圓礫地層近接高層建筑地鐵深基坑基底注漿措施研究

凌 國,吳小健

(廣西南崇鐵路有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著地鐵基坑開挖深度的增加,基坑突涌等問題越來越受到關(guān)注[1]。明挖法是地鐵基坑施工中最常用的施工方法[2]。當(dāng)?shù)罔F明挖基坑近接高層建筑物且坑底地層為結(jié)構(gòu)松散、孔隙大、滲透性髙的圓礫地層時,會引起較大的地表隆降和建筑物變形。特別是承壓水條件下的基坑突涌問題,安全隱患大,處理困難,如何保證施工過程中基坑和建筑物安全成為亟須解決的難題。

目前,歐士嘉[3]采用有限元軟件,分析了深基坑開挖卸載對鄰近建筑物的影響。Finno R J等[4]研究了軟土基坑開挖對周邊建筑物墻體裂縫發(fā)展的影響規(guī)律。Barrios Padura A等[5]針對軟土地層基坑開挖過程中坑外旋噴注漿加固措施對某古建筑物變形的控制效果分析,提出了針對軟土地層坑外旋噴注漿加固的控制標(biāo)準(zhǔn)。馬鄖、鄭俊杰、Xing H等[6-8],通過數(shù)值模擬的方法,研究了軟黏土地層中不同加固形式的基坑變形控制效果。李卓峰等[9]結(jié)合靜力觸探檢測結(jié)果和Plaxis數(shù)值計算,研究了三軸攪拌樁加固對軟土基坑變形的影響。夏夢然[10]采用數(shù)值計算方法,得到了軟土基坑合理的高壓旋噴注漿加固厚度和地連墻嵌固深度。既有研究多針對軟土基坑進(jìn)行研究,對圓礫地層研究較少,且實(shí)際施工過程中圓礫地層注漿孔間距的取值多依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)而定,缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。因此,有必要對松散圓礫地層注漿加固措施和注漿加固參數(shù)進(jìn)行研究。

本文以某地鐵基坑為依托,結(jié)合周邊環(huán)境及地層的水文地質(zhì)特點(diǎn),對承壓水條件下的抗突涌穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析,對比得到合理的注漿加固措施。根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗(yàn),研究不同孔距下地層的滲透性,對注漿孔間距進(jìn)行針對性優(yōu)化。

1 工程概況

某明挖地鐵車站深基坑,基坑尺寸為214.6 m(長)×20.7 m(標(biāo)準(zhǔn)段寬)×17.5 m(標(biāo)準(zhǔn)段深)。鉆孔揭露地層為填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、圓礫及卵石。車站東側(cè)為高層建筑物(地下1層、地上18層),框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)類型為樁基,樁長約13 m,樁徑0.6 m?；优c鄰近高層建筑的最小凈距為13.0 m,平面圖如圖1所示。如圖2所示為圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖。表1為地層物理力學(xué)參數(shù)表。潛水位在地面以下2 m,承壓水水位位于地面以下10.3 m。圓礫地層承壓水水頭高度為抗浮水位位于地表。根據(jù)含水層的性質(zhì)及賦存條件,場地地下水分為第四系松散層孔隙水、承壓水及基巖裂隙水。

根據(jù)車站基坑深度、水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境,車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地連墻+一道混凝土支撐(800 mm×800 mm)+2道鋼支撐(φ609 mm×16 mm)。其中,地連墻下部7 m為素墻。

圖1 地鐵深基坑與高層建筑物位置關(guān)系圖(m)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(m)

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 圓礫地層基底加固措施探討

2.1 基坑抗突涌穩(wěn)定性分析

當(dāng)基坑下有承壓水含水層存在時,基坑底被承壓水頂裂或沖破而形成噴水冒砂的現(xiàn)象,此現(xiàn)象稱為基坑突涌。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(DB11/489-2007)[11]:

(1)

式中:D——坑底面至承壓水含水層頂面間的距離(m),本地鐵深基坑D=4.51 m;

γ——坑底面至承壓水含水層頂面間土層的平均重度(kN/m3),本地鐵深基坑γ=19.7 kN/m3;

hw——承壓水水頭至承壓水含水層頂面間的距離(m),本地鐵深基坑承壓水位為地面以下10.3 m,承壓水含水層頂面為地面以下22.5 m,即hw=22.5-10.3=12.2 m;

γw——水重度(kN/m3),取10 kN/m3;

Kh——基坑抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù),Kh應(yīng)>1.1。

本基坑承壓水含水層主要分布于圓礫及卵石地層中。由式(1)可得:

基坑抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù)<1.1,基坑有突涌的風(fēng)險,存在較大的安全隱患。若不采取措施,基坑將喪失穩(wěn)定性,造成嚴(yán)重的后果。

