巴蛟龍，汪志翔，吳永強(qiáng)，王其祥，戎 葛

(中鐵七局集團(tuán)(惠州)工程建設(shè)有限公司,廣東 廣州 516000)

0 引言

某沿海城市,地下水資源豐富,地下水位呈季節(jié)性變化,且地下管線繁多?，F(xiàn)代化城市建設(shè)中基坑越挖越大、越挖越深?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)以及止水帷幕常采用地下連續(xù)墻、咬合樁、排樁結(jié)構(gòu),輔以攪拌樁、高壓旋噴樁,接縫后注漿等等方式進(jìn)行止水。由于施工的誤差、地下情況復(fù)雜,都有可能導(dǎo)致出現(xiàn)滲漏,甚至出現(xiàn)流水、涌砂。基坑圍護(hù)(截水)結(jié)構(gòu)施工完成后,基坑開(kāi)挖前,通常采用鉆芯法、抽水試驗(yàn)等方法對(duì)截水機(jī)構(gòu)的檢測(cè)驗(yàn)證。在工程實(shí)踐過(guò)程中,由于上述檢測(cè)方法的局限性,并不能完全檢測(cè)截水效果的優(yōu)劣。基坑的漏水情況通常在開(kāi)挖過(guò)程揭露。

當(dāng)基坑位于沿海城市,水系管網(wǎng)密布,季節(jié)水位起伏較大?；娱_(kāi)挖時(shí),甚至呈現(xiàn)良好的止水效果,當(dāng)雨期時(shí),基坑表現(xiàn)為流水,漏水現(xiàn)象有一定的滯后性。當(dāng)基坑滲漏水經(jīng)過(guò)預(yù)處理,從短期的表面上得出了已經(jīng)成功堵漏的假象,但雨期來(lái)臨后或外力碰撞噴錨面時(shí),原滲水點(diǎn)再次涌水夾泥,治理難度大大增加。

基坑截水結(jié)構(gòu)漏水主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面濕漬、線流、漏泥砂。本文主要論述采用雙液注漿封堵技術(shù)處理基坑截水帷幕線流及漏泥砂的情況。

雙液注漿[1-2]是指以水泥漿、水玻璃為主劑,將兩者按一定比例分別泵送混合后注入地層的過(guò)程。利用該混合漿液膠凝結(jié)速度快、強(qiáng)度提高快的特點(diǎn)迅速填充、固結(jié)注漿區(qū)的巖土體,甚至通過(guò)高出水頭壓力的注漿壓力逆向填充滲水通道及周邊空隙。其反應(yīng)機(jī)理如下:

水玻璃是由氧化鈉(Na2O)與不定量無(wú)水二氧化硅(SiO2)結(jié)合的化合物,分子式表達(dá)為Na2O·nSiO2。水泥漿在碰到水玻璃后能很快進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),其化學(xué)反應(yīng)方程式為:

3CaO·SiO2+nH2O→2CaO·SiO2·(n-1)H2O+Ca(OH)2(水泥水化反應(yīng))

Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O↓+2NaOH(水泥漿與水玻璃反應(yīng)生成凝膠性硅酸鈣)。

1 雙液注漿設(shè)計(jì)

雙液注漿堵漏質(zhì)量高低主要體現(xiàn)在漿體凝結(jié)時(shí)間與結(jié)石體抗壓強(qiáng)度[3]。雙液注漿設(shè)計(jì)針對(duì)上述兩個(gè)指標(biāo),通過(guò)控制雙液濃度及配比以得出最佳設(shè)計(jì)方案。

1.1 凝膠時(shí)間

1.1.1 水泥漿濃度對(duì)凝膠時(shí)間影響

水泥漿與水玻璃等量拌合,選用了質(zhì)量濃度為40 Be′的水玻璃。分別將水灰質(zhì)量比(W∶C)為0.6∶1,0.75∶1,1∶1,1.5∶1的水泥漿與水玻璃拌合,得到不同凝固時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 不同水泥漿水灰比配置漿液凝結(jié)時(shí)間

