緊鄰盾構(gòu)隧道超深基坑注漿止水帷幕的設(shè)計(jì)與施工參數(shù)研究*

龐小朝

(鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司， 518041， 深圳∥正高級(jí)工程師)

作為提高巖土體抗?jié)B性能和強(qiáng)度的主要技術(shù)手段，注漿技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地下工程建設(shè)領(lǐng)域。廣州地鐵越秀公園站基坑工程中[1]人工挖孔樁施工期間出現(xiàn)大量地下水滲入，威脅鄰近已建地下室安全，通過在破碎花崗巖層設(shè)置注漿帷幕實(shí)現(xiàn)了工程的順利推進(jìn)。某灰?guī)r地層礦區(qū)，通過對(duì)注漿帷幕關(guān)鍵參數(shù)的研究[2]，實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目礦產(chǎn)資源安全回采和含水層水資源保護(hù)的雙重目的。

針對(duì)注漿漿液在巖土體中的擴(kuò)散規(guī)律、注漿對(duì)巖土體性能的影響、注漿施工方法與工藝等方面問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。文獻(xiàn)[2]針對(duì)裂隙開度不同巖體，提出了注漿充填方法，并基于原位試驗(yàn)檢驗(yàn)了注漿帷幕的截流保水能力。文獻(xiàn)[3]分析了巖層中漿液擴(kuò)散的影響因素，提出了擴(kuò)散范圍與注漿量的預(yù)測方法。文獻(xiàn)[4]自主研發(fā)了水泥基復(fù)合注漿材料(CGM)，并研究了其加固機(jī)理。

在城市建成區(qū)，減少施工對(duì)周邊環(huán)境的影響尤為重要，基坑中注漿帷幕相關(guān)研究和應(yīng)用案例逐漸增加。注漿帷幕的止水效果與地層特性、注漿工藝等因素息息相關(guān)，設(shè)計(jì)與施工參數(shù)的選取十分關(guān)鍵。然而，目前既有文獻(xiàn)中針對(duì)花崗巖破碎帶地層近地鐵超深基坑的注漿帷幕關(guān)鍵參數(shù)、施工工藝和實(shí)測數(shù)據(jù)鮮見報(bào)道，本文依托深圳恒大中心超深基坑項(xiàng)目(以下簡稱“恒大中心項(xiàng)目”)的注漿止水帷幕施工全過程，梳理破碎花崗巖層原位試驗(yàn)和帷幕設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)；通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，研究破碎花崗巖地層透水率-注漿量關(guān)系，探討帷幕透水率設(shè)計(jì)值、注漿量等關(guān)鍵指標(biāo)確定方法，以供類似項(xiàng)目參考。

1 恒大中心項(xiàng)目概況

恒大中心項(xiàng)目是目前深圳地區(qū)設(shè)計(jì)與施工難度最大的基坑工程項(xiàng)目之一。其基坑開挖面積為8 760.00 m2(113.00 m長×73.00 m寬)，開挖深度為38.95～42.35 m。項(xiàng)目鄰近的地鐵盾構(gòu)隧道底部埋深為18.00 m～22.00 m，隧道外邊緣距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離僅3.00 m。場地內(nèi)下伏的粗粒花崗巖層存在壓扭型破碎帶，構(gòu)造裂隙極發(fā)育，場地水位埋深為0.20～3.40 m。項(xiàng)目基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道、破碎帶、注漿帷幕平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑注漿帷幕、盾構(gòu)隧道、破碎帶平面關(guān)系圖Fig.1 Relationship of grouting curtain, shield tunnel and fracture zone

為了控制該工程基坑施工期間鄰近地鐵隧道的變形，必須穩(wěn)定基坑外側(cè)地下水位，控制基坑開挖導(dǎo)致的地下水繞滲和坑底涌水，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部和坑底注漿帷幕已成為該項(xiàng)目成功推進(jìn)的關(guān)鍵。破碎帶、注漿帷幕的斷面布置如圖2所示。注漿止水帷幕采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥凈漿，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 破碎帶、注漿帷幕斷面關(guān)系圖Fig.2 Section arrangement of fracture zone and grouting curtain

