復合注漿在深厚大卵石地層止水中的應用

李燃垌 蔡冠軍 李久坤

(北京礦務局綜合地質(zhì)工程公司，北京 102300)

0 引言

當前，大城市地下水降排控制越來越嚴格，止水工藝在基坑工程中起到了尤為重要的作用。隨著城市建筑群逐漸的密集，地下連續(xù)墻[1]等需要大型設備、大型場地的工藝適用性將在城市建設管理中受限。以某卵石地層深基坑工程止水研究為例，提出了一種新的地下水控制思路，從安全、經(jīng)濟及施工的可行基礎上，通過試驗結果分析，制定了止水設計方案，可為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

本工程為1棟地上7層、地下4層結構的建筑。擬建建筑結構形式為框架剪力墻結構，基礎形式為筏板基礎，本工程結構±0.000=44.80 m，平均地面高程為44.00 m(相對標高-0.80 m)，擬建場地基本平坦，本工程槽底高程為14.43 m(相對標高-30.37 m)，基坑開挖深度29.57 m。

2 環(huán)境概況

南側緊鄰D13地塊，由L型住宅樓及純地下車庫組成。住宅樓地上15層，地下3層，距本工程結構約9.9 m；純地下車庫地下2層，距本工程結構最近4.3 m。住宅樓及純地下車庫埋深約10.5 m。南側主出入口緊鄰該住宅樓，相距約8 m。(見圖1)

西側臨近金中都西路，道路邊線距本工程結構最近約3.4 m；道路下設有市政管廊，距本工程結構最近為5.5 m，管廊埋深3.8 m/7.0 m/9.5 m。馬路正對面為在建住宅樓，其基礎與本工程相距約18 m。

北側臨近駱駝灣南路，道路邊線距本工程結構8.2 m(局部地下二層4.8 m)；道路外側設有市政管廊，距本工程結構5.9 m(局部地下二層2.4 m)，5#節(jié)點部位距離結構3.9 m，管廊埋深6.3 m/10.0 m/局部12.9 m。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

3 工程地質(zhì)概況

擬建場地位于古漯水河故道范圍內(nèi)，典型地質(zhì)剖面如圖2所示，地層分述如下：

表層一般為厚約1.80～3.80 m(場地北側人工填土層厚度較大，約7.50～8.10 m)的房渣土①層及粉質(zhì)黏土素填土、黏質(zhì)粉土素填土①1層；

人工堆積層以下為新近沉積層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土②層及黏土②1層；卵石③層及中砂③1層；

新近沉積層以下為第四紀沉積層卵石④層；卵石⑤層，中砂、細砂⑤1層，黏土、重粉質(zhì)黏土⑤2層及黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土⑤3層；卵石⑥層及中砂、細砂⑥1層；密實，個別粒徑大于20 cm。

第四紀沉積層以下為古近紀沉積全風化-強風化礫巖⑦層。

擬建工程場地內(nèi)分布的卵石層中含有大粒徑的漂石，其卵(漂)石一般粒徑為140～240 mm，最大粒徑可達310～430 mm，卵(漂)石粒組含量可達50%以上，其母巖巖性以花崗巖、安山巖等為主，硬度較大。大粒徑卵(漂)石分布規(guī)律性差，強度差異較大。

根據(jù)現(xiàn)場前期旋挖樁施工地質(zhì)對比，上部4 m基本為雜填土，4 m以下至埋深40 m部位為砂卵石地層。隔水層位于全風化-強風化礫巖⑦層，埋深40 m。

4 水文地質(zhì)概況

工程場區(qū)自然地面以下40 m深度范圍內(nèi)的第四紀松散沉積層中主要分布有1層地下水，類型為潛水。潛水主要賦存于標高23.69～24.49 m以下的砂、卵石層中?，F(xiàn)場鉆探期間該層地下水(潛水)穩(wěn)定水位標高為19.42～19.84 m，水位埋深為24.10～24.60 m。該區(qū)域富水層為砂卵石層，卵石層滲透系數(shù)450 m/d，影響半徑800 m。

5 試驗區(qū)設計思路

在場地中部建立直徑為3 m的抽水試驗區(qū)域，在區(qū)域外50 mm及350 mm處鉆孔兩圈，沿試驗區(qū)域環(huán)繞形成閉合圈，鉆孔間距內(nèi)圈為958 mm，外圈布孔位于內(nèi)圈兩孔之間，內(nèi)外圈鉆孔數(shù)均為10。在鉆孔內(nèi)進行壓力注漿試驗，將試驗區(qū)域周圍350 mm范圍內(nèi)的土體固結，形成止水帷幕(見圖3)。

圖3 試驗區(qū)域平面圖(單位：mm)

5.1 工藝介紹

采用套管鉆機進行引孔至基巖，放入多根注漿管[2]，然后采用水玻璃、水泥、膨潤土[3]進行調(diào)漿注入孔中，完成一根注漿體。注漿流程如圖4所示。

5.2 注漿裝置

每一個孔內(nèi)需放置一根注漿管和由四根注漿管組合而成的組合注漿裝置。組合注漿裝置的俯視圖及側視圖如圖5、圖6所示。

圖4 注漿流程圖

圖5 注漿裝置俯視圖

圖6 注漿裝置側視圖

注漿管的直徑均為20 mm，四根注漿管焊接在特制圓形鋼板上，圓形鋼板直徑為146 mm，圓形鋼板外周有凸起，其側向厚度為7 mm，用以固定膠套，從而充當止?jié){塞的作用。四根注漿管的長度各不相同，最長注漿管的管口處于隔水層上方0.5 m處，其余注漿管管口按5 m間距依次向上排列。止?jié){塞所處位置需在含水層上方0.2 m處，實際施工時其所處位置應在含水層上方不小于地下水位年變幅的高度。