2.2 圓礫地層基底加固措施探討

基坑底以下承壓水含水層為圓礫層,層厚約8.6 m,孔隙比0.85,承壓水頭高度約為12.2 m,圓礫地層滲透系數(shù)達(dá)5 m/d,強(qiáng)透水層厚度大,孔隙比大,承壓水水頭高。地鐵深基坑?xùn)|側(cè)近接高層建筑物基礎(chǔ)為摩擦型樁基礎(chǔ),樁端持力層為結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較差的松散圓礫地層。基于以上分析,本站地鐵深基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性不滿足要求,基坑變形控制難度大,建筑物易發(fā)生不均勻沉降。

地鐵深基坑地下水控制措施有截水、減壓及封底加固。鑒于圓礫強(qiáng)透水層厚度大,基坑開挖范圍和深度較大,采用截水和減壓的方法來大量抽取承壓水以降低承壓水水頭不合理,建議采用封底加固。

目前,二重管高壓旋噴樁法、三軸水泥攪拌樁法及袖閥管注漿法是常用的坑底封底加固措施。水泥攪拌樁造價低,由于車站基坑距離高層建筑物僅13 m,施工現(xiàn)場用地狹小,臨時用地緊張,三軸水泥攪拌樁施工需要較大的操作空間,適用性較低。二重管高壓旋噴樁法易污染環(huán)境,且受圍護(hù)結(jié)構(gòu)限制存在加固盲區(qū),加固效果欠佳。同時,圓礫地層粒徑為20～40 mm,粒徑較大,高壓旋噴質(zhì)量較差。袖閥管注漿能很好地控制注漿壓力和注漿范圍,不受施工場地限制,在場地狹窄及凈空高度較低時均可以施工,而且注漿體漿液擴(kuò)散均勻,封底加固效果好。綜上分析,建議采用袖閥管注漿封底,防止基坑突涌,控制基坑變形,保護(hù)鄰近高層建筑物?？拥撞捎? m厚φ76 mm袖閥管單漿液,緊鄰高層建筑物的加固區(qū)域采用水泥水玻璃雙液注漿。注漿孔布置采用梅花形,袖閥管注漿過程中控制注漿壓力在1.0～1.2 MPa。

3 袖閥管注漿孔間距優(yōu)化

袖閥管注漿孔間距是保證封底效果的關(guān)鍵指標(biāo),注漿孔間距多為1.0～2.0 m,但該基坑坑底下圓礫地層結(jié)構(gòu)松散、孔隙大、滲透性強(qiáng),袖閥管注漿孔間距需進(jìn)行針對性研究。

在車站端頭設(shè)置袖閥管注漿試驗(yàn)段,等面積劃分為Ⅰ～Ⅵ,共6個區(qū)域,袖閥管注漿孔間距為1～2 m等間距布置,如圖3所示。

圖3 注漿試驗(yàn)區(qū)布置圖

待試驗(yàn)區(qū)域全部注漿完14 d后,采用工程地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔,進(jìn)行常水頭注水試驗(yàn)得到加固地層的滲透系數(shù)。對每個注漿區(qū)域取5個檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測,取平均值作為袖閥管注漿加固后地層的滲透系數(shù),加固體的滲透系數(shù)和變化規(guī)律如表2和圖4所示。

表2 加固體的滲透系數(shù)表

圖4 土層滲透系數(shù)與注漿孔間距曲線圖

根據(jù)規(guī)范要求[12],當(dāng)滲透系數(shù)≤5×10-5cm/s,則認(rèn)為注漿效果滿足要求,否則需及時調(diào)整后期注漿施工參數(shù)。

由圖4可知,加固體的滲透系數(shù)隨著孔距呈正相關(guān),當(dāng)孔距<1.8 m時,滲透系數(shù)呈線性增加;當(dāng)注漿孔間距>1.8 m后,加固體的滲透系數(shù)發(fā)生突變,此時滲透系數(shù)對孔距的變化較為敏感;當(dāng)孔距>1.8 m時,加固體的滲透系數(shù)為5.45×10-5cm/s,不滿足規(guī)范要求。因此,結(jié)合施工現(xiàn)場反饋及規(guī)范要求,注漿孔距宜≤1.8 m。

4 結(jié)語

(1)基于松散圓礫地層結(jié)構(gòu)松散、孔隙大、滲透性強(qiáng)、承壓水頭高的特點(diǎn),基坑抗突涌安全系數(shù)<1.05,基坑有突涌的風(fēng)險,存在較大的安全隱患。

(2)綜合考慮二重管高壓旋噴樁法及三軸水泥攪拌樁法及袖閥管注漿法的適用性,建議采用袖閥管進(jìn)行封底注漿。

(3)根據(jù)注漿試驗(yàn),當(dāng)袖閥管注漿孔間距為2.0 m時,滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求,建議袖閥管注漿孔間距宜≤1.8 m。