表1 注漿止水帷幕設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameter of grouting waterproof curtain

2 帷幕設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

2.1 破碎花崗巖地層實(shí)測透水率

恒大中心項(xiàng)目的注漿帷幕設(shè)計(jì)前，為掌握?qǐng)龅赝杆闆r，對(duì)場地內(nèi)的中微風(fēng)化花崗巖層進(jìn)行了大規(guī)模壓水試驗(yàn)，選取場地內(nèi)16個(gè)代表性位置進(jìn)行壓水試驗(yàn)鉆孔，各孔每5～10 m設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)段，共計(jì)126個(gè)試驗(yàn)段：非破碎帶區(qū)5孔，合計(jì)21個(gè)壓水試驗(yàn)段；破碎帶區(qū)11孔，合計(jì)105個(gè)壓水試驗(yàn)段。試驗(yàn)得到花崗巖層破碎帶區(qū)和非破碎帶區(qū)的透水率占比情況如表2所示，壓水試驗(yàn)的主要結(jié)果如圖3所示。

表2 恒大中心項(xiàng)目花崗巖層透水率的占比情況Tab.2 Proportion of permeability of granite layer in Evergrande Center Project

圖3 壓水試驗(yàn)的主要結(jié)果Fig.3 Main result of water pressure test

由表2和圖3可知，該項(xiàng)目中微風(fēng)化花崗巖層的實(shí)測透水率具有如下特征：

破碎帶區(qū)以弱透水層為主，實(shí)測最大透水率15.8 Lu；非破碎帶區(qū)以微透水層為主，實(shí)測透水率小于1.0 Lu。破碎帶區(qū)的巖層透水率明顯高于非破碎帶區(qū)，破碎帶區(qū)中風(fēng)化巖及淺層微風(fēng)化巖的透水率最高。隨著深度加深，巖層透水率均值呈逐漸下降趨勢。因此，靠近中風(fēng)化巖面的注漿段上段應(yīng)作為帷幕注漿的重點(diǎn)區(qū)段。破碎帶區(qū)巖層透水率均值與中風(fēng)化巖面以下深度關(guān)系擬合結(jié)果如式(1)：

q=6.530 0-0.399 0d+ 0.012 4d2-

0.012 8×10-2d3

(1)

式中：

d——距中風(fēng)化巖層頂面的豎向距離，m；

q——透水率，Lu。

本文采用90%預(yù)測區(qū)間上限來估計(jì)破碎花崗巖地層透水率的概率分布。如圖3所示，得到破碎帶區(qū)巖層透水率90%預(yù)測區(qū)間上限擬合線值為：

q=11.1-0.16d

(2)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，92.4%實(shí)測透水率小于該擬合線值，即小于11.1 Lu。

2.2 帷幕設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

為確定基坑注漿止水帷幕的深度、布置形式及帷幕透水率，本文采用Plaxis 3D軟件建立三維有限元滲流計(jì)算分析模型，用以計(jì)算該基坑開挖期間在不同帷幕設(shè)置條件下隧道側(cè)的地下水下降深度和滲流速度，如圖4所示。

圖4 Plaxis 3d軟件計(jì)算模型Fig.4 Calculation model of Plaxis 3d

計(jì)算時(shí)，巖層透水率取90%預(yù)測區(qū)間上限透水率，邊界條件為定水頭邊界，水頭高度跟場地地下水水位相同。計(jì)算假定如下：巖體中水流動(dòng)符合達(dá)西定律，同一地層為均一、各向同性材料，初始地下水位以下各巖土層均為飽和無壓含水層。

根據(jù)深圳地鐵運(yùn)營主管部門的要求，該基坑施工期間隧道周邊水位下降深度控制值為6 m。本文設(shè)計(jì)了9個(gè)方案，封底帷幕注漿深度分別為10 m、20 m和30 m，基坑周邊墻下帷幕注漿深度分別為10 m、20 m和30 m。在帷幕透水率為1.0 Lu的情況下，經(jīng)比選計(jì)算，該基坑帷幕設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 基坑注漿帷幕關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of key parameters of foundation pit grouting curtain

