雙液注漿堵漏技術在深基坑施工中的應用

巴蛟龍，汪志翔，吳永強，王其祥，戎 葛

(中鐵七局集團(惠州)工程建設有限公司,廣東 廣州 516000)

0 引言

某沿海城市,地下水資源豐富,地下水位呈季節性變化,且地下管線繁多?，F代化城市建設中基坑越挖越大、越挖越深?；訃o結構以及止水帷幕常采用地下連續墻、咬合樁、排樁結構,輔以攪拌樁、高壓旋噴樁,接縫后注漿等等方式進行止水。由于施工的誤差、地下情況復雜,都有可能導致出現滲漏,甚至出現流水、涌砂?；訃o(截水)結構施工完成后,基坑開挖前,通常采用鉆芯法、抽水試驗等方法對截水機構的檢測驗證。在工程實踐過程中,由于上述檢測方法的局限性,并不能完全檢測截水效果的優劣?；拥穆┧闆r通常在開挖過程揭露。

當基坑位于沿海城市,水系管網密布,季節水位起伏較大?；娱_挖時,甚至呈現良好的止水效果,當雨期時,基坑表現為流水,漏水現象有一定的滯后性。當基坑滲漏水經過預處理,從短期的表面上得出了已經成功堵漏的假象,但雨期來臨后或外力碰撞噴錨面時,原滲水點再次涌水夾泥,治理難度大大增加。

基坑截水結構漏水主要表現為結構面濕漬、線流、漏泥砂。本文主要論述采用雙液注漿封堵技術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程。利用該混合漿液膠凝結速度快、強度提高快的特點迅速填充、固結注漿區的巖土體,甚至通過高出水頭壓力的注漿壓力逆向填充滲水通道及周邊空隙。其反應機理如下:

水玻璃是由氧化鈉(Na2O)與不定量無水二氧化硅(SiO2)結合的化合物,分子式表達為Na2O·nSiO2。水泥漿在碰到水玻璃后能很快進行化學反應,其化學反應方程式為:

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

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

1 雙液注漿設計

雙液注漿堵漏質量高低主要體現在漿體凝結時間與結石體抗壓強度[3]。雙液注漿設計針對上述兩個指標,通過控制雙液濃度及配比以得出最佳設計方案。

1.1 凝膠時間

1.1.1 水泥漿濃度對凝膠時間影響

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

表1 不同水泥漿水灰比配置漿液凝結時間

由表1得出水灰比越大,水泥漿濃度越小,漿液凝膠時間越長。因此在現場注漿施工過程中,可以通過調整水泥漿的配比來獲得較短的凝膠時間,以達到快速堵水目的。

1.1.2 水玻璃濃度對凝膠時間影響

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凝膠時間不利,施工時宜采取濃度較低的水玻璃以縮短凝膠時間。

1.1.3 雙液體積比對凝膠時間的影響

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

表2 不同雙液含量配置漿液凝結時間

由表2可知,在體積比為1∶0.3～1∶1范圍內,水玻璃用量越少,凝膠時間越短。故施工時可通過注漿泵調節水泥漿與水玻璃的比例,以獲得較短的凝膠時間,從而達到快速堵水的目的。

1.2 結石體抗壓強度

將每種配比的雙液結石體制作3個試件,在(20±5)℃養護箱內養護,再對其進行加載試驗以探究影響結石體強度的因素找出最適合的雙液濃度以及配比。

1.2.1 水泥漿濃度對結石體抗壓強度的影響

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石體,效果見圖2。

由圖2得水灰比越大,結石體抗壓強度越小,同時,當水泥漿水灰質量比大于1∶1時,早期抗壓強度值較小,因此,在注漿施工過程中,可以通過調整水泥漿的配比來獲得較高的抗壓強度,同時,水泥漿水灰質量比不宜大于1∶1,否則漿液早期強度較低。

1.2.2 雙液體積比對結石體抗壓強度的影響

用水灰質量比為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,得到的結石體抗壓強度如圖3所示。

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

當體積比為1∶0.5時,存在一個抗壓強度高峰值;而在1∶0.6時,存在抗壓強度低峰值。因此,在注漿施工中,進行雙液漿比例調整時,宜采用1∶0.5體積比值,同時調制漿液時要嚴格按照比例進行,否則一旦出現偏差,對漿液早期強度影響較大。

