間開展鄰近施工防護的設(shè)計和施工將不可避免。為此，開展超高壓旋噴注漿法施工對周邊地層擾動的研究，特別是補充對卵礫石、砂卵石等地層的施工擾動研究具有現(xiàn)實意義。

2 試驗方案設(shè)計

采用超高壓旋噴注漿法在北京某在建工程場地施作3根試驗樁，在距旋噴樁中心不同距離和不同地層進行了針對性監(jiān)測點布設(shè)，在超高壓旋噴樁施工過程中，對地層的水平位移、分層沉降、孔隙水壓力等指標進行監(jiān)測取值，通過對各項監(jiān)測指標的分析，來研究超高壓旋噴樁施工對地層擾動的特征，各指標的監(jiān)測方法、監(jiān)測頻率及監(jiān)測標準詳見表1。

表1 監(jiān)測方法、精度、頻率表

3 現(xiàn)場試驗實施

受在建工程施工組織限制，深層土體水平位移共布設(shè)3個監(jiān)測孔，監(jiān)測孔深20 m，編號為A、B、C；土體分層沉降布設(shè)1個監(jiān)測孔，與深層土體水平位移監(jiān)測孔C孔共用，該孔豎向共布設(shè)17個測點；設(shè)3個孔隙水壓力監(jiān)測孔，編號為1、2、3(監(jiān)測孔1在旋噴樁實施過程中受限未能使用)，孔2在地面下以10、24 m深度位置布置了測點，監(jiān)測孔3在地面以下21、32 m深度位置布置測點。旋噴樁、監(jiān)測孔、監(jiān)測點布置平面詳見圖1，布設(shè)剖面以及與地層的空間位置關(guān)系詳見圖2。

圖1 旋噴樁及監(jiān)測孔布置平面(單位：mm)

圖2 監(jiān)測孔及測點布置地質(zhì)縱剖面(單位：m)

超高壓旋噴試驗樁由下向上旋噴成樁，在地表以下8 m范圍未進行旋噴加固，選取基坑監(jiān)測基準點為本次試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)參照基點。所有監(jiān)測孔和測點布設(shè)在試驗樁施工前一周完成，待各項監(jiān)測指標實測值穩(wěn)定后完成初始值采集工作。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 深層水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1.1 深層水平位移監(jiān)測結(jié)果

對超高壓旋噴樁實施過程中各監(jiān)測孔實測土層深層水平位移數(shù)據(jù)進行整理和曲線擬合，得到不同高程上地層的水平位移曲線，詳見圖3～圖5。

圖3 A孔深層水平位移-測點深度曲線

A孔地層水平位移增量在1號樁和2、3號樁施工時一致性較好(2號樁施工時A測點受機械布置影響無法正常使用，因此3號樁施工測得數(shù)據(jù)實際為2、3號樁施工影響的總和)，位移較大地層范圍的深度為13～18 m(絕對高程23～28 m)，在17 m深度(絕對高程24 m)處達到最大，其中1號樁施工引起地層水平位移2～9.9 mm，2、3號樁施工引起地層水平位移2～4.8 mm，根據(jù)地質(zhì)縱斷面，該范圍大致為粉土、粉質(zhì)黏土、卵石和細中砂地層的薄層和界面區(qū)域，17 m深度為卵石與細中砂薄層界面，其余③3粉細砂及卵石⑤層范圍地層水平位移0.2～1.0 mm。

圖4 B孔深層水平位移-測點深度曲線

B測點11～15 m(絕對高程26～30 m)深度地層在1號樁施工時產(chǎn)生了明顯的水平位移，位移值2.5～8.9 mm，該范圍地層為粉細砂和粉質(zhì)黏土中間夾約0.8 m厚粉土薄層，其余深度范圍的單一地層水平位移均<0.9 mm，尤其是卵礫石地層，水平位移≤0.4 mm；相比1號樁，2、3號樁施工時引起的地層變形明顯減小，最大位移分別為1.9 mm和1.7 mm，但位移較大位置與1號樁基本一致，深度11～15 m，其余深度均<0.7 mm。

