軟弱地層臨近深基坑工程房屋沉降注漿控制研究

李浩,賀祖浩,楊釗,石福龍,馬超，3

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的深基坑工程向城市密集區(qū)集中，施工緊鄰建筑物的工程越來越多?；娱_挖引起地層和應(yīng)力損失不可避免地會對周邊建筑物造成影響。而在一些老城區(qū)，地基基礎(chǔ)多為筏板基礎(chǔ)或管樁基礎(chǔ)，建筑物一旦發(fā)生不均勻沉降很容易造成房屋的開裂變形，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。而注漿一方面可以改善地層，提高地基承載力；另一方面又可以對周邊地層進(jìn)行擠密，補(bǔ)償?shù)貙訐p失。所以利用注漿去實(shí)現(xiàn)房屋的止沉抬升，已經(jīng)成為設(shè)計或施工單位采取的優(yōu)選措施之一。在實(shí)際注漿過程中，由于注漿方法或參數(shù)控制不當(dāng)，經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期效果，施工監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，注漿后的一段時間，建筑物經(jīng)常出現(xiàn)沉降速率加快的現(xiàn)象。所以研究注漿過程控制就成為具有實(shí)用價值的問題。許多專家學(xué)者在注漿的原理和施工控制方面進(jìn)行了很多有益的探索。許建瑞以深圳大鏟灣港口區(qū)集裝箱碼頭一期工程辦公樓雙液漿加固糾偏工程為依托，指出單次注漿速率過快會引起辦公樓沉降速率加快，多次注漿效果更佳；易小明等以廈門機(jī)場路的房屋注漿抬升工程為依托，通過現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析，提出補(bǔ)償注漿能夠較好地實(shí)現(xiàn)房屋止沉，而房屋的抬升則極富挑戰(zhàn)性；張偉杰等通過模型試驗(yàn)?zāi)M在黏土介質(zhì)注漿，提出運(yùn)用較小注漿速率結(jié)合多孔注漿方法，可有效減小圍巖擾動；候艷娟等以廈門市成功大道工程為依托，研究了注漿機(jī)理，將建筑物注漿抬升分為初始填充密實(shí)、漿土固結(jié)、土體壓密、劈裂抬升4個階段；張俊等通過在高速路基下方注漿加固試驗(yàn)，提出對軟土路基下方有選擇地進(jìn)行分層注漿的加固效果優(yōu)于全地層注漿效果；唐智偉通過研究注漿引起的土體體積膨脹機(jī)制，將注漿體積、土體體積應(yīng)變增量、位移大小三者聯(lián)系在一起，提出有限元計算中施加“虛擬”膨脹壓力來增加單元體積的方法。然而，對臨近深基坑施工建筑物跟蹤注漿控制還比較少。

該文依托深圳某地鐵車站臨近建筑物的深基坑工程，對施工過程中周邊建筑物的跟蹤注漿進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和有限元分析，總結(jié)跟蹤注漿控制措施和注意要點(diǎn)，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

深圳某地鐵車站基坑全長268 m，基坑寬度20.1 m，基坑深約18.5 m(局部約20.1 m)?；又苓吔ㄖ锩芗?圖1)。房屋始建于20世紀(jì)90年代初，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，離基坑最近3.5 m。

依據(jù)地質(zhì)資料，地層主要由3部分組成：地表一般分布有第四系全新統(tǒng)人工堆填層、全新統(tǒng)沖洪積層、坡積層、殘積層、下伏主要為侏亻羅系凝灰?guī)r和石炭系測水組上段石英砂巖和泥質(zhì)頁巖，下段粉砂巖及二云母片巖巖脈和構(gòu)造巖破碎帶，地下水位埋深2～3 m。地下水賦存于第四紀(jì)松散地層孔隙中，含水層厚度為10～30 m。

圖1 基坑與建筑物位置關(guān)系

2 開挖前預(yù)注漿

為保證基坑開挖期間周邊建構(gòu)筑物安全，在開挖前對周邊房屋進(jìn)行袖閥管預(yù)加固。根據(jù)現(xiàn)場管線及場地等采取斜向、豎向兩種方式向建筑物基礎(chǔ)下方施打袖閥管，袖閥管間距為1.5 m，梅花形布置，加固區(qū)域和袖閥管布置如圖2、3所示。

圖2 房屋加固區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

圖3 注漿平面示意圖(單位：mm)

采用水泥漿液和水泥-水玻璃雙液漿交替注漿，水泥漿漿液配比為：水∶水泥=0.6∶1，水泥漿∶水玻璃=1∶1，玻美度為20～25 Be’，雙漿液凝結(jié)時間不超過1 min。注漿時，從孔底向上每0.6 m長為一豎向注漿分段。當(dāng)注漿壓力≥1.0 MPa，吸漿量<2.5 L/min，繼續(xù)注漿25 min,或者當(dāng)竄漿或漿液漏失現(xiàn)象嚴(yán)重，建筑物上抬超過2 mm,即可終止注漿。