由表1得出水灰比越大,水泥漿濃度越小,漿液凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。因此在現(xiàn)場(chǎng)注漿施工過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)整水泥漿的配比來(lái)獲得較短的凝膠時(shí)間,以達(dá)到快速堵水目的。

1.1.2 水玻璃濃度對(duì)凝膠時(shí)間影響

水泥漿與水玻璃體積比1∶1,采用不同濃度的水玻璃與不同水灰比的水泥漿配置漿液。

由圖1可得水玻璃濃度增大對(duì)凝膠時(shí)間不利,施工時(shí)宜采取濃度較低的水玻璃以縮短凝膠時(shí)間。

1.1.3 雙液體積比對(duì)凝膠時(shí)間的影響

采用水泥漿W∶C=1∶1(質(zhì)量比),水玻璃質(zhì)量濃度選取35 Be′,水泥漿與水玻璃體積比控制在1∶0.3～1∶1區(qū)間分組調(diào)配獲得凝膠時(shí)間如表2所示。

表2 不同雙液含量配置漿液凝結(jié)時(shí)間

由表2可知,在體積比為1∶0.3～1∶1范圍內(nèi),水玻璃用量越少,凝膠時(shí)間越短。故施工時(shí)可通過(guò)注漿泵調(diào)節(jié)水泥漿與水玻璃的比例,以獲得較短的凝膠時(shí)間,從而達(dá)到快速堵水的目的。

1.2 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度

將每種配比的雙液結(jié)石體制作3個(gè)試件,在(20±5)℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù),再對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)以探究影響結(jié)石體強(qiáng)度的因素找出最適合的雙液濃度以及配比。

1.2.1 水泥漿濃度對(duì)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響

使用含量約為40 Be′的水玻璃,與水泥漿以1∶1混合,水泥漿水灰質(zhì)量比分別為0.6∶1,0.75∶1,1∶1,1.5∶1分組配置漿液形成結(jié)石體,效果見(jiàn)圖2。

由圖2得水灰比越大,結(jié)石體抗壓強(qiáng)度越小,同時(shí),當(dāng)水泥漿水灰質(zhì)量比大于1∶1時(shí),早期抗壓強(qiáng)度值較小,因此,在注漿施工過(guò)程中,可以通過(guò)調(diào)整水泥漿的配比來(lái)獲得較高的抗壓強(qiáng)度,同時(shí),水泥漿水灰質(zhì)量比不宜大于1∶1,否則漿液早期強(qiáng)度較低。

1.2.2 雙液體積比對(duì)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響

用水灰質(zhì)量比為1∶0.6的水泥漿,35 Be′的水玻璃,把水泥漿與水玻璃按1∶0.3～1∶1混合,得到的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

從圖3中可以看出1∶0.3～1∶0.5的范圍,較大體積比的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度較高;在1∶0.5～1∶0.6之間,體積比較大時(shí)漿液抗壓強(qiáng)度較高;在1∶0.6～1∶0.7之間,體積比較大時(shí)漿液抗壓強(qiáng)度較高;在1∶0.7～1∶1之間,體積比較大時(shí)漿液抗壓強(qiáng)度較高。

當(dāng)體積比為1∶0.5時(shí),存在一個(gè)抗壓強(qiáng)度高峰值;而在1∶0.6時(shí),存在抗壓強(qiáng)度低峰值。因此,在注漿施工中,進(jìn)行雙液漿比例調(diào)整時(shí),宜采用1∶0.5體積比值,同時(shí)調(diào)制漿液時(shí)要嚴(yán)格按照比例進(jìn)行,否則一旦出現(xiàn)偏差,對(duì)漿液早期強(qiáng)度影響較大。

2 施工方法

2.1 注漿順序

施工時(shí),注漿的預(yù)期效果是外圍達(dá)到“圍、堵、截”的目的,內(nèi)部達(dá)到“填、壓、擠”的目的[4]。因此,注漿施工應(yīng)遵循以下原則。