圖5 C孔深層水平位移-測點深度曲線

C測點8～16 m(絕對高程25～33 m)深度地層在1、2號樁施工時均產(chǎn)生了較明顯的水平位移，尤其是2號樁施工影響范圍較大，涵蓋整個③3粉細砂地層以及粉土、粉質(zhì)黏土、卵石交界、薄夾層地層，水平位移4～12 mm，其中1號樁影響主要集中在12～16 m，水平位移3.4～7.8 mm，2號樁影響主要集中在8～16 m，水平位移4.7～11.8 mm，其中11～14 m范圍尤其明顯，水平位移8.9～11.8 mm。

4.1.2 深層水平位移影響因素分析

與測點和加固體凈距的關(guān)系：根據(jù)成樁直徑開挖揭示的情況[12]，以及監(jiān)測點與加固中心的位置關(guān)系，各測點與旋噴樁加固體凈距詳見表2。

表2 測點與加固體凈距統(tǒng)計

根據(jù)地層及測點與加固體凈距，并考慮到1號樁阻斷部分2、3號樁施工對B測點影響，2號樁阻斷部分3號樁施工對C測點影響，3號樁受引孔、旋噴堵管、護壁漿液凝固等諸多因素影響，漿液未能有效打開周邊地層進行加固(成樁直徑0.6～1.0 m，引孔直徑0.6 m)，分析結(jié)論：超高壓旋噴注漿加固法施工時，對單一地層的水平位移影響較小，距加固體3.5 m范圍外一般<1.0 mm，2.5 m范圍外一般<2 mm，在卵礫石地層，距加固體1.0 m范圍外<1 mm。

與測點所處地層特征的關(guān)系：對于地層交界面、薄夾層區(qū)域，超高壓旋噴注漿法施工會對地層產(chǎn)生較為明顯的水平擾動，但是，隨著距離的加大，影響會明顯減弱，3.5 m范圍外<5 mm，2.5 m范圍外<8 mm，1.0 m范圍外<12 mm。

4.1.3 深層水平位移影響特征機理探究

超高壓旋噴注漿加固原理不同于普通的靜壓注漿，其主要借助超高壓漿液、水、空氣射流沖擊切削破壞土層原有結(jié)構(gòu)、部分置換原有地層顆粒后凝結(jié)固化為一體進行加固，而非高壓漿液擴散填充、壓密填充、劈裂填充等明顯引起土層應(yīng)力變化和傳力的方式，因此，實施過程中高壓漿液的能量主要消耗在對地層瞬間沖切破壞過程，而且短時間內(nèi)是局部小范圍的點狀沖擊，通過地層向四周擴散壓力的趨勢并不能有效形成，因此，高壓漿液主要集中在切削面以內(nèi)，對以外地層影響也明顯降低。

地層界面位置往往存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)，尤其是粒徑組成或密實程度差異較大的兩種地層，土層性質(zhì)不均勻、存在薄弱面，導(dǎo)致地層整體穩(wěn)定性相對較差，受擾動后變形明顯，也更容易被超高壓漿液沖擊破壞，導(dǎo)致影響程度較單一地層相對更明顯。本次試驗中，③3粉細砂地層在基坑開挖過程揭示自穩(wěn)能力較差，受擾動后穩(wěn)定性明顯下降，極易出現(xiàn)局部失穩(wěn)，這與深度13 m和18 m附近薄層③3粉細砂的水平位移較大的試驗結(jié)果吻合較好。

4.2 土體分層沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

4.2.1 土體分層沉降監(jiān)測結(jié)果

1號、2號及3號樁施工過程中，C監(jiān)測點地層分層沉降實測數(shù)據(jù)如表3所示，對監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線擬合后詳見圖6。