5.3 注漿施工

深孔復合型高壓雙液帷幕注漿工藝[4]與常規(guī)的單管注漿工藝有所不同，在一個鉆孔內(nèi)共有5根注漿管，在止?jié){塞上方有一根注漿管，下方是組合注漿裝置的四根注漿管(見圖7)。開始施工時，先下入組合注漿裝置到預定位置，然后下入單根注漿管進行注漿，注漿壓力為0.5 MPa，漿液溢到孔口時停止注漿，對水位以上土層進行封堵，防止組合注漿時漿液外溢。待注漿體達到初凝狀態(tài)后，開始使用組合注漿裝置進行注漿。開始注漿時，四根注漿管同時注漿，注漿壓力為2～4 MPa(在漿液注不進的情況下增加注漿壓力至12 MPa)。結束標準為壓力增加1～0.3 MPa，流量≤5 L/min。

圖7 注漿管孔內(nèi)布置示意圖(單位：mm)

在注漿過程中，需四根管同時采取雙液泵注漿。對于壓力低、流速大的管，注入水泥+水玻璃雙液漿；對于壓力高、流速小的管注入水泥+膨潤土雙液漿；對于壓力、流速適中的管注入水泥單液漿。

5.4 注漿設計參數(shù)

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，含量占固體成分的60%；黏土需過200目篩，含量占固體成分的40%；速凝劑為水玻璃，模數(shù)n=2.75，濃度為38°Bé，添加比例為水泥含量的4%；漿液水灰質(zhì)量比為1∶1。

6 結果及分析

6.1 地層儲漿情況

完成注漿后，在形成封閉的圓中心，采用旋挖鉆機成孔，孔直徑0.8 m，從挖出來的地層渣土可以看出，地層中含大量不同狀態(tài)的水泥漿塊，說明注漿的效果是明顯的。其中在16.5 m處卵石層中有尚未凝固的水泥漿(見圖8)，在18 m處細砂中有暗黑色水泥漿(見圖9、圖10)；從26.5 m處開始出現(xiàn)明顯的水泥漿塊體(見圖11)，到30 m一直有明顯可見的水泥漿塊體(見圖12)。但是從30～35 m處未見水泥漿塊體，而是尚未成形的松散水泥漿(見圖13)。

圖8 16.5 m處卵石層中 水泥漿

圖9 18 m處細砂中 所含暗黑色水泥漿

圖10 被鉆頭碾碎的水泥漿

圖11 27 m處黏貼在鉆頭 上的明顯水泥漿塊體

圖12 29.5 m處水泥漿結石體

圖13 30～35 m處未成形 水泥漿

6.2 瑞利波檢測

在深孔復合高壓雙液帷幕注漿前后均對試驗區(qū)域進行了瑞利波檢測[5]，檢測平面圖見圖14。檢測結果顯示35 m以上注漿效果較為明顯，局部35～40 m之間有一部分注漿效果不夠明顯(見圖15—圖17)。

圖14 瑞利波檢測平面圖

圖15 瑞利波檢測北側區(qū)域

圖16 瑞利波檢測中部區(qū)域

圖17 瑞利波檢測南側區(qū)域

6.3 結果驗證

試驗區(qū)域進行了抽水試驗，采用水泵流量為15 m3/h，記錄連續(xù)3 h抽水水位變化情況(見圖18)。

圖18 抽水試驗中水位變化情況

由水位變化情況可知，水位深度越大，降低水位越難。在29 m以內(nèi)的水位深度較容易降低，平均降水速率為0.135 m/min。降到29 m以后，降水速度明顯下降，大約為7 mm/min。停止抽水2 min，水位上升了4.3 m，在5 min后又降到了28 m處，然后慢慢降到28.9 m。

基巖按照不滲水考慮，滲徑長度按照0.8 m考慮，滲透系數(shù)計算可得：

式中：k為滲透系數(shù)，m/d；Q為流量，m3/d；L為滲徑，m；A為過水斷面面積，m2；Δh為水頭損失，m。

根據(jù)抽水工程中水位的變化，說明水位降深基本符合要求，滲透系數(shù)比未注漿前顯著降低；考慮注漿完成后第二天進行了中部抽水井施工和進行抽水試驗的影響，綜合分析認為注漿的總體效果較為理想。本工程區(qū)域地層中30 m以下地層比較密實，采用此工藝施工需對30 m以下地層進行單獨加強注漿，增加一根注漿管，能夠更好地達到止水效果。

7 結論

對本次試驗結果進行分析，總結如下：

(1)深孔復合高壓注漿技術在深厚大卵石地層中止水效果明顯。

(2)利用瑞利波作為止水帷幕的效果檢驗及查找滲漏點具有一定的參考意義。

(3)試驗過程中，注漿階段到抽水驗證階段間隔時間過短，水泥漿液未達到止水需求強度，實際效果將優(yōu)于本試驗結果。

(4)本次試驗選擇區(qū)域較小，會有注漿疊加問題，在基坑應用中，效果需進一步研究。

(5)根據(jù)本次抽水驗證效果分析，柔性注漿止水不能完全在深厚大卵石地層中止住地下水，止水效果能夠達到90%以上，需進行排水結合應用。

注漿技術在明挖基坑大面積止水帷幕中應用較少，無論在注漿止水施工關鍵參數(shù)的研究，還是注漿止水效果的研究，都缺乏系統(tǒng)性研究，因此在理論上和實踐上限制了該技術的進一步發(fā)展和推廣。本文通過深孔復合高壓注漿在狹小的工作場地中進行施工試驗收集數(shù)據(jù)，為逐漸密集的城市建筑群提供了一種新的止水帷幕思路，可為類似工程提供一定的參考和借鑒。