由圖5可見：該基坑帷幕外側(cè)水位下降深度受墻下帷幕注漿深度的影響較大，受封底帷幕厚度的影響并不顯著。當(dāng)帷幕透水率為1.0 Lu時(shí)，封底帷幕注漿深度10 m、墻下帷幕注漿深度20 m，基坑開挖導(dǎo)致帷幕外側(cè)水位下降深度為4.3 m，小于水位降深控制目標(biāo)值(4.8 m)，且相對(duì)其他帷幕深度組合經(jīng)濟(jì)合理，將以上參數(shù)選取為帷幕透水率設(shè)計(jì)值。

2.3 原位注漿試驗(yàn)驗(yàn)證

為論證注漿止水帷幕設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)性及施工工藝可行性，本文在破碎帶區(qū)選取3個(gè)試驗(yàn)區(qū)，在非破碎帶區(qū)選取1個(gè)試驗(yàn)區(qū)，對(duì)該項(xiàng)目中風(fēng)化花崗巖層頂面至以下20～30 m范圍進(jìn)行注漿帷幕施工，并在注漿前后對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)的平面布置如圖1所示。

注漿施工采用分段注漿、孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下的施工工藝，每個(gè)注漿段3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1.0、0.5∶1.0五級(jí)水灰比依次進(jìn)行注漿，漿液由稀至濃逐級(jí)變換。止水帷幕注漿段的段長和注漿壓力如表3所示。注漿過程中，單個(gè)注漿段的單次注漿量達(dá)到1 000 kg/m時(shí)，停漿待凝，后重復(fù)此施工流程。注漿段在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)漿液的注入速率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min即可結(jié)束注漿。

表3 止水帷幕注漿段的段長及注漿壓力Tab.3 Length and pressure of waterproof curtain section

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，注漿試驗(yàn)的破碎帶區(qū)注漿段的最大注漿量為450.7 L/m，注漿前的透水率為0.35～12.03 Lu，注漿后的透水率為0.06～0.49 Lu。非破碎帶區(qū)注漿段的最大注漿量為98.3 L/m，明顯小于破碎帶區(qū)的最大注漿量。注漿前后透水率對(duì)比和統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 注漿試驗(yàn)的主要結(jié)果Tab.4 Main result of grouting test

根據(jù)巖層透水性及原位注漿試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用試驗(yàn)選用的注漿工藝進(jìn)行施工，可以達(dá)到注漿帷幕透水率不大于1.0 Lu的設(shè)計(jì)要求。考慮到工程實(shí)施過程中地層不確定性、注漿質(zhì)量控制復(fù)雜性等因素，止水帷幕透水率應(yīng)從嚴(yán)把控，故將透水率的設(shè)計(jì)值確定為1.0 Lu。

3 帷幕施工關(guān)鍵指標(biāo)

3.1 實(shí)測透水率-注漿量關(guān)系

注漿量是注漿帷幕工程質(zhì)量和造價(jià)控制的重要指標(biāo)，對(duì)工程造價(jià)及質(zhì)量管理、工程設(shè)計(jì)研究均具有重要價(jià)值。本文選取項(xiàng)目破碎帶區(qū)8個(gè)代表性壓水試驗(yàn)孔，統(tǒng)計(jì)各孔周邊3 m范圍內(nèi)的止水帷幕注漿孔(合計(jì)80孔，335個(gè)注漿段)注漿量，得到破碎帶區(qū)注漿段的注漿量占比情況如表5所示，注漿前透水率和注漿量分布圖如圖6所示，均值擬合曲線如圖7所示。

圖6 各注漿段的注漿量、注漿前透水率

圖7 透水率-注漿量關(guān)系曲線

表5 破碎帶區(qū)注漿段的注漿量占比情況Tab.5 Proportion of grouting volume in fracture zone

根據(jù)對(duì)注漿前透水率、帷幕施工實(shí)際注漿量的統(tǒng)計(jì)分析，可得到以下結(jié)果：

1) 破碎花崗巖地層中，約有97.0%的注漿段注漿前的注漿前透水率小于10.0 Lu，約有75.9%的注漿段的注漿量小于100 kg/m，約有12.4%的注漿段注漿量大于500 kg/m。