表3 土體分層沉降分步值 mm

圖6 C測點地層分層沉降曲線

對比監(jiān)測數(shù)據(jù)和相應(yīng)地層情況可知：3次超高壓旋噴樁施工過程中地層分層沉降趨勢基本一致，較大豎向變形主要發(fā)生在深度12～13 m(絕對高程28～29 m)，地層為③3粉細砂與④2粉土層界面附近，最大下沉約52 mm；深度15.5 m左右(絕對高程25. 5 m)，地層為④層粉質(zhì)黏土與⑤層卵石界面附近，最大沉降約23 mm；深度16.5～17.5 m(絕對高程23.5～24.5 m)，地層為⑤2細中砂和⑤層卵石界面附近，最大沉降約18 mm；其余單一地層范圍沉降量均≤5 mm，其中在8 m深度之內(nèi)(未旋噴范圍)大致為隆起趨勢，最大隆起值≤5 mm，③3粉細砂與④粉質(zhì)黏土層隆起量最大值分別為3 mm和11 mm，⑤層卵石范圍最大隆起量≤3 mm。

4.2.2 土體分層沉降影響特征機理探究

土體分層沉降明顯部位主要發(fā)生在地層界面，地層界面位置的潛在不利物理特征已在本文4.1.2節(jié)中描述；③3粉細砂與④2粉土層界面沉降量較其他界面明顯偏大，這還與③3粉細砂地層自穩(wěn)能力密切相關(guān)，同理推測，密實卵礫石地層，由于其自身結(jié)構(gòu)密實，粗顆粒骨架牢固，不易受高壓漿液的破壞擾動，因此，在旋噴樁施工時地層的隆起和下沉量相對較小，結(jié)合樁徑及地層分層沉降量，密實卵礫石地層在超高壓旋噴注漿加固體外1 m范圍，隆起<3 mm，沉降<5 mm。

4.3 孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果及分析

4.3.1 孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

試驗過程中，3號測孔的46 m深測點無法使用，僅測取了2號測孔10、24 m測點，3號測孔21、32 m測點不同時間的數(shù)據(jù)，其中2號測孔10、24 m測點，3號測孔21、32 m測點的穩(wěn)定初始值分別為-1.8、15.6、1.5、52.6 kPa，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線擬合后詳見圖7。

圖7 孔隙水壓力監(jiān)測值時程曲線

根據(jù)地質(zhì)縱斷面，3號測孔32 m測點位于富水卵礫石地層，勘測水頭約9 m，實測水壓平均值51.5 kPa，預(yù)計勘測地層偏差較大，測點實際位于下臥黏土層?？紫端畨毫r程曲線上2015.11.28—20：47～2015.11.29—5：26、2015.12.02—13：23測得較明顯的孔隙水壓力變化，對照旋噴樁施工歷程：2015年11月28日24：00前后，1號樁超高壓噴頭在該測點高程附近作業(yè)， 2015年12月2日13：00前后，2號樁超高壓噴頭在該高程附近作業(yè)；旋噴漿液壓力36～40 MPa、水壓31～32 MPa、氣壓0.74～0.9 MPa，測點距離旋噴中心約3 m，孔隙水壓波動最大約3.1 kPa。

3號測孔21 m深測點位于卵礫石地層，在地下水位以上，該測點分別于2015.12.04—14：21及2015.12.5—18：36測得孔隙水壓力明顯變化，對照旋噴樁施工歷程：2015年12月04日14：21無施工作業(yè)，預(yù)計為測量誤差；2015年12月5日18：36時間點對應(yīng)3號樁引孔作業(yè)，判定孔隙水壓力變化由此引起，變化最大2.8 kPa。

2號測孔10 m深測點孔隙水壓力全程穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯波動，判定該地層孔隙水壓力基本未受施工影響；24 m深測點位于卵礫石地層，地下水位以下，勘測水頭大約1.0 m，該測點在1號樁旋噴作業(yè)開始(2015年11月28日20∶17)前空隙水壓力逐漸降低，預(yù)計為引孔導(dǎo)致的超空隙水壓(該值預(yù)計為5.6 kPa)逐漸釋放，隨后在2015年11月29日2：11～11：46期間出現(xiàn)了孔隙水壓力增加和消散過程，變化幅度約為1.0 kPa，對照1號樁的施工歷程，該時間段超高壓旋噴施工在附近高程作業(yè)，可判定為施工引起。