2.1.1 跳孔注漿原則

在注漿施工中,分序跳孔注漿有利于漿液擠壓密實(shí)。同時(shí)可及時(shí)根據(jù)前序孔注漿效果對(duì)后續(xù)孔注漿進(jìn)行調(diào)整。因此,原則上所有的注漿工程都應(yīng)采取跳孔注漿。跳孔注漿可采取兩序孔原則和四序孔原則。

2.1.2 先漏水區(qū)后非漏水區(qū)

漏水是因?yàn)闃犊p咬合不足,水泥土缺失,圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間呈垂直方向通縫,往往垂直通縫又穿過(guò)若干地層,滲水點(diǎn)通常位于滲水系數(shù)較大的地層,當(dāng)不及時(shí)堵水,易造成上部坍塌、地表人員傷亡或機(jī)械傾斜。故應(yīng)先進(jìn)行堵水充填漏水點(diǎn),再進(jìn)行非漏水點(diǎn)進(jìn)行加固。若不對(duì)非漏水點(diǎn)進(jìn)行加固,當(dāng)漏水點(diǎn)被堵塞后,水頭壓力上升,當(dāng)繼續(xù)開(kāi)挖時(shí),易造成其他地層接著滲漏。

2.1.3 由外側(cè)到內(nèi)側(cè)原則

在施工中,先對(duì)外側(cè)孔位進(jìn)行注漿包圍注漿區(qū)域,再對(duì)內(nèi)側(cè)孔位進(jìn)行注漿能更好發(fā)揮擠密壓實(shí)的作用,實(shí)現(xiàn)約束注漿,提高注漿效果。

2.1.4 定量-定壓相結(jié)合原則

在注漿施工時(shí),如果僅按照注漿壓力與設(shè)計(jì)終壓一致的規(guī)定進(jìn)行注漿,就可能造成大量泥漿被浪費(fèi),且施工期限大大延長(zhǎng)。故跳孔分序注漿時(shí),對(duì)前序鉆孔定量注漿料,對(duì)后續(xù)鉆孔定壓注漿料。

2.1.5 多孔少注原則

施工時(shí)若不遵循定量-定壓相結(jié)合的注漿原則,會(huì)導(dǎo)致前期的孔注漿過(guò)多過(guò)滿,而后期大多數(shù)孔注不進(jìn)漿,從而出現(xiàn)注漿盲區(qū)。在澆筑時(shí)應(yīng)遵循定量-定壓相結(jié)合為基礎(chǔ),同時(shí)兼顧多孔少注,從而使每個(gè)孔更好的發(fā)揮作用,減少注漿盲區(qū)的出現(xiàn),提高注漿整體效果。

2.2 注漿參數(shù)

設(shè)計(jì)注漿施工方案時(shí)需考慮地質(zhì)條件、不同部位和注漿壓力、流量變化等諸多影響因素,動(dòng)態(tài)調(diào)整注漿參數(shù),以確保質(zhì)量,避免浪費(fèi)。

2.2.1 漿液膠凝時(shí)間

建議將凝膠時(shí)間控制在30 s～30 min。設(shè)計(jì)時(shí),若地層涌水量大,工人操作工藝熟練時(shí)凝膠時(shí)間取小值,反之取大值。

2.2.2 單孔單段注漿量

注漿時(shí)按照定量-定壓相結(jié)合原則,對(duì)先序孔定量注漿。單孔單段注漿量采用下式進(jìn)行計(jì)算:

Q=πR2Hnα(1+β)。

其中,Q為單孔單段注漿量;R為漿液擴(kuò)散半徑;H為注漿分段長(zhǎng)度;n為地層空隙率(裂隙度);α為地層空隙或裂隙充填率;β為漿液損失率。

2.2.3 注漿終壓

對(duì)于注漿終壓的選取,若取值太低,則達(dá)不到注漿效果;若取值太高,則造成爆管,噴錨面崩塌,漿液浪費(fèi)。因此,注漿壓力應(yīng)選取一個(gè)合理區(qū)間,通常按下式計(jì)算:P終=P水+2～4。

