李燃垌 蔡冠軍 李久坤

(北京礦務(wù)局綜合地質(zhì)工程公司，北京 102300)

0 引言

當(dāng)前，大城市地下水降排控制越來(lái)越嚴(yán)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(shè)備、大型場(chǎng)地的工藝適用性將在城市建設(shè)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(jì)及施工的可行基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，制定了止水設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的建筑。擬建建筑結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，本工程結(jié)構(gòu)±0.000=44.80 m，平均地面高程為44.00 m(相對(duì)標(biāo)高-0.80 m)，擬建場(chǎng)地基本平坦，本工程槽底高程為14.43 m(相對(duì)標(biāo)高-30.37 m)，基坑開(kāi)挖深度29.57 m。

2 環(huán)境概況

南側(cè)緊鄰D13地塊，由L型住宅樓及純地下車庫(kù)組成。住宅樓地上15層，地下3層，距本工程結(jié)構(gòu)約9.9 m；純地下車庫(kù)地下2層，距本工程結(jié)構(gòu)最近4.3 m。住宅樓及純地下車庫(kù)埋深約10.5 m。南側(cè)主出入口緊鄰該住宅樓，相距約8 m。(見(jiàn)圖1)

西側(cè)臨近金中都西路，道路邊線距本工程結(jié)構(gòu)最近約3.4 m；道路下設(shè)有市政管廊，距本工程結(jié)構(gòu)最近為5.5 m，管廊埋深3.8 m/7.0 m/9.5 m。馬路正對(duì)面為在建住宅樓，其基礎(chǔ)與本工程相距約18 m。

北側(cè)臨近駱駝灣南路，道路邊線距本工程結(jié)構(gòu)8.2 m(局部地下二層4.8 m)；道路外側(cè)設(shè)有市政管廊，距本工程結(jié)構(gòu)5.9 m(局部地下二層2.4 m)，5#節(jié)點(diǎn)部位距離結(jié)構(gòu)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(chǎng)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(chǎng)地北側(cè)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(jì)沉積層卵石④層；卵石⑤層，中砂、細(xì)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(xì)砂⑥1層；密實(shí)，個(gè)別粒徑大于20 cm。

第四紀(jì)沉積層以下為古近紀(jì)沉積全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化礫巖⑦層。

擬建工程場(chǎng)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(dá)310～430 mm，卵(漂)石粒組含量可達(dá)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(qiáng)度差異較大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)前期旋挖樁施工地質(zhì)對(duì)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(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化礫巖⑦層，埋深40 m。

4 水文地質(zhì)概況

工程場(chǎng)區(qū)自然地面以下40 m深度范圍內(nèi)的第四紀(jì)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(biāo)高23.69～24.49 m以下的砂、卵石層中。現(xiàn)場(chǎng)鉆探期間該層地下水(潛水)穩(wěn)定水位標(biāo)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(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)思路

在場(chǎng)地中部建立直徑為3 m的抽水試驗(yàn)區(qū)域，在區(qū)域外50 mm及350 mm處鉆孔兩圈，沿試驗(yàn)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(jìn)行壓力注漿試驗(yàn)，將試驗(yàn)區(qū)域周圍350 mm范圍內(nèi)的土體固結(jié)，形成止水帷幕(見(jiàn)圖3)。

圖3 試驗(yàn)區(qū)域平面圖(單位：mm)

