戴傳英

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展,地鐵、輕軌的興起,地下建筑大幅增加,特別在深厚層第四系地層覆蓋的城區(qū),明挖的深基坑受地下水的威脅,不僅坑壁不穩(wěn)定,基礎(chǔ)無法施工,一旦發(fā)生基底涌砂、潰決,即可能產(chǎn)生基坑垮塌,甚至造成周邊環(huán)境、建筑嚴(yán)重破壞的危險(xiǎn)。

受城市環(huán)境的局限,基坑防水多采用地下連續(xù)墻、抽水降深和注漿加固等方案。通過在長江一級階地的武漢市漢口鬧市區(qū)的工程實(shí)踐,注漿加固無疑是安全、經(jīng)濟(jì)、合理的施工方案。回顧歷經(jīng)的各實(shí)施項(xiàng)目,初步總結(jié)以下設(shè)計(jì)思路和施工方法,以供業(yè)界參考。

1 注漿加固的工藝基本原理

注漿加固(即灌漿法或壓力注漿)工藝是用氣壓、液壓或電化學(xué)原理,把某些能固化的漿液注入各種巖土體的裂隙或孔隙,以改善地基的物理力學(xué)性質(zhì),以期達(dá)到地基或圍巖的加固、防滲、堵漏的目的。

2 深基坑注漿加固設(shè)計(jì)

2.1 深基坑基底隔水頂板穩(wěn)定性評價(jià)

深基坑施工開挖隨深度增加,隔水頂板逐漸變薄,在承壓水頭作用下,頂板穩(wěn)定性越來越差,直至沖潰基坑底部,造成施工無法進(jìn)行,周邊環(huán)境惡化。為避免上述災(zāi)害地質(zhì)和環(huán)境問題發(fā)生,根據(jù)勘察獲取不同土層的物理力學(xué)和承壓水的相關(guān)參數(shù),擬定預(yù)注漿加固方案。確保隔水頂板的厚度,可維持基底穩(wěn)定狀態(tài)和水環(huán)境的原始狀態(tài)。

2.1.1 評價(jià)基底穩(wěn)定的計(jì)算

檢算不透水層基底穩(wěn)定厚度,采用水頭壓力平衡式進(jìn)行計(jì)算(圖1)。

圖1 基坑下水位示意

當(dāng)滿足下列條件,基底處于穩(wěn)定狀態(tài),其基本式為

式中 H0——基底開挖后不透水層厚度,m;

γ——土的重度,kN/m3;

γ0——水的重度 ,kN/m3;

h——承壓水頭高于含水層頂板的高度,m。

當(dāng)土的天然重度 γ=18～20 kN/m3時(shí),不透水層厚度計(jì)算結(jié)果評價(jià):

(1)H0=(γ0/γ)·h處于極限平衡狀態(tài),即 H0=(0.5～0.56)h;

(2)H0＞(γ0/γ)·h基底處于穩(wěn)定狀態(tài),即 H0＞(0.5～0.56)h;

(3)H0＜(γ0/γ)·h基底處于不穩(wěn)定狀態(tài),即 H0＜(0.5～0.56)h。

2.1.2 不穩(wěn)定基底的加固厚度

基底隔水頂板處于不穩(wěn)定狀態(tài),隔水層頂板及其以下一定注漿加固厚度的計(jì)算(圖2)

圖2 注漿加固厚度示意

注漿加固處理總厚度 H1應(yīng)為基底至加固底部的高度,即基坑開挖后殘余隔水層厚度 H0與隔水層底板以下加固厚度 b的總和。

即:H1=H0+b

當(dāng)含水層沒有固定的隔水頂板,基底加固厚度 H1應(yīng)維持不少于 H0+b。

2.2 基坑側(cè)壁垂直帷幕的計(jì)算

注漿垂直帷幕往往與其他基坑側(cè)壁防護(hù)措施(如防護(hù)樁、支撐樁、旋噴樁、深層攪拌樁等)結(jié)合使用,基坑側(cè)壁注漿與周邊其他工程防護(hù)可視為同類“灰土混合軟巖體”。

2.2.1 注漿垂直帷幕厚度的計(jì)算

注漿垂直厚度參考式(4)計(jì)算

式中 T——帷幕厚度,m;

ΔH——帷幕前后的水頭差;

I0——帷幕的水力坡降,一般取值 10～25(相對于土層取 10)。

2.2.2 垂直帷幕的深度

對于重要工程的基坑采取帷幕注漿時(shí),側(cè)壁加固深度除應(yīng)滿足基底加固高程外,還應(yīng)滿足插入深基坑底以下不少于 5 m的要求。

2.3 注漿的設(shè)計(jì)原則

2.3.1 注漿孔的布置

注漿孔的布置主要依據(jù)漿液在相應(yīng)土層的擴(kuò)散半徑確定,結(jié)合已施工的工程樁調(diào)整。

(1)注漿孔排列形式可按梅花形交錯(cuò)布置,特殊情況可按正方形布置。

(2)注漿孔孔距可參照有效擴(kuò)散半徑或加固半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

帷幕注漿孔孔距宜為漿液擴(kuò)散半徑 1.4～1.6倍,排距應(yīng)小于或等于注漿孔的孔距。

一般情況下,砂性土層滲透注漿孔距 0.8～1.2 m;黏性土層劈裂注漿孔間距 1.0～2.0 m。注漿地層較復(fù)雜時(shí),孔距選擇較小的有效擴(kuò)散半徑參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.2 注漿孔的深度

