注漿加固處理軟土地基的試驗研究

張長生，陶連金，強小俊，胡榮華，3

(1.北京工業大學，北京 100022;2.中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518034;3.鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院，河南 鄭州 450015)

深港西部通道側接線與后海濱路交匯處，規劃的深圳地鐵二號線自側接線下方通過［1］。按地鐵公司的要求，必須對地鐵隧道穿越地層進行注漿加固，否則，地鐵隧道的開挖施工將會擾動軟弱地層，影響到西部通道側接線的安全［2］。西部通道側接線沿線地質條件復雜，設計還考慮在沿線厚度較小的淤泥質亞黏土層及地基形式不同區域的過渡段，采用注漿工法處理［2-3］。由于針對處理加固的軟弱地層的對象不同，注漿工法和施工參數不同，設計方案確定之前，有必要進行測接線工程現場原位注漿試驗，驗證注漿處理方法的工程有效性，探索總結施工工藝和合理的施工參數。

1 工程概況

1.1 場地現狀

根據地質鉆探揭露，試驗場地地質條件如下［4］:

1)人工填土層。層厚約5.0 m，新近填土，成份較雜，不作為本次注漿加固的對象。

2)淤泥層。層厚約4.0 m，飽和流塑狀態，屬于高壓縮性、低強度的超軟弱土，在側接線工程中主要考慮換填，但對該土層的注漿加固效果的試驗也會有利于多方案的比選，所以也作為本次注漿加固處理的對象之一。

3)礫砂層(沖洪積成因)。層厚約2.8 m，松散～中密狀態，不均勻含有有機質，也作為注漿加固的對象。

4)淤泥質亞黏土層(泥沼相成因)。層厚約4.5 m，飽和，可塑～軟塑狀態，含有炭化木，有機質含量較高(約8%)，該土層為本次重點加固的軟弱地層。

5)淤泥混礫砂層(含有機質)。層厚約2.0 m，松散～中密狀態，亦為本次試驗重點加固的對象之一。

1.2 場地處理要求

該處試驗位置鄰近后海濱路和側接線交接處，同時有淤泥、淤泥質土、含淤泥混礫砂等軟弱地層。

根據設計提供的現場試驗技術要求，現場注漿試驗的具體要求可以歸納如下:

1)確定合理的注漿工法，包括注漿配方、工藝和注漿參數。

2)通過現場原位試驗驗證注漿處理的工程效果。

3)驗證注漿是否受淤泥質黏土中有機質含量的影響。

2 注漿工法的選擇

根據擬加固軟弱地層的工程性質，結合設計的要求，推薦采用分層袖閥式劈裂注漿工法加固淤泥、淤泥質亞黏土層和淤泥質砂礫層。

分層袖閥式劈裂注漿工法為國家級工法，適用于各類砂土、淤泥質黏土和一般填土層［5］。經注漿處理后的地層配合盾構和頂管推進，可以有效控制地面沉降，該工法也可以充填注漿和用于建筑物的基礎加固。

袖閥式劈裂注漿法是在地面上開孔放置袖閥管，利用袖閥管多次注漿工藝，使水泥漿在淤泥、淤泥質土層中劈裂、擠壓和滲透形成柱狀、片狀和樹根狀的水泥注漿固結體，同時在注漿過程中軟弱地層受到水泥漿液的壓密并產生一定水化反應，土質得到改善。水泥注漿固結體與原狀土體混在一起形成復合地基，從而改善了土層的強度和壓縮性，達到加固和改良軟弱土層的目的。

該工法對于深港西部通道側接線的地基加固工程而言有以下特點:

1)可以適用于不同的擬加固地層，如淤泥質亞黏土層、含有機質礫砂層、淤泥層等。

2)施工機具小，可以用于狹窄的場地。

3)分層注漿可以實現不同層位的注漿，按土層的不同和加固要求的不同區別對待，而且可以實現多次注漿。

3 注漿試驗

3.1 注漿加固技術要求

根據設計的要求，擬定注漿加固的技術要求如下:

1)淤泥層注漿28 d之后，平均標貫擊數 ＞3擊，靜力觸探端阻力增大50%以上，換算承載力標準值＞150 kPa。

2)淤泥質亞黏土注漿28 d之后，平均標貫擊數＞5擊，靜力觸探端阻力增大50%以上，換算承載力標準值 ＞150 kPa。

3)淤泥混礫砂層注漿28 d之后，平均標貫擊數＞10擊，換算承載力標準值＞200 kPa。

3.2 試驗注漿布孔設計

1)注漿孔正方形布置，間距1.5 m×1.5 m;

2)注漿孔深度初步定為 19.0 m，高程 3.0～-16.0 m;

3)有效注漿長度15.0 m，高程-1.0～-16.0 m;4)共布置注漿孔12個。

3.3 注漿工藝與參數

根據試驗場地的地質條件以及設計要求，初步確定注漿工藝與參數如下:

1)注漿鉆孔直徑110 mm，垂直度偏差＜1%。

2)注漿管采用硬質塑料管，管外徑50 mm，承壓＞3.0 MPa。

3)注漿管上出漿孔間距330 mm，孔徑5 mm，袖閥為膠套管，覆蓋出漿口。

4)按每米注漿加固長度控制注漿量，12個試驗注漿孔分為兩組，每組6孔，第一組，注漿量按水泥用量150 kg/m控制;第二組，水泥用量200 kg/m。

5)注漿分次進行，第一組，注漿3次，第二組注漿4次，每次間隔時間≥24 h。

6)注漿水泥用42.5R普通硅酸鹽水泥。

7)注漿水灰比應按注漿的次序有所調整，依次增大水灰比，控制范圍為1.00～0.45。

8)為增加可灌性和加快試驗進度，在注漿中可加入水泥用量0.3%的FDN-5復合型外加劑。

3.4 注漿工藝流程

根據現場試驗場地的情況，注漿初步按以下工藝流程實施:

1)根據要求鉆孔到位，必要的情況采用套管跟進鉆進。

2)通過鉆桿向鉆孔內注入封殼料。

3)插入塑料袖閥管。

4)封殼料凝固之后，自下而上分段注漿，注漿采用雙向密封注漿芯管，分段長度與袖閥管間距相適應。

5)分段注漿完成之后，用清水清洗注漿管，以備下次注漿使用。

6)重復注漿，達到設計注漿水泥用量。

3.5 試驗注漿工期

試驗注漿于2004年4月10日進場，4月18日注漿工作結束，5月12日完成各種規定的測試工作后撤場，共歷時24 d。

注漿施工和原位測試檢驗的時間分別為:

場地準備及靜力觸探和標貫試驗:2004年4月11日。

注漿孔開鉆時間:2004年4月11日—4月12日。

注漿時間:2004年4月12日—4月19日。

靜力觸探和標貫檢測試驗:2004年5月11日—5月12日。

4 注漿工藝與參數的確定

4.1 注漿工藝流程

根據試驗確定的實際注漿施工工藝流程為:

放點→鉆孔→清孔→下封殼料→下袖閥管→拔套管→補足封殼料→24 h后開始第一遍注漿→第二遍注漿→…→第四遍注漿。

4.2 實際注漿參數

根據試驗確定的合理的注漿參數如下:

1)封殼料配方

水泥和膨潤土比1∶1，水灰比0.6。

2)水泥

水泥品種宜采用42.5R普通硅酸鹽水泥。

3)注漿施工參數

①注漿次數，根據本場地地質條件，注漿次數為4次;②注漿液水灰比，通過試驗確定第一次與第二次的注漿水灰比為1∶1，第三次與第四次的注漿水灰比為0.75∶1;③ 注漿壓力，第一次為0.1 MPa。

根據試驗確定的不同注漿次序、注漿液配方及注漿壓力，如表1所示。

表1 注漿水灰比及注漿壓力

5 試驗注漿的檢測結果與分析

試驗段完成注漿28 d之后，進行現場鉆孔取樣、靜力觸探和標貫等原位試驗。共進行了4孔58組標貫試驗，4孔靜力觸探試驗，2個取樣孔。標貫試驗結果見表2。有關取樣觀察和標貫試驗、靜力觸探試驗的結果分析如下。

5.1 取樣觀察和土工試驗

在注漿加固土層所取出的試樣有明顯的脈狀、片狀水泥漿固結體，但該種固結體分布不均勻。由于注漿之后所取出的土樣具不均勻性，試驗室關于土樣的含水量試驗指標、強度指標等不具代表性，不具備統計規律。

5.2 標貫試驗

要求的標貫試驗頻率為在注漿加固的地層1次/m。

從試驗結果可以看出，注漿處理28 d之后，淤泥、淤泥質亞黏土和淤泥混礫砂等地層的標貫原位測試指標有較大幅度的增加，其中淤泥質亞黏土和淤泥混礫砂層標貫擊數增大顯著。礫砂層注漿前后標貫擊數變化不顯著。

比照有關規范，對應黏性土、砂土的指標，可以對注漿前后不同土層的地基承載力作大致的對比。比較結果如表3所示。

5.3 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗在注漿之前做了2孔，注漿之后做了4孔，其中試驗前后各有一個觸探孔遇到障礙未能取得有效數值。靜力觸探試驗和數據的處理參照了相關行業標準。靜力觸探的布點參見平面圖(略)。注漿加固前后不同土層的靜力觸探端阻力的平均值統計于表4。