2.2.4 注漿速度

注漿初期采用過(guò)大的注漿速度會(huì)使實(shí)際注漿壓力大于設(shè)計(jì)注漿壓力,導(dǎo)致地表隆起;若注漿速度過(guò)慢,注漿量過(guò)少存在被地下水稀釋的風(fēng)險(xiǎn)從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的注漿效果。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),根據(jù)不同土應(yīng)選擇不同注漿材料速率:對(duì)粉質(zhì)黏性土,注漿速度宜取20 L/min～40 L/min;對(duì)砂礫石等孔隙較多的地層,注漿速度宜取40 L/min～60 L/min。

2.2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

雙液注漿堵漏工作遵循定量-定壓相結(jié)合原則,先續(xù)孔達(dá)到設(shè)計(jì)的單孔單段注漿量的1.2倍～1.5倍,后續(xù)孔達(dá)到設(shè)計(jì)終壓且注漿速度小于5 L/min～10 L/min時(shí),停止單孔注漿。

3 注漿方案

根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征以及所處的基坑開(kāi)挖后施工階段[5-6],針對(duì)每個(gè)出水點(diǎn)設(shè)置1排～2排注漿孔,每排注漿孔3個(gè)～4個(gè)注漿口,注漿口間距1 m。前后兩排梅花形布設(shè),如圖4所示。

3.1 注漿順序

按圖4所示順序跳孔注漿,先進(jìn)行漏水區(qū)域注漿,填充涌水掏空的孔洞,并堵塞滲水通道,避免坍塌,造成上方施工人員傷亡。止水注漿完成后,再進(jìn)行加固注漿。加固注漿同基坑止水帷幕深度方向,從下往上注漿。

3.2 注漿材料

采用42.5R普通硅酸鹽水泥,經(jīng)上述雙液設(shè)計(jì)分析,選取水灰質(zhì)量比0.6∶1的水泥漿,質(zhì)量濃度為35 Be′的水玻璃,雙液體積比取1∶0.5。

3.3 注漿參數(shù)

注漿區(qū)域包含粉質(zhì)黏土層、礫砂層和礫質(zhì)黏性土土層。設(shè)計(jì)注漿壓力控制在2.0 MPa～3.0 MPa;注漿速度控制在20 L/min～40 L/min區(qū)間。注漿使用的裝置包括:SM200-1外循環(huán)系統(tǒng)或高速攪漿機(jī)拌制漿液與SS-400攪拌型貯漿罐,分別臨時(shí)貯存調(diào)配好的水玻璃漿和水泥漿。注漿機(jī)啟動(dòng)后,立即開(kāi)啟注漿料泵,并由儲(chǔ)存雙液的管道接通注漿管,開(kāi)始注漿。兩臺(tái)注漿泵泵送壓力應(yīng)協(xié)同一致,避免壓力過(guò)大一方漿液向壓力較小一方返漿,雙液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),造成管道堵塞。

3.4 效果評(píng)價(jià)

注漿過(guò)程中,應(yīng)于注漿區(qū)域周邊5 m范圍設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn),10 min觀測(cè)一次。若出現(xiàn)地面抬起現(xiàn)象,立即停止該次注漿,進(jìn)行下一孔位注漿,注漿結(jié)束過(guò)后,通過(guò)監(jiān)測(cè)資料對(duì)比,周邊管線無(wú)隆起及沉降,地下水位正常?？觾?nèi)該滲水點(diǎn)無(wú)線流及流沙夾泥現(xiàn)象,可繼續(xù)坑內(nèi)施工作業(yè)。

