新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制分析

謝 波，邵金鵬，高 波，唐 波

(1.南京市軌道交通建設工程質量安全監督站，江蘇南京 210015;2.南京地鐵建設有限責任公司，江蘇南京 210015;3.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

注漿法是將材料按一定配比配制成漿液，用壓送設備將其灌入地層或縫隙內使其擴散、膠凝或固化，以達到加固地層或防滲堵漏的目的。經過2個多世紀的理論研究和工程實踐，注漿法已廣泛應用于各類不良地質災害治理，解決了諸如地層沉陷、隧道突涌水及豎井圍壓加固等問題，并避免了疏排水引起的生態環境破壞［1－4］。

針對富水破碎帶注漿加固治理問題，國內外很多學者從不同角度進行了研究，很多學者從破碎地層的工程性質、治理注漿工藝及流體力學特性方面展開了研究，同時對破碎巖體注漿加固機制也進行了深入的理論分析并取得了重要的成果［5－7］。目前，國內所做的研究中:楊樹才等［8］基于注漿材料加固強度、初凝時間及流動度研究了高水位軟流塑淤泥質粉質黏土地層注漿改良問題。劉泉聲等［9］等研究了斷層破碎帶深部區域地表預注漿加固問題，相關措施提高了巖體的自身承載能力及抗變形能力。綜合分析前人的研究成果，基于水泥基速凝類注漿材料的富水破碎帶注漿加固機制的研究較少，同時關于類似地層的注漿工程實踐也較少。

本文在系統分析工程水文地質的基礎上，采用COMSOL聯合仿真基坑中的滲流狀態，模擬水泥基速凝漿液對富水破碎帶的注漿加固，并基于此進行注漿工程應用。

1 工程概況

1.1 工程背景

南京地鐵3號線TA05標上元門車站距離長江約400 m，區段土層結構復雜，含水砂層發育，江水與地下水水力聯系密切，同時車站基坑處于穿經長江的F5斷裂分支影響范圍內。地質勘探資料顯示基坑底板標高處地層橫向上有:粉細砂、軟塑－流塑狀粉質黏土及破碎狀中風化白云巖。地基均勻性很差，工程巖體具有一定典型性及復雜性，屬于臨江富水破碎地層。基坑地層柱狀圖如圖1所示。

上元門車站斷面型式為地下3層側式，施工方式采用明挖順作法，車站地鐵基坑開挖尺寸為163.5 m ×24.4 m ×24 m(長 × 寬 × 深)，底板埋深為25.0 m，底板標高－12.0 m，支護類型采用地下連續墻與支護樁相結合的方式，設計深入中風化巖2.5 m。

車站基坑開挖至埋深18 m處時，在14軸軸線里程、距西側地連墻4 m位置出現一股泉眼狀涌水，涌水量約為720 m3/d，水壓約為0.17 MPa。為控制施工風險，對涌水點采用堆載反壓進行應急處理，并停止基坑開挖工作，但基坑內仍出現大面積涌水，涌水點超過5處，上元門站100 m范圍內全段涌水量超過3 000 m3/d。

1.2 基坑涌水分析

綜合區域地質條件、水文地質條件分析認為，南京地鐵3號線工程上元門車站處于F5斷層分支影響范圍內，斷層破碎帶富水，在基坑底部以下存在厚層含水層。此外巖體基巖面起伏較大，巖溶裂隙發育，含導水構造較發育。

結合工程區域地質條件分析認為:基坑涌水來源主要包括2部分，即微承壓裂隙水和周邊水平補給，兩者補給來源均包括大氣降水，同時在基坑開挖形成區域降水漏斗過程中相互補給。

圖1 基坑地層柱狀圖Fig.1 Geological conditions of foundation pit

對基坑采用補充勘探和高密度電法進行探測，探明橫穿基坑破碎帶范圍，顯示該區域溶洞裂隙十分發育，存在大量過水通道?；贑OMSOL軟件建立了基坑開挖滲流模型，得出結果:隨著基坑開挖上覆地層應力逐漸減小，逐步破壞了地下水滲流壓力與地層應力的平衡狀態;同時，地下水的滲入弱化了砂土顆粒間的黏聚力及咬合力，形成透水通道引發基坑涌水?；跈M穿基坑富水斷裂破碎帶及巖溶等不良地質影響，如不采取有效的加固治理措施，隨著基坑的開挖勢必會影響到基坑穩定和周邊環境安全。車站高密度測線圖如圖2所示。