4.3.2 孔隙水壓力影響特征機理探究

超高壓旋噴注漿施工過程中，周邊地層的孔隙壓力整體較穩(wěn)定，距離加固體1 m之外地層的孔隙水壓力波動基本控制在3.0 kPa以內(nèi)，對地層的影響基本可忽略。究其原因，主要在于超高壓旋噴注漿加固依托于高壓漿液及氣流的瞬間沖擊作用，借助的是漿液本身具備的速度能量，而非液體壓強的靜力作用，僅有的局部小范圍影響也能及時被消散，尤其是卵礫石等滲透系數(shù)大的地層，因此，在孔隙水壓力方面基本沒有明顯的體現(xiàn)；就地層而言，滲透性較低的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等地層的影響要大于砂、卵礫石等滲透性較強地層。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

通過超高壓旋噴注漿加固現(xiàn)場試驗，對旋噴加固施工中周邊地層的水平位移、分層沉降、孔隙水壓變化等進行了監(jiān)測和分析，主要結(jié)論如下。

(1)超高壓旋噴注漿法施工對單一地層的水平位移影響較小，距加固體3.5 m范圍外一般<1.0 mm，2.5 m范圍外一般<2 mm，在卵礫石地層中，距加固體1.0 m范圍外<1 mm；對于地層交界面、薄夾層區(qū)域，超高壓旋噴注漿法施工會對地層產(chǎn)生較為明顯的水平擾動，但是，隨著距離的加大，影響會明顯減弱，距加固體3.5 m范圍外<5 mm，2.5 m范圍外<8 mm，1.0 m范圍外<12 mm。

(2)超高壓旋噴注漿法施工對地層的豎向位移影響整體較弱，一般的單一地層隆起和沉降量大多<5 mm，試驗中粉質(zhì)黏土層隆起量最大11 mm，卵礫石地層隆起<3 mm，沉降<5 mm；在地層界面位置，尤其是粒徑組成差異較大、地層穩(wěn)定性差等存在薄弱面的界面處豎向位移較為明顯，試驗測得③3粉細砂與④2粉土層界面附近，最大沉降約52 mm，⑤2細中砂和⑤層卵石界面附近，最大沉降約18 mm。

(3)超高壓旋噴注漿法施工對周邊地層的孔隙水壓力影響十分有限，距離加固體1 m之外地層的孔隙水壓力波動基本控制在3.0 kPa以內(nèi)；就地層差異而言，超高壓旋噴注漿法施工對滲透性較弱的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土等地層的孔隙水壓力影響要大于砂層、卵礫石層等滲透性較強的地層。

(4)超高壓旋噴注漿加固過程中，若對周邊環(huán)境有明確的變形控制要求，首先應(yīng)對地層情況進行細致分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計施工參數(shù)，確定旋噴樁直徑，并合理控制加固體與保護對象的凈距，保證地層的擾動影響在安全范圍之內(nèi)，特別需注意土層界面位置，在粒徑組成或密實程度差異較大的兩種地層界面上，土層性質(zhì)往往連續(xù)性差、存在薄弱面，旋噴樁施工對其影響程度加大，施工時注意適當降低旋噴漿液及空氣壓力。

5.2 展望

本次試驗研究表明，由于超高壓旋噴注漿法加固過程中主要借助超高壓漿液、水、空氣射流的沖擊切削破壞能量，而非高壓漿液的靜力作用，大大降低了土層的應(yīng)力變化和傳力，因此，其在加固過程中對周邊地層的影響范圍和影響程度均較常規(guī)靜壓注漿小，能有效彌補靜壓注漿在貼近防護加固、注漿變形控制等方面的短板，該技術(shù)可用于包含地下管線、地下室、地鐵車站、區(qū)間結(jié)構(gòu)、綜合管廊隧道、人防工程、樁基工程、防水系統(tǒng)、輸水隧道、儲油罐等在內(nèi)的大量需要嚴格控制沉降變形和施工擾動[17-18]的地下結(jié)構(gòu)的鄰近施工防護工程，能更好地滿足其變形控制要求，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

誠然，本次試驗研究還有很多不完善之處，測點的數(shù)量和空間位置不盡全面，部分數(shù)據(jù)未能有效測量，致使試驗結(jié)論參考性不夠全面，有待后續(xù)研究改進完善。