(1)基底注漿水平帷幕深度,應(yīng)按水頭壓力平衡穩(wěn)定性計(jì)算作為孔深設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(2)基坑側(cè)壁垂直帷幕注漿應(yīng)大于基坑深度,并直至基底水平帷幕注漿加固深度或以下。

2.4 注漿量計(jì)算

注漿量計(jì)算有:①注漿體總量計(jì)算法;②單位土體注漿量計(jì)算法;③經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算法;④單孔注漿計(jì)算法等多種,本文介紹前 3種。

2.4.1 注漿體總量計(jì)算法

式中 Q——注漿土體總注漿量,m3;

V——注漿土體總體積,m3(圖3);

n——孔隙率;

α——漿液損失系數(shù),取 1.15～1.30(注漿面積小時(shí)取大值);

β——漿液充填系數(shù),取 0.3～1.0。

圖3 注漿土體示意

2.4.2 單位土體注漿量

式中 Q——注漿土體總注漿量,m3;

α——漿液損失系數(shù),取 1.1～1.2;

q——單位土體總注漿量,m3/m3;

V——總注漿土體,m3。

在注漿土體確定之后,單位土體注漿量按表1取值進(jìn)行計(jì)算。

表1 每 m3土體需水泥漿量 L

2.4.3 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算

式中 Q——漿液總量,m3;

V——總注漿土體,m3;

n——孔隙率;

k——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取值見表2。

表2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

一般情況下,黏性土地基中漿液注放量為注漿土體的 15%～20%,對孔隙率大的軟土,漿液注入量應(yīng)適當(dāng)增大。

3 深基坑防水注漿施工

3.1 注漿方法及施工機(jī)械

對細(xì)顆粒地層一般采用打入法施工,而粗顆粒難以打入,宜使用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)泥漿護(hù)壁成孔的袖閥管法施工,本文僅簡單介紹打入管法施工。

(1)打入管法的機(jī)械設(shè)備

機(jī)械設(shè)備主要有:振動設(shè)備、導(dǎo)向架、振動錘、移動軌道。1994年鐵四院結(jié)合第四系地層深基坑壓力注漿特點(diǎn),自行開發(fā)研制了 ZDJ-1、ZDJ-2型振動沉管機(jī)。

注漿設(shè)備有:注漿泵、制漿儲備設(shè)備?？膳渲枚ㄐ彤a(chǎn)品。

(2)注漿管路直徑

注漿管一般直徑較小,φ=25～42 mm。

(3)打入管的花管結(jié)構(gòu)

打入管的前端有 1 m長的注漿花管,花管上有 3排直徑為 3～4 mm的孔眼,外套橡皮圈,花管頂端為錐頭(圖4)。

圖4 注漿花管結(jié)構(gòu)(以 φ42mm為例)(單位:mm)

3.2 注漿材料及配比

(1)材料

水泥:采用強(qiáng)度等級 P.O 32.5級以上普通硅酸鹽水泥。

水玻璃 :35 ～ 40 Be′,模數(shù) 2.4 ～ 3.4。

(2)漿液配比

①水灰比:0.6∶1～2.5∶1,一般取 0.8∶1～1∶1。

②由于注漿管較細(xì),為防止管路堵塞,常單管采用單液注漿。水泥漿液與水玻璃液間隔交替使用。

③當(dāng)需要雙液注漿時(shí),可直接在水泥漿液中摻入2%～5%的水玻璃,在膠凝之前注漿完畢。

3.3 注漿壓力

式中 γ——土的天然重度;

h——注漿深度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般每延米深度的壓力為 20～50k Pa,最大注漿壓力可取土體自重壓力的 2倍。但土層注漿管細(xì),孔壁黏滯系數(shù)及摩阻力大,所以孔口壓力表顯示增大。施工前應(yīng)進(jìn)行注漿壓力調(diào)試,一般注漿壓力可達(dá) 1～4 MPa。

3.4 注漿工作流程

注漿工作流程:平整場地輔軌排→架設(shè)沉管機(jī)→接輸漿管→沉管至注漿段→開泵注漿→再沉拔管至注漿段→全孔注漿完畢→移動至新孔。

3.5 注漿工藝及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

3.5.1 注漿工藝及方法

(1)打入孔注漿本著“先外后內(nèi),先邊緣后中心”的施工順序,同時(shí)堅(jiān)持隔排跳孔施工。

(2)打入孔注漿根據(jù)需要和地質(zhì)條件可從上至下或從下至上,一般為從上至下注漿。

(3)分段注漿長度為 1 m,誤差不宜超過 10%,即10 cm。

3.5.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿施工每延米注漿段平均進(jìn)漿速度 10～20 L/min,注漿達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)之一時(shí),即可結(jié)束注漿(以注漿管路 φ=32～35mm為例)。