圖2 車站高密度測線圖Fig.2 High-density prospecting of the Metro station

2 加固治理及材料特性

2.1 加固治理分析

2.1.1 常規注漿材料治理過程及存在問題

在基本探明基坑范圍破碎帶、巖溶等不良地質分布的前提下，結合基坑內動水壓力高、流速大，且富水破碎帶范圍內第四紀覆蓋層厚度較薄的實際工況，初步采用水泥－水玻璃雙液漿涌水進行注漿治理，但在動水作用下大量漿液被水沖散，坑內注漿固結地層的利用率較低。

鑒于基坑不回填(灌)、無可靠止漿措施的情況，很難實現注漿加固效果的均勻性，為增強動水狀態下的注漿加固效果，亟需一種初凝時間短、動水抗分散性好、結石強度高以及結實率高的新型材料。

2.1.2 材料選型

注漿材料根據可行性、可注性、環保性、經濟性及工藝實施難度綜合考慮選擇。目前，國內外常用的注漿材料可以分為水泥基漿液(普通水泥漿、超細水泥漿及特制硫鋁酸鹽水泥等)和非水泥基漿液(改性水玻璃、環氧樹脂等)。

考慮復雜地質條件下富水破碎帶，注漿材料應滿足耐久性和動水耐沖刷的要求，采用山東大學巖土中心研發的新型水泥基注漿漿液進行試驗。對凝膠時間、凝結時間、強度及配合比等物理力學特性進行試驗。

2.2 新型速凝材料特性

2.2.1 初終凝時間

注漿材料的初、終凝時間決定了注漿材料的可操作性與可泵性［10］，不同水灰比(W/C)下材料初、終凝時間隨Vc∶Va變化曲線如圖3所示。

圖3 初終凝隨水灰比與體積配比變化曲線Fig.3 Curves of setting time of grout Vs volume ratio between cement grout and accelerator

分析圖3可知:在特定水灰比的條件下，注漿材料的初、終凝時間隨著水泥漿與外加劑體積比的增大而減小，在工程應用中應結合漿液的輸運距離及設計注漿范圍選擇合適的注漿材料配比。

2.2.2 結石強度

結石強度指注漿材料在發生凝膠凝固反應后，形成的漿液結石體具有的抗壓、抗剪、抗彎強度等力學參數。材料的結石強度決定了材料對高壓涌水的封堵能力與漿液結石體的長期穩定性。為測試注漿材料的早期強度，對材料的數小時至28 d內單軸抗壓強度增長進行了測定。水泥基材料的不同水灰比、不同水泥漿與外加劑體積比(Vc∶Va)、不同齡期，材料的材料強度–齡期曲線如圖4所示。

圖4 GT－1注漿材料不同水灰比的強度－齡期曲線Fig.4 Curves of strength Vs age of GT-1 grout with different water-cement ratios

依據圖4可知:當水灰比為0.8∶1和1∶1時，Vc∶Va=3∶1的28 d齡期強度最大;當水灰比1.2∶1時，Vc∶Va=2∶1 和 Vc∶Va=3∶1 的 28 d 齡期強度最大。

2.2.3 結石率

取試樣漿液200 ml置于密閉容器中，3 h后將存留的水分與未固化漿液移除，測定其結石率。不同水灰比、不同雙組分比(Vc∶Va)結石率曲線如圖。

圖5 不同水灰比與不同體積配比的結石率曲線Fig.5 Curves of consolidation rate Vs volume ratio between cement grout and additives

分析圖5可知:當固定水泥漿與外加劑體積比為3∶1時，水灰比為 0.8∶1 的結石率為 93%，水灰比為1∶1的結石率為90%，水灰比為1.2∶1的結石率為88%。

3 基坑數值模擬

3.1 模型建立

將地質模型進行簡化，分為上部土層和下部巖層。錄入勘查報告中的數據，幾何建模中將溶洞簡化為一系列大小不一的橢球。對勘查報告中溶洞分布和尺寸等信息進行統計，計算均值、方差等參數，按溶洞參數利用MATLAB中的隨機函數建立溶洞的幾何模型。上覆土層、下部巖層以及分界面組成的矩形區域，長98 m，寬28 m，高45 m。溶洞由大小不一的橢球表示。地下連續墻的厚度為1 m，深度為基巖層下2 m，創建分條的矩形區域。

計算使用的主要控制方程為牛頓流體的穩態達西定律、布里克曼方程以及達西定律與層流流動的聯合方程。在滲流的數值計算中，潛水面以及滲出面的確定是關鍵因素，在本計算中，由于基坑開挖深度較深以及地下連續墻存在使得潛水面變化對開挖面以下流場分布影響較小，因此假定潛水面為一個平面并忽略潛水面的動態變化。

滲流有限元計算分析的實質就是求解滲流場滿足的偏微分方程式和邊界條件式。COMSOL預置的Subsurface Flow Module模塊包含了滲流計算中常用基本微分方程和邊界條件［11］:

式中:ρ為流體密度;κ為滲透率;μ為流體黏度;p為壓力;D為位置水頭;Qm為源匯項;ε為孔隙率。

布里克曼方程:

式中:ρ為流體密度;u為流速;κ為滲透率;μ為流體黏度;Qbr為源匯項;εp為孔隙率。

主要計算參數賦值及計算設置如下:采用的主要控制方程為達西定律。在其求解域內，水的密度1 000 kg/m3，水的動力黏度1 ×10－3Pa·s，上覆土層滲透率1 ×10－5cm/s，孔隙率0.25，下部巖體滲透率 1 ×10－6cm/s，孔隙率0.15，水頭高度為40 m。在溶洞區域，采用布里克曼方程或層流控制方程，地連墻為相對隔水層。計算過程中取消了巖土層分界面，墻外設置為定水頭邊界，開挖面設置為壓力為零。計算流場分布，并繪制三維效果圖，如圖6所示。

圖6 新型材料注漿前基坑地下水滲流示意圖Fig.6 Ground water seepage before grouting

由數值模擬可知:由于破碎地層的存在，地下水滲流壓力分布不均勻，尤其是破碎區域，滲壓比周圍明顯增大，極易超過地層的封堵能力，造成突涌水災害，必須進行相應的注漿加固治理，改變地層滲流分布，提高地層封堵能力。

3.2 注漿過程滲流場變化

將水泥基漿液在地層中擴散進行簡化［12］，不考慮漿液擴散瞬態變化對流場的影響，在同一水平面上，漿液按照各向同性擴散，擴散距離視為時間的函數，漿液界面相對于周圍地層設為相對不透水邊界。注漿孔分布按實際設計值進行設定。首先在開挖面內布置等間距的注漿孔，再沿45°方向孔間中點處插入新孔。漿液界面初值設定為直徑為0.1 m的圓。計算中涌水點設置有2種選擇:將涌水點設置為半徑較小的圓形區域。

圖7展示了漿液界面由0.1 m擴散到2 m時的流場變化。其中顏色梯度表示壓力變化，藍色線條表示流線，白色線條表示等壓線。由圖7可以明顯看到注漿范圍的擴大對流場的影響，在漿液擴散范圍內基體的滲透率降低，改變了流線的方向使流線繞行，流線長度增加，流速降低。隨著漿液擴散范圍的增大，在涌水點附近等壓線向四周擴散，壓力梯度降低，流速減小?？拷鼭{液范圍的壓力梯度較大，漿液擴散范圍內的等壓線密集，遠離漿液擴散范圍的等壓線較為稀疏。

圖7 注漿過程滲流示意圖Fig.7 Water seepage during grouting

假定漿液按照柱形擴散，設置鉆孔深度和擴散半徑，在漿液擴散范圍內，設定基體的滲透率為1×10－10，計算流場分布，并繪制三維效果圖(如圖8所示)。通過對注漿前后基坑滲流進行數值模擬，對比分析可以看到，注漿后，基坑的滲流明顯降低，地下水滲流壓力基本平均，降低突涌水發生的可能性。

圖8 新型材料注漿后基坑地下水滲流示意圖Fig.8 Water seepage after grouting

選取溶洞上方的M點為研究對象，得到了該點滲流壓力隨注漿時間的變化曲線，如圖9所示。

圖9 注漿過程M點滲壓變化圖Fig.9 Seepage pressure at point M during grouting

分析圖9可知，滲壓分為3個階段:1)開始注漿，漿液量進入溶洞較少，滲壓變化緩慢;2)隨著漿液的大量進入，溶洞破碎帶逐漸被充填，滲壓迅速下降;3)溶洞被充填，漿液進入速度減慢直至停止注漿，滲壓變化緩慢，基本趨向穩定。

4 工程應用

4.1 注漿設計

基于上述COMSOL數值模擬及涌水加固分析，在富水破碎帶區域采取小間距鉆孔設計，鉆孔分為4序次設計施工:第1序次鉆孔用于驗證水文地質分析和注漿;第2序次鉆孔用于檢查注漿效果和補充注漿;第3序次鉆孔用于關鍵涌水點封堵注漿;第4序次鉆孔為最終檢驗鉆孔。其中1序布孔106個，2序布孔56個，3序布孔58個，檢查鉆孔7個。第1序次鉆孔間距為3 m梅花形布置，由于施工場地的限制，鉆孔間距可根據實際情況進行調整。根據1序鉆孔的布置點位將2，3序鉆孔內插布置，注漿孔的最終間距為1.5 m。鉆孔開孔直徑φ108 mm，鉆孔深度確定為底板下7 m。