靜力觸探試驗的結果表明，注漿處理前后地基的靜力觸探平均端阻力有明顯的提高，但是靜力觸探反映的阻力曲線具有不規則性。在實際可操作性方面不如標準貫入試驗。

表2 標貫試驗結果

表3 不同地層加固前后的承載力標準值fk對比

表4 靜力觸探試驗平均端阻力值 MPa

根據上述試驗結果可以看出，經過注漿處理之后，各土層的原位測試指標均有所提高，其中標貫試驗的擊數增大明顯，而且現場試驗具有較好的可操作性。標貫試驗可以作為注漿加固工程效果的質量檢驗方法。比照有關規范，對應黏性土、砂土的指標，可以對注漿前后不同土層的地基承載力作大致的對比。比較結果如表5所示。

壓縮模量，建議按經驗公式計算

由于經過注漿處理之后地層有脈狀、片狀的水泥注漿固結體，標貫試驗紀錄的標貫擊數有較大的離散性。根據本次試驗的結果，評價注漿加固的工程效果宜采用平均值和最小值結合考慮的評價方法。具體注漿質量檢測標準建議如表6所示。

表5 不同地層加固前后的承載力fk對比

表6 注漿加固質量檢驗指標推薦值 擊

6 注漿加固的質量檢測方法和指標

由于經過注漿處理之后地層中有脈狀、片狀的水泥注漿固結體，鉆孔取樣之后土樣具有不均勻性，所以用鉆探取樣并進行室內化驗的方法評價并檢驗注漿加固效果的方法不合理［6-7］。靜力觸探試驗對于軟土且較均勻的地層，具有檢測靈敏度較高，數據連續等特點，但是本試驗段靜力觸探的試驗結果表明，同樣由于注漿固結體在土層中以脈狀和片狀不均勻分布，靜力觸探的阻力曲線波動顯著，較難用于綜合分析軟弱地層加固后的性質。相對而言，對于不同地層，加固前后標貫試驗紀錄的標貫擊數的平均數值較為穩定，能夠對比軟弱地層加固前后的工程性質。所以建議在工程實際中采用試驗前后標貫試驗測定的標貫擊數評價注漿加固的工程效果以及施工質量。

根據本次試驗的結果，評價注漿加固的工程效果宜采用平均值和最小值結合考慮的評價方法。

7 結論

總結試驗段注漿施工和檢測試驗結果，認為注漿試驗段達到了設計目的，主要結論有:

1)采用劈裂注漿法可以有效加固深港西部通道側接線擬建場地的淤泥層、淤泥質亞黏土層和淤泥質礫砂層，未見淤泥質亞黏土層的有機質含量對注漿效果有不利的影響。

2)可以根據原位測試的結果，通過有關規范和手冊對照類似土質，取用注漿加固后地層的地基承載力標準值指標，以及壓縮模量計算經驗公式。

3)經過試驗對比，不同的水泥用量，加固的效果略有差別，但原位測試的結果表明差別不是很大，對于本工程推薦采用150 kg/m注漿水泥用量，即可滿足設計要求。

4)劈裂注漿應分層、分次進行，根據試驗結果，分三次注漿比較合適，每次注漿間隔時間不小于24 h。

5)建議注漿施工采用以下參數(見表7)。

表7 建議的注漿施工參數

6)建議采用鉆機取樣及標貫試驗的方法，檢驗注漿加固工程效果和施工質量。在標準貫入試驗鉆機鉆孔的過程中取土樣觀察檢驗注漿加固后土層中的漿液分布情況和固結體的外觀強度等。量化質量檢驗方法主要采用標準貫入法，質量檢測指標見表5。

7)注漿施工過程中的施工質量檢驗方法還應包括水泥檢驗、水泥漿液配方檢驗和水泥漿試塊的抗壓試驗等。

8)要求施工中記錄注漿施工的主要工藝參數和施工時間等重要數據。

9)本文采取的試驗方法正確合理，所得結論對深圳地區類似工程的設計施工有借鑒意義。

［1］劉國楠.深港西部通道深圳側接線工程—深基坑的設計、施工技術和安全性評價研究［R］.深圳:中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，2008.

［2］中交規劃公路規劃設計院，深圳市城市規劃設計研究院.深港西部通道可行性研究報告［R］.深圳:深圳市深港西部通道工程建設辦公室，2001.

［3］香港路政署.深圳西部通道勘察及策劃［R］.香港:香港路政署，2002.

［4］深圳市勘察研究院有限公司.深圳西部通道巖土工程詳細勘察報告［R］.深圳:深圳市勘察研究院有限公司，2005.

［5］蔡希杰，李世忠.袖閥式劈裂注漿在深港西部通道工程中的應用［J］.建筑技術與應用，2007(5):33-34.

［6］鄭偉鋒，王明羿，鄭先昌，等.靜力觸探在南廣高速鐵道工程地質勘察中的應用［J］.鐵道建筑，2009(4):82-84.

［7］童建軍，張強鋒.原位測試技術在地基處理效果檢測中的應用［J］.鐵道建筑，2006(4):46-48.