2 施工方法

2.1 注漿順序

施工時,注漿的預期效果是外圍達到“圍、堵、截”的目的,內部達到“填、壓、擠”的目的[4]。因此,注漿施工應遵循以下原則。

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。同時可及時根據前序孔注漿效果對后續孔注漿進行調整。因此,原則上所有的注漿工程都應采取跳孔注漿。跳孔注漿可采取兩序孔原則和四序孔原則。

2.1.2 先漏水區后非漏水區

漏水是因為樁縫咬合不足,水泥土缺失,圍護結構之間呈垂直方向通縫,往往垂直通縫又穿過若干地層,滲水點通常位于滲水系數較大的地層,當不及時堵水,易造成上部坍塌、地表人員傷亡或機械傾斜。故應先進行堵水充填漏水點,再進行非漏水點進行加固。若不對非漏水點進行加固,當漏水點被堵塞后,水頭壓力上升,當繼續開挖時,易造成其他地層接著滲漏。

2.1.3 由外側到內側原則

在施工中,先對外側孔位進行注漿包圍注漿區域,再對內側孔位進行注漿能更好發揮擠密壓實的作用,實現約束注漿,提高注漿效果。

2.1.4 定量-定壓相結合原則

在注漿施工時,如果僅按照注漿壓力與設計終壓一致的規定進行注漿,就可能造成大量泥漿被浪費,且施工期限大大延長。故跳孔分序注漿時,對前序鉆孔定量注漿料,對后續鉆孔定壓注漿料。

2.1.5 多孔少注原則

施工時若不遵循定量-定壓相結合的注漿原則,會導致前期的孔注漿過多過滿,而后期大多數孔注不進漿,從而出現注漿盲區。在澆筑時應遵循定量-定壓相結合為基礎,同時兼顧多孔少注,從而使每個孔更好的發揮作用,減少注漿盲區的出現,提高注漿整體效果。

2.2 注漿參數

設計注漿施工方案時需考慮地質條件、不同部位和注漿壓力、流量變化等諸多影響因素,動態調整注漿參數,以確保質量,避免浪費。

2.2.1 漿液膠凝時間

建議將凝膠時間控制在30 s～30 min。設計時,若地層涌水量大,工人操作工藝熟練時凝膠時間取小值,反之取大值。

2.2.2 單孔單段注漿量

注漿時按照定量-定壓相結合原則,對先序孔定量注漿。單孔單段注漿量采用下式進行計算:

Q=πR2Hnα(1+β)。

其中,Q為單孔單段注漿量;R為漿液擴散半徑;H為注漿分段長度;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

對于注漿終壓的選取,若取值太低,則達不到注漿效果;若取值太高,則造成爆管,噴錨面崩塌,漿液浪費。因此,注漿壓力應選取一個合理區間,通常按下式計算:P終=P水+2～4。

2.2.4 注漿速度

注漿初期采用過大的注漿速度會使實際注漿壓力大于設計注漿壓力,導致地表隆起;若注漿速度過慢,注漿量過少存在被地下水稀釋的風險從而無法達到預期的注漿效果。根據施工經驗,根據不同土應選擇不同注漿材料速率:對粉質黏性土,注漿速度宜取20 L/min～40 L/min;對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 注漿結束標準

雙液注漿堵漏工作遵循定量-定壓相結合原則,先續孔達到設計的單孔單段注漿量的1.2倍～1.5倍,后續孔達到設計終壓且注漿速度小于5 L/min～10 L/min時,停止單孔注漿。

3 注漿方案

根據工程地質與水文地質特征以及所處的基坑開挖后施工階段[5-6],針對每個出水點設置1排～2排注漿孔,每排注漿孔3個～4個注漿口,注漿口間距1 m。前后兩排梅花形布設,如圖4所示。

3.1 注漿順序

按圖4所示順序跳孔注漿,先進行漏水區域注漿,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,經上述雙液設計分析,選取水灰質量比0.6∶1的水泥漿,質量濃度為35 Be′的水玻璃,雙液體積比取1∶0.5。