3 房屋注漿機(jī)理及數(shù)值分析

3.1 房屋注漿抬升機(jī)理

漿液在地層中的作用有3種方式：滲透、填充、劈裂和壓密。注漿抬升主要以壓密和劈裂注漿為主，劈裂注漿和滲透注漿的最大區(qū)別就是，劈裂注漿會破壞注漿對象的原始結(jié)構(gòu)。漿液的劈裂面發(fā)生在主應(yīng)力最小的面，在某一深度地層中的應(yīng)力為：

σv=q+γh

(1)

σh=k0σv

(2)

式中：γ為土層重度；h為應(yīng)力點(diǎn)深度；q為附加荷載；k0為靜止土壓力系數(shù)，一般k0=1-sinφ，φ為土體內(nèi)摩擦角。

所以漿液在地層中的劈裂路線呈縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò)，劈裂注漿在土體固結(jié)形態(tài)多呈扁平球體或板狀固結(jié)，如圖4所示。

補(bǔ)償注漿以填充擠密為主，抬升注漿以劈裂為主。注漿過程：填充壓密-劈裂-再填充壓密、再劈裂，直到最終注漿量、注漿壓力都達(dá)到設(shè)計值，則地層被加固密實(shí)。主要起到地層改良和地層損失補(bǔ)償?shù)淖饔?。其示意圖見圖4、5。

圖4 劈裂注漿原理圖

圖5 注漿抬升地表示意圖

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，土體體積的膨脹將引起地表的抬升，地層抬升的體積與注漿體積成正比：

ξ=Vsh/Vinj

(3)

式中：ξ為注漿補(bǔ)償率；Vsh為地層抬升的體積；Vinj為注漿液體積。ξ的值一般為5%～20%。

數(shù)值方法模擬注漿效果通常是通過提高注漿區(qū)域的土性參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，但該方法忽略了注漿抬升對地層的補(bǔ)償作用。采用數(shù)值方法對注漿地層抬升進(jìn)行模擬，主要有兩種方法：① 直接對注漿單元施加體積應(yīng)變；② 通過施加膨脹壓力讓注漿單元體積產(chǎn)生膨脹。根據(jù)唐智偉等的研究結(jié)果，施加膨脹壓力的方法更接近實(shí)際情況。后續(xù)數(shù)值計算主要采用施加膨脹壓力的方法實(shí)現(xiàn)。

3.2 計算模型及參數(shù)取值

利用Abaqus對基坑開挖前與開挖過程注漿引起的房屋沉降變化進(jìn)行數(shù)值分析，計算根據(jù)實(shí)際情況在房屋底部8 m的位置進(jìn)行注漿。注漿半徑按0.7 m考慮，模擬止?jié){墻和注漿壓力對房屋沉降的影響，在注漿區(qū)域施加膨脹壓力，為盡可能保證模型收斂，壓力分次施加。計算模型如圖6所示。

圖6 有限元計算模型

地層參數(shù)根據(jù)地勘資料進(jìn)行取值，見表1。

表1 地層參數(shù)取值

3.3 計算結(jié)果分析

(1) 止?jié){墻對房屋沉降控制模擬

分別對原始地層、有止?jié){墻地層、有止?jié){墻地層硬化后基坑不同開挖深度的注漿進(jìn)行數(shù)值模擬。計算結(jié)果為提取垂直基坑方向路徑的沉降，具體見圖7。

圖7 3種工況下房屋及周邊地層沉降曲線

由圖7可知：① 無止?jié){墻原始地層注漿在0.5 MPa注漿壓力下，房屋沉降11.7 mm，這是由于在注漿壓力作用下，土體由房屋一側(cè)擠出，導(dǎo)致房屋沉降加劇；有止?jié){墻情況下注漿，土體沿房屋一側(cè)的擠出變形明顯減小，但由于地層無法提供足夠的支反力，注漿同樣無法達(dá)到較好的效果，房屋沉降3 mm；在加固地層力學(xué)參數(shù)有明顯改善的情況下，地層有足夠的支反力，注漿可以實(shí)現(xiàn)房屋的抬升，在0.5 MPa的注漿壓力下房屋抬升0.65 mm；② 基礎(chǔ)變形主要以傾斜為主，筏板基礎(chǔ)有助于提高建筑物的整體承載力和適應(yīng)不均勻沉降能力。

(2) 開挖階段房屋沉降控制模擬

為研究基坑開挖過程中跟蹤注漿對房屋沉降影響及地連墻變形情況，分別計算開挖每一層注漿前和注漿后位移變化的差值，從而分析每個施工階段注漿對房屋及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。計算結(jié)果提取房屋注漿加固后開挖到每一層注漿前后房屋至基坑邊緣沉降的變化情況，具體如圖8～13所示。