2) 注漿前透水率大于10.0 Lu的注漿段中，約有40.0%的注漿段注漿量小于100 kg/m，約有20.0%的注漿段注漿量大于1 000 kg/m。

3) 注漿后，對(duì)破碎中微風(fēng)化巖層注漿帷幕進(jìn)行了壓水試驗(yàn)檢測，檢測結(jié)果表明，透水率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，每延米注漿量隨注漿段巖層平均透水率上升而增加，透水率-注漿量關(guān)系的一階回歸曲線為：

Q=-83.19 + 136.79q

(3)

式中：

Q——采用本文注漿方法的預(yù)估注漿量，kg/m。

需說明的是，式(3)中的透水率采用的是相鄰位置和臨近深度壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與注漿段實(shí)際注漿前透水率間存在少量差異。

3.2 注漿量關(guān)鍵指標(biāo)

通過壓水試驗(yàn)確定的注漿前透水率與預(yù)估注漿量是注漿止水工程關(guān)鍵指標(biāo)，考慮到地層的變異性，其相關(guān)關(guān)系很難用解析公式表達(dá)，采用統(tǒng)計(jì)和擬合方法給出近似公式供相關(guān)工程參考。

基于巖層深度-透水率擬合(式(1))及透水率-注漿量關(guān)系(式(3))，可估計(jì)不同深度的注漿量平均值，進(jìn)而預(yù)估漿液用量：

Q=810.05-54.58d+ 1.70d2-0.018d3

(4)

基于巖層深度-透水率90%預(yù)測區(qū)間上限擬合(式(2))及巖層透水率-注漿量關(guān)系(式(3))，可估計(jì)不同中風(fēng)化巖面以下深度注漿段的10%超越概率注漿量，將此注漿量定義為注漿量控制值，用于工程管控：

[Q]=1 435.18-21.89q

(5)

式中：

[Q]——本文施工方法注漿量控制值，kg/m。

恒大中心項(xiàng)目破碎花崗巖層注漿量的關(guān)鍵指標(biāo)及實(shí)測值如圖8所示，破碎花崗巖層中風(fēng)化面以下0～20 m，注漿量控制值取1 381 kg/m，中風(fēng)化面以下20～40 m，注漿量控制值取942 kg/m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，約有94.3%注漿段的實(shí)測值小于其對(duì)應(yīng)深度的注漿量控制值。

圖8 注漿量關(guān)鍵指標(biāo)、實(shí)測值對(duì)比Fig.8 Comparison of key indexes and measured values of grouting volume

在施工過程中，當(dāng)出現(xiàn)注漿量大于其控制值時(shí)，應(yīng)檢查施工設(shè)備情況(尤其是注漿管路是否存在泄漏)，并確認(rèn)是否存在未知不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1) 較之完整花崗巖層，含破碎巖的中微風(fēng)化花崗巖層透水率偏高；恒大中心項(xiàng)目中，破碎花崗巖層透水率與中風(fēng)化花崗巖面以下深度的90%預(yù)測區(qū)間上限擬合曲線為q=11.1-0.16d。

2) 經(jīng)注漿試驗(yàn)及工程實(shí)踐驗(yàn)證，破碎花崗巖層采用本文注漿方法及設(shè)計(jì)參數(shù)，施工后注漿帷幕透水率可控制在1.0 Lu以下；注漿帷幕上段為注漿施工、檢測的重點(diǎn)位置。

3) 經(jīng)恒大中心項(xiàng)目共計(jì)335個(gè)注漿段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目的破碎花崗巖層中約75.9%的注漿段注漿量小于100 kg/m，約12.4%的注漿段注漿量大于500 kg/m。破碎花崗巖層注漿量隨巖層透水率增大而上升，巖層透水率-注漿量關(guān)系一階回歸曲線可表示為Q=-83.19+136.79q，中風(fēng)化巖面以下0～20 m范圍內(nèi)，超越概率10%的注漿量控制值可取1 381 kg/m。