(1)當(dāng)泵壓已達(dá) 4 MPa,而吸漿量≤1.0 L/min時(shí);

(2)注漿量控制標(biāo)準(zhǔn),每延米注漿達(dá)到設(shè)計(jì)要求;

(3)注漿過程中發(fā)現(xiàn)冒漿應(yīng)立即暫停注漿,并對冒漿點(diǎn)進(jìn)行封堵后,繼續(xù)注漿。所采取方法可以減少壓力或加稠漿液,以至采用雙液控制。當(dāng)采取上述措施冒漿仍然不止時(shí),可以停止注漿,但相鄰孔應(yīng)實(shí)施“補(bǔ)償”措施。

3.6 注漿工程質(zhì)量檢查

注漿是一種隱蔽工程,質(zhì)量檢查宜采用下列方法進(jìn)行。

(1)根據(jù)施工資料成果分析。

(2)原位測試(靜力觸探、動力觸探)成果比較,注漿前后觸探(或十字板剪切)的力學(xué)指標(biāo)比較。

(3)標(biāo)貫法:注漿前后分別鉆探,用實(shí)測標(biāo)貫值比較。

(4)物探成果的比較:利用電法、面波檢查注漿前后曲線變化。

(5)鉆孔驗(yàn)證。

利用鉆孔注水試驗(yàn)(壓水試驗(yàn))對比注漿前后單位長度吸水量。

工程鉆孔取芯檢查,比較注漿前后土層的物理及力學(xué)指標(biāo)。

3.7 工程實(shí)例

武漢市漢口地區(qū)地貌屬于長江沖積一級階地。地面高程一般為 24～25m。地層由上至下,一般為:①雜填土,厚 1～3 m不等;②黏土,可塑,厚 3～5 m;③粉土(含水層)夾粉質(zhì)黏土,可塑,厚 2～6 m;④粉砂,稍密 ～中密,飽和,厚度大于 8 m。以下由細(xì)漸粗,為中粗砂及砂卵石直至基巖頂面。與長江、漢水連通的承壓含水層多大于30 m,承壓水位一般距地表1.3～1.5m。

位于臨江商業(yè)中心的江漢路中心百貨商店二期擴(kuò)建工程(原稱:中百商貿(mào)城),主樓為 24層,其下為兩層地下室,基坑深距地面 -6.1～-9.7 m,面積 2 920 m2。承壓水頂板平均高程 23.25 m,基底穩(wěn)定評價(jià)基坑封底厚度 8.0 m,距最低高程為 4.35 m。原設(shè)計(jì)比選了地下連續(xù)墻和抽水降深方案,終因水文地質(zhì)條件復(fù)雜,周邊“年逾古稀”的老建筑密集,各種地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜,由此開發(fā)應(yīng)用了注漿加固方案。

施工前根據(jù)試驗(yàn)孔的水泥漿影響半徑 0.5～1.0 m,水玻璃影響半徑 1.1～1.6m,設(shè)計(jì)水泥注漿孔(排)距采用 0.7～1.0 m,水玻璃孔 (排 )距 2.1～3.0m。施工控制為前述的各項(xiàng)控制要求和標(biāo)準(zhǔn)。注漿后地下施工異常順利,大面積開挖后基本干燥無水;設(shè)置基坑外的觀測井水位卻隨氣候條件和長江水位有規(guī)律變化。距基坑 1.5 m的中心百貨商店照常營業(yè),無任何沉降、位移。

在武漢市金源世界中心、建華大廈、武漢數(shù)碼港、新世紀(jì)大酒店、省郵電綜合大樓、君安大廈、絲寶大廈等十余項(xiàng)工程實(shí)踐,均確保了既有建筑安全和周邊環(huán)境無干擾,開挖后不僅基坑無水,明挖順利,而且基坑可采用整體支護(hù);同時(shí)增強(qiáng)了地下建筑的防潮作用。

4 結(jié)語

在城市建設(shè)中高層建筑與地下工程爭空間日益激烈,基坑工程頻繁出現(xiàn)。實(shí)踐表明:在交通和基礎(chǔ)設(shè)施密集、地下水電管網(wǎng)交錯(cuò)或新老建筑制約的復(fù)雜環(huán)境下,采用注漿加固則是“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理”的施工方案。并已在治理地下水豐富的路基塌陷和涵洞施工中推廣應(yīng)用。

[1] 鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.深基坑松軟土層注漿技術(shù)細(xì)則[S].武漢:2004.

[2] 吳治生,戴傳英.軟土路基注漿設(shè)計(jì)與施工[J].鐵路地質(zhì)與路基,2006(1):1 3.

[3] 戴傳英.漢口地區(qū)深基坑止水中的壓力注漿應(yīng)用[J].地基處理,1996(3).

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