5.1 工藝介紹

采用套管鉆機(jī)進(jìn)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(rùn)土[3]進(jìn)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(gè)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(cè)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(cè)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(cè)向厚度為7 mm，用以固定膠套，從而充當(dāng)止?jié){塞的作用。四根注漿管的長(zhǎng)度各不相同，最長(zhǎng)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(shí)際施工時(shí)其所處位置應(yīng)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(fù)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(gè)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(jiàn)圖7)。開(kāi)始施工時(shí)，先下入組合注漿裝置到預(yù)定位置，然后下入單根注漿管進(jìn)行注漿，注漿壓力為0.5 MPa，漿液溢到孔口時(shí)停止注漿，對(duì)水位以上土層進(jìn)行封堵，防止組合注漿時(shí)漿液外溢。待注漿體達(dá)到初凝狀態(tài)后，開(kāi)始使用組合注漿裝置進(jìn)行注漿。開(kāi)始注漿時(shí)，四根注漿管同時(shí)注漿，注漿壓力為2～4 MPa(在漿液注不進(jìn)的情況下增加注漿壓力至12 MPa)。結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中，需四根管同時(shí)采取雙液泵注漿。對(duì)于壓力低、流速大的管，注入水泥+水玻璃雙液漿；對(duì)于壓力高、流速小的管注入水泥+膨潤(rùn)土雙液漿；對(duì)于壓力、流速適中的管注入水泥單液漿。

5.4 注漿設(shè)計(jì)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(guò)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(jié)果及分析

6.1 地層儲(chǔ)漿情況

完成注漿后，在形成封閉的圓中心，采用旋挖鉆機(jī)成孔，孔直徑0.8 m，從挖出來(lái)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(shuō)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(jiàn)圖8)，在18 m處細(xì)砂中有暗黑色水泥漿(見(jiàn)圖9、圖10)；從26.5 m處開(kāi)始出現(xiàn)明顯的水泥漿塊體(見(jiàn)圖11)，到30 m一直有明顯可見(jiàn)的水泥漿塊體(見(jiàn)圖12)。但是從30～35 m處未見(jiàn)水泥漿塊體，而是尚未成形的松散水泥漿(見(jiàn)圖13)。

圖8 16.5 m處卵石層中 水泥漿

圖9 18 m處細(xì)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(jié)石體

圖13 30～35 m處未成形 水泥漿

6.2 瑞利波檢測(cè)

在深孔復(fù)合高壓雙液帷幕注漿前后均對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了瑞利波檢測(cè)[5]，檢測(cè)平面圖見(jiàn)圖14。檢測(cè)結(jié)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(jiàn)圖15—圖17)。

圖14 瑞利波檢測(cè)平面圖

圖15 瑞利波檢測(cè)北側(cè)區(qū)域

圖16 瑞利波檢測(cè)中部區(qū)域

圖17 瑞利波檢測(cè)南側(cè)區(qū)域

6.3 結(jié)果驗(yàn)證

試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，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(jiàn)圖18)。

圖18 抽水試驗(yàn)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(zhǎng)度按照0.8 m考慮，滲透系數(shù)計(jì)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(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Δh為水頭損失，m。

根據(jù)抽水工程中水位的變化，說(shuō)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(jìn)行了中部抽水井施工和進(jìn)行抽水試驗(yàn)的影響，綜合分析認(rèn)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(shí)，采用此工藝施工需對(duì)30 m以下地層進(jìn)行單獨(dú)加強(qiáng)注漿，增加一根注漿管，能夠更好地達(dá)到止水效果。

7 結(jié)論

對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)如下：

(1)深孔復(fù)合高壓注漿技術(shù)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(yàn)及查找滲漏點(diǎn)具有一定的參考意義。

(3)試驗(yàn)過(guò)程中，注漿階段到抽水驗(yàn)證階段間隔時(shí)間過(guò)短，水泥漿液未達(dá)到止水需求強(qiáng)度，實(shí)際效果將優(yōu)于本試驗(yàn)結(jié)果。

(4)本次試驗(yàn)選擇區(qū)域較小，會(huì)有注漿疊加問(wèn)題，在基坑應(yīng)用中，效果需進(jìn)一步研究。

(5)根據(jù)本次抽水驗(yàn)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(dá)到90%以上，需進(jìn)行排水結(jié)合應(yīng)用。

注漿技術(shù)在明挖基坑大面積止水帷幕中應(yīng)用較少，無(wú)論在注漿止水施工關(guān)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(shí)踐上限制了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。本文通過(guò)深孔復(fù)合高壓注漿在狹小的工作場(chǎng)地中進(jìn)行施工試驗(yàn)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。