圖8 未加固注漿豎向位移變化曲線

由圖8、9可以看出：隨著開挖的進(jìn)行，注漿引起房屋出現(xiàn)較大的沉降，地連墻出現(xiàn)最大7 mm的水平位移。但隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，其差異性越來越不明顯。

由圖10、11可以看出：有止?jié){墻注漿引起的房屋沉降明顯要小于沒有止?jié){墻地層，最大沉降3.3 mm。地連墻最大水平位移3 mm，同樣隨著基坑的開挖，其變化量并不明顯。

圖9 未加固注漿地連墻水平位移變化曲線

圖10 有止?jié){墻注漿豎向位移變化曲線

圖11 有止?jié){墻注漿地連墻水平位移變化量曲線

圖12 加固后注漿豎向位移變化曲線

由圖12、13可以看到：加固后注漿可以實(shí)現(xiàn)房屋的抬升，最大抬升0.65 mm。地連墻在注漿深度位置有局部水平位移1.7 mm。

綜上分析說明：開挖過程注意及時架設(shè)支撐，避免超挖，做好地連墻位移監(jiān)測，控制注漿壓力，跟蹤注漿和施工前注漿對房屋沉降的差異差別很小。

圖13 加固后注漿地連墻水平位移變化曲線

(3) 注漿壓力對建筑物沉降影響

為分析土層各階段注漿壓力的變化對地層的影響，對3種工況，注漿壓力分別取0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 MPa時房屋豎向位移結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同地層條件下注漿壓力與房屋豎向位移變化曲線

由圖14可以看出：在地層未加固的情況下，隨著注漿壓力的增加，房屋的沉降變大。在地層加固完成后，注漿壓力的增大房屋抬升效果越明顯。所以在前期注漿要少量多次，低壓慢注，地層逐漸改善后再增大注漿壓力和注漿量，達(dá)到房屋抬升的目的。

4 現(xiàn)場監(jiān)測及跟蹤注漿控制

為對房屋沉降進(jìn)行更好的控制，后期土方開挖過程中，采取跟蹤注漿措施。在注漿過程中對房屋沉降量和沉降速率進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖15、16所示。

圖15 監(jiān)測點(diǎn)施工工序與沉降曲線(2017年)

圖16 沉降速率與注漿速率關(guān)系(JC01測點(diǎn))

由圖15、16可以看出：① 前期開挖注漿過程中房屋沉降明顯，后期沉降曲線趨于穩(wěn)定；② 注漿量與沉降速率正相關(guān)。注漿速率過快，會引起房屋沉降加劇，說明軟弱地層注漿會引起地層孔隙水壓力的上升，而孔隙水壓力消散過程是土層固結(jié)沉降的過程，注漿速率過快造成更大范圍內(nèi)的地層擾動，從而引起房屋沉降。

由于開挖過程中房屋沉降繼續(xù)發(fā)展，為盡量減小地層擾動，實(shí)現(xiàn)對房屋沉降的有效控制，注漿采取少量多次、單雙液漿交替進(jìn)行注漿，并控制注漿壓力<1 MPa。至2017年7月11號，此時注漿量為350 t左右時房屋實(shí)現(xiàn)了注漿抬升，與數(shù)值計算結(jié)果吻合。

由于淤泥和黏土地層注漿會使?jié){液過于擴(kuò)散不夠集中，在這樣一個松散基礎(chǔ)環(huán)境中，地基承載力低，注漿地基無法提供足夠的支反力，實(shí)現(xiàn)房屋抬升是非常困難的。隨著注漿的持續(xù)進(jìn)行，土層的力學(xué)性能得到逐步改善，土層被固結(jié)擠密，注漿后引起的地層固結(jié)沉降越來越小。地層有了明顯的改善，此時進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿，地基可以提供足夠的支反力，注漿可以實(shí)現(xiàn)房屋抬升。

5 結(jié)論及建議

(1) 在臨近房屋深基坑開挖過程中，容易引起臨近房屋差異沉降，需注重對房屋采取止沉措施。

(2) 在地層松散孔隙率大的基礎(chǔ)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)房屋抬升前期有可能造成房屋加速沉降。注漿前要做好止?jié){墻，少量多次注漿，逐漸提高土層的力學(xué)性能。

(3) 有止?jié){墻和地層加固可以減小跟蹤注漿過程中的房屋沉降和地連墻的位移。在房屋注漿抬升之前，要重視止?jié){措施和地層預(yù)加固。

(4) 嚴(yán)格意義上的房屋抬升是很有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)技術(shù)。它的必要前提是：止?jié){墻和地層的預(yù)加固。同時，還需要采取合理的抬升壓力。在注漿之前要做好止?jié){措施，地層加固之前要低壓慢注，地層逐漸改善后再提高注漿壓力，實(shí)現(xiàn)房屋注漿抬升。