3.3 注漿參數

注漿區域包含粉質黏土層、礫砂層和礫質黏性土土層。設計注漿壓力控制在2.0 MPa～3.0 MPa;注漿速度控制在20 L/min～40 L/min區間。注漿使用的裝置包括:SM200-1外循環系統或高速攪漿機拌制漿液與SS-400攪拌型貯漿罐,分別臨時貯存調配好的水玻璃漿和水泥漿。注漿機啟動后,立即開啟注漿料泵,并由儲存雙液的管道接通注漿管,開始注漿。兩臺注漿泵泵送壓力應協同一致,避免壓力過大一方漿液向壓力較小一方返漿,雙液發生化學反應,造成管道堵塞。

3.4 效果評價

注漿過程中,應于注漿區域周邊5 m范圍設置沉降觀測點,10 min觀測一次。若出現地面抬起現象,立即停止該次注漿,進行下一孔位注漿,注漿結束過后,通過監測資料對比,周邊管線無隆起及沉降,地下水位正常?？觾仍摑B水點無線流及流沙夾泥現象,可繼續坑內施工作業。

4 工程概況

本文以深圳市福田區某基坑為例,基坑呈矩形,占地15 000 m2,基坑周長約530 m,深度約17 m?；訓|西南三面采用軟咬合支護,北側灌注樁排樁+三軸攪拌樁。依據勘查成果,現場所涉及的基坑開挖土種類大致為素填土、粉質黏土、礫砂、礫質黏性土、全風化花崗巖,土層參數如表3所示。該項目擬建3層地下室,布設兩道支撐,由于基坑較大,縱向每隔9 m布設立柱。本項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。在開挖的過程中,發現支護結構存在滲漏現象。經過檢查,發現其滲漏水位置為南側咬合樁,該位置支護結構采用直徑1 200 mm混凝土咬合樁,滲漏水的深度大約是10 m～12 m,且位于內支撐施工區域。基坑平面布置圖如圖5所示。

表3 各土層物理力學參數

該深基坑工程位于市中心地段,南側毗鄰深南大道,距雨水管道水平距離6 m,距燃氣管道水平距離20 m。故堵漏不容耽擱,采用上述雙液注漿方案進行堵漏。

5 有限元模擬及結果分析

本文借助Midas建立考慮滲流作用的數值計算模型[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石體服役后引起的基坑變形規律以及滲流場分析。取基坑開挖尺寸深×寬為17 m×95 m建立的有限元計算模型如圖6所示。其中止水帷幕的滲漏點滲透系數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 滲流速度場分布

由圖7可得,基坑開挖之前預先進行抽水操作造成坑內和坑外水頭差較大,在止水帷幕服役期間,滲流主要發生形式為通過止水帷幕底部繞流,而相同土層中的滲流則以水平方向為主。止水帷幕發生滲漏時,破壞點位于承壓水層,滲漏點處的總水頭達到滲流場總水頭最大值,將加劇漏水流砂現象,且基坑滲流作用也明顯增強。由圖8可見,經雙液注漿封堵,有效截斷滲流路徑,滲漏點水頭減小,滲流場總水頭分布逐漸恢復為初始滲流場[10]。

5.2 土體沉降分布

圖9是止水帷幕發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23.1 cm,對附近管線以及建筑存在巨大風險。究其原因,止水帷幕的滲漏加重了原基坑外的滲流,導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,在第一時間進行雙液注漿封堵后,地表沉降過大的風險得到有效改善,且最大沉降只有3 mm。應指出最大沉降在結石體附近,對坑口附近放坡處應采用插錨桿等措施對坑外土體進一步強化處理[11]。

6 結語

通過本工程的實踐證明以及數值模擬分析,當基坑周邊砂層較厚、水系密布、周邊管線復雜時,一定要進行徹底的截水治理工作。雙液注漿相對水泥注漿而言,具有高效、快速截水、止水、固結巖土體的效果。及時的雙液注漿封堵可有效防止止水帷幕滲漏對基坑以及圍護結構的進一步破壞。