4.2 工藝參數及方案實施

4.2.1 注漿參數

1)擴散半徑類比選擇。根據工程經驗及工程類比，上斷面周邊注漿擴散半徑為2 m。

2)注漿壓力的確定。注漿壓力是漿液在地層裂隙中擴散、充填、壓實脫水的動能，是注漿設計和施工中的主要注漿參數之一，對提高注漿質量和保證注漿效果起到較大的作用。以水壓為依據的經驗公式，主要目的在于堵水，適用于深埋地層，注漿時不受覆蓋層厚度限制，不考慮地層隆起。考慮到超前預注漿的目的主要是堵水和加固，同時防止漿液擊穿覆蓋層，因此以靜力平衡和裂隙寬度作為壓力初步確定選擇的依據，根據靜力平衡條件計算壓力為1.2 MPa，由裂隙寬度確定的注漿壓力應在1.4 MPa以上。綜合2種方法確定注漿壓力為1.5～2 MPa。

4.2.2 注漿工藝

注漿工藝主要有分段前進式注漿和全孔一次性注漿。

分段前進式注漿優點:工藝比較簡單，適應性強，反復加固地層，易保證注漿效果。缺點:重復掃孔，施工效率較低，靠近掌子面方向重復注漿。

全孔一次性注漿具有工藝簡單，效率高等優點，適合于孔深較小的孔內注漿。

南京上元門車站由于鉆孔較淺，工期緊急，采用全孔一次性注漿技術。

4.2.3 注漿量

現場采用模袋注漿管封固工藝［13］，注漿材料采用新型速凝注漿材料GT－1，綜合考慮初凝時間、結石強度以及結實率等因素，確定水泥漿液水灰體積比為1∶1，水泥漿液與GT－1配比為3∶1。1序孔施工結束后，根據涌水及檢查孔情況施工2序鉆孔以及3序孔。注漿孔壓力達到1 MPa、地層開始隆起或吸漿量小于1 L/min時為單孔注漿停止條件。最終，設置7個檢驗鉆孔。新型速凝注漿材料消耗478.48 m3。

4.3 注漿效果檢測

4.3.1 地質雷達探測

注漿結束，利用地質雷達對原富水區進行探測，探測結果如圖10所示。

依據圖10可知:地質雷達探測圖信號無突變，探測深度內信號較為均勻清晰，表明基坑下部過水通道基本被封堵，土層物理性狀均一，可見注漿明顯改善了基坑土層的物理力學性質。

4.3.2 壓水試驗

常規壓水試驗采用 0.3 MPa—0.6 MPa—1.0 MPa—0.6 MPa—0.3 MPa 5 個壓力階段進行，采用單栓塞止水，每5 m設置為一個試驗段，進行常規壓水。

注漿結束，進行壓水試驗，根據巖體透水率計算公式:

式中:Q為試段壓入流量，L/min;p為試驗壓力，MPa;L為試驗長度，m。

通過簡易壓水試驗，對注漿前、后的數據進行對比，其中對基坑進行簡易壓水試驗，獲得所示的試驗結果，如表1所示。

4個檢查孔的透水率均小于1.5 Lu，注漿后地層滲透系數在1.65×10－7m/s左右，與注漿前相比，滲透率減小一個數量級，巖體透水性由中等透水下降為弱透水，注漿效果明顯。

圖10 地質雷達探測圖Fig.10 Geological radar detecting results

表1 各孔壓水實驗結果Table 1 Results of packer permeability test of boreholes

4.3.3 現場開挖

注漿治理結束后，基坑表面已無涌水，現場根據設計圖施工補充鉆孔補1至補6，如圖11所示，鉆探取芯為已固結巖芯，各取芯資料顯示注漿治理效果良好，后期已實現基坑開挖至基底。

由工程應用可知，COMSOL數值分析，計算成果較為合理，說明軟件在工程計算中具有一定的應用價值，為后續注漿方案的設計提供了依據。同時，注漿對基坑溶洞的治理效果顯著，在有效封堵溶洞的同時，能顯著提高地層的抗滲性，降低基坑突涌水的可能性。

圖11 補5鉆孔取芯圖Fig.11 Cores

5 結論與討論

1)GT－1注漿材料滿足可行性、可注性、環保性及經濟性，該材料初終凝時間可調、單軸抗壓強度和結石率較高。

2)基于COMSOL對注漿前后基坑滲流進行數值模擬，對比分析可以看到，注漿后，基坑的滲流明顯降低，地下水滲流壓力基本平均，降低了突涌水發生的可能性。

3)對新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制分析，基于物探、水文地質分析，根據新型注漿材料的優選，進行COMSOL數值模擬計算設計方案的設計思路，通過開挖驗證了該思路的科學性和準確性。

4)針對新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機制進行了宏觀分析，揭示了其加固機制的宏觀表現。對于相應的微觀分析有待進一步研究，深入研究其加固機制。

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