4 工程概況

本文以深圳市福田區(qū)某基坑為例,基坑呈矩形,占地15 000 m2,基坑周長(zhǎng)約530 m,深度約17 m。基坑?xùn)|西南三面采用軟咬合支護(hù),北側(cè)灌注樁排樁+三軸攪拌樁。依據(jù)勘查成果,現(xiàn)場(chǎng)所涉及的基坑開(kāi)挖土種類(lèi)大致為素填土、粉質(zhì)黏土、礫砂、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖,土層參數(shù)如表3所示。該項(xiàng)目擬建3層地下室,布設(shè)兩道支撐,由于基坑較大,縱向每隔9 m布設(shè)立柱。本項(xiàng)目的地下水資源主要是上部潛水與深部承壓水,潛水主要分布于素填土土層;承壓水則分布在礫砂。在開(kāi)挖的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)存在滲漏現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)檢查,發(fā)現(xiàn)其滲漏水位置為南側(cè)咬合樁,該位置支護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1 200 mm混凝土咬合樁,滲漏水的深度大約是10 m～12 m,且位于內(nèi)支撐施工區(qū)域?；悠矫娌贾脠D如圖5所示。

表3 各土層物理力學(xué)參數(shù)

該深基坑工程位于市中心地段,南側(cè)毗鄰深南大道,距雨水管道水平距離6 m,距燃?xì)夤艿浪骄嚯x20 m。故堵漏不容耽擱,采用上述雙液注漿方案進(jìn)行堵漏。

5 有限元模擬及結(jié)果分析

本文借助Midas建立考慮滲流作用的數(shù)值計(jì)算模型[7-8],利用Midas的施工階段模擬分析止水帷幕滲漏以及雙液注漿結(jié)石體服役后引起的基坑變形規(guī)律以及滲流場(chǎng)分析。取基坑開(kāi)挖尺寸深×寬為17 m×95 m建立的有限元計(jì)算模型如圖6所示。其中止水帷幕的滲漏點(diǎn)滲透系數(shù)取所在地層礫砂層的一半[9],滲漏孔徑為0.3 m的圓孔,雙液注漿深度取20 m。

5.1 滲流速度場(chǎng)分布

由圖7可得,基坑開(kāi)挖之前預(yù)先進(jìn)行抽水操作造成坑內(nèi)和坑外水頭差較大,在止水帷幕服役期間,滲流主要發(fā)生形式為通過(guò)止水帷幕底部繞流,而相同土層中的滲流則以水平方向?yàn)橹?。止水帷幕發(fā)生滲漏時(shí),破壞點(diǎn)位于承壓水層,滲漏點(diǎn)處的總水頭達(dá)到滲流場(chǎng)總水頭最大值,將加劇漏水流砂現(xiàn)象,且基坑滲流作用也明顯增強(qiáng)。由圖8可見(jiàn),經(jīng)雙液注漿封堵,有效截?cái)酀B流路徑,滲漏點(diǎn)水頭減小,滲流場(chǎng)總水頭分布逐漸恢復(fù)為初始滲流場(chǎng)[10]。

5.2 土體沉降分布

圖9是止水帷幕發(fā)生局部漏水后坑外地表沉降分布情況。從圖9中可以看出止水帷幕的滲漏加劇了土體的沉降并增大了其影響范圍;地表沉降曲線分布沿橫向水平距離呈“凹”字形,最大沉降值高達(dá)23.1 cm,對(duì)附近管線以及建筑存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。究其原因,止水帷幕的滲漏加重了原基坑外的滲流,導(dǎo)致坑外地下水位降低,使坑外土體的沉降變形顯著增大。由圖10可得,在第一時(shí)間進(jìn)行雙液注漿封堵后,地表沉降過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)得到有效改善,且最大沉降只有3 mm。應(yīng)指出最大沉降在結(jié)石體附近,對(duì)坑口附近放坡處應(yīng)采用插錨桿等措施對(duì)坑外土體進(jìn)一步強(qiáng)化處理[11]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本工程的實(shí)踐證明以及數(shù)值模擬分析,當(dāng)基坑周邊砂層較厚、水系密布、周邊管線復(fù)雜時(shí),一定要進(jìn)行徹底的截水治理工作。雙液注漿相對(duì)水泥注漿而言,具有高效、快速截水、止水、固結(jié)巖土體的效果。及時(shí)的雙液注漿封堵可有效防止止水帷幕滲漏對(duì)基坑以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞。