富水砂卵石地層注漿參數優化研究

李享松，覃娟，羅概，鄧俊

(1.中鐵五局集團有限公司,湖南 長沙 410100；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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富水砂卵石地層注漿參數優化研究

李享松1，覃娟1，羅概1，鄧俊2

(1.中鐵五局集團有限公司,湖南 長沙 410100；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:富水砂卵石地層具有結構松散、空隙率大、高滲透性的特點，在進行注漿加固設計時，合理地確定注漿參數是注漿加固成功與否的關鍵。以長沙某地鐵車站為工程依托，結合富水砂卵石地層的特點，針對水泥-水玻璃(CS)雙液漿注漿凝結時間控制難、注漿孔距設計憑經驗確定等問題，通過室內注漿材料試驗、現場注漿試驗及有限元數值模擬對注漿材料參數及注漿孔距進行優化分析，提出相應的注漿控制標準。研究結果表明:富水砂卵石地層采用CS雙液漿注漿，當水灰比取0.8～1.0時，水玻璃濃度應控制在40波美度左右，水玻璃摻合量控制在8%～10%，注漿孔間距宜控制在1.8 m左右。

關鍵詞：富水砂卵石地層；注漿加固；水泥-水玻璃雙液漿；注漿參數優化

富水砂卵石地層具有結構松散、空隙率大、高滲透性的特點，在基坑施工過程中需要對地層進行加固處理。目前，在富水砂卵石地層加固方面，袖閥管注漿應用較多[1-4]。在采用袖閥管進行水泥-水玻璃(CS)雙液漿注漿時，合理地選擇注漿參數是注漿加固成功與否的關鍵。該地層注漿參數選擇相比其他的地層要求更高，選擇參數時必須考慮漿液凝結時間的可控性以及注漿孔距設計取值等問題。CS雙液漿凝結時間受水玻璃的濃度及其摻量影響較大，水玻璃濃度或摻量過大會使漿液凝結過早，不利于漿液擴散到設計的注漿范圍，易造成孔間土體加固不密實；濃度或摻量過小會使漿液凝結時間過長，注漿時漿液易被地下水沖釋，造成注漿材料大量流失。同樣注漿孔間距設計對于注漿效果至關重要，孔距過大，漿液將不能到達設計的擴散范圍，易造成孔與孔間土體加固不密實；孔距過小，易造成漿液大量浪費，影響注漿施工的經濟性。如不能很好的處理這些問題，將嚴重影響注漿加固效果，同時給后續基坑開挖工程留下極大的安全隱患。因此對富水砂卵石地層注漿參數進行研究具有重要意義。國內外不少學者[5-13]通過理論分析、試驗及數值計算對富水地層注漿參數及其作用效果進行了研究，并積累了一定的經驗和成果，但目前對富水地層注漿參數研究主要集中在富水軟弱地層，對于富水砂卵石地層下注漿參數研究較少，工程上對該地層下注漿參數的取值主要是憑經驗，而沒有一個合理的參考標準，導致誤差較大。本文在前人研究的基礎上，以長沙某地鐵車站為工程依托，針對富水砂卵石地層下CS雙液漿注漿所遇到的實際問題，通過室內注漿材料試驗、現場注漿試驗及有限元數值模擬，比較不同的注漿參數的注漿效果，對注漿參數進行優化，考慮施工經濟性與安全性，得到合理的注漿參數，并提出了相應的注漿控制標準，以確保有效加固地層。

1工程概況

車站所處地下水位高，地層從上到下主要有素填土層、粉質粘土層、圓礫層、卵石層、強風化砂巖和中風化灰巖，其中粒徑分布為20～40 mm，滲透系數達35～45 m/d的圓礫層、卵石層分布廣泛，土層厚度大，自穩能力差，滲透性強。緊鄰基坑西側有建筑群(洋湖景園22號-25號樓，見圖1)，建筑群房屋基礎距地連墻比較近，且地連墻底部大部分位于卵石層及圓礫層，車站基坑施工風險高。在基坑施工時需要基坑內降水，由于基底砂卵石土層結構比較松散，滲透性強，如果不對基底進行注漿加固處理，則基坑開挖時基底易發生涌水或滲透破壞等問題，處理不當，易影響基坑開挖面的穩定性，同時也會引起基坑外的水位持續下降，導致周邊土體產生較大的固結沉降，土體帶動周邊建筑物，使建筑物產生過大的變形，影響建筑物的安全使用。因此為了保證基坑開挖本身的安全性，同時為了有效地減小基坑施工對周邊建筑物的影響，確保周邊建( 構) 筑物的安全，本工程配置水泥單液漿和CS雙液漿，采用袖閥管注漿對基底砂卵石地層進行注漿加固處理。由于CS雙液漿具有凝膠時間短、可注性好及早期強度高的特點，且相比單液水泥漿，CS漿液具有更強的抗地下水稀釋能力，本工程緊鄰地連墻的2排孔注漿時采用CS雙液漿，先注外圍(緊鄰地連墻側)，有效地截斷外圍的地下水向基底中部滲流，為基底中間部分水泥單液漿注漿提供一個良好的環境，以達到有效加固地層的目的。

圖1　車站平面位置圖Fig.1 Diagram of station plane location

2注漿參數優化研究

2.1注漿材料參數優化研究

本文通過CS雙液漿凝結試驗，在控制水泥漿液水灰比(0.8∶1和1∶1)不變的條件下，首先在原來水玻璃濃度為42波美度，摻量為15%的基礎上，不斷降低濃度與摻量，研究水玻璃濃度和摻量(水玻璃質量占水泥質量百分比)對CS雙液漿凝結時間的影響，將凝結時間控制在合理的范圍內，在此基礎上研究水玻璃摻量對漿液凝固后抗壓強度的影響，最后結合CS漿液凝結試驗結果、強度試驗結果確定適應于富水砂卵石地層的注漿材料參數。

依據CS雙液漿凝結試驗檢測結果和強度試驗結果作出CS雙液漿凝結時間變化曲線與不同水玻璃摻量下漿體強度變化曲線如圖2～3所示。

圖2　不同水玻璃濃度下的凝膠時間曲線Fig.2 Gel time curves under different water glass concentration

圖3　不同水玻璃摻量下漿體強度變化曲線Fig.3 Slurry intensity change curves under different water glass concentration

圖2表明，1)凝結時間隨著水玻璃濃度的增加而逐漸減少，不同摻量下CS雙液漿凝結時間變化曲線在水玻璃濃度為40波美度左右時存在明顯的拐點，該點之后水玻璃濃度對漿液凝結時間影響不大；2)水玻璃的摻量對漿液凝結時間影響較大，當摻量小于8%或大于10%時，隨著水玻璃摻量的增大，凝結時間持續變小；當摻量為8%～10%時，隨著水玻璃摻量的增大，相比摻量小于8%或大于10%時的情況凝結時間減小的速率要小的多，說明凝結時間比較好控制。

從以上分析可知在不同的水玻璃摻量下，漿液凝結時間與水玻璃濃度曲線都存在著明顯的拐點，從前人的研究成果[14]得知，在滿足質量的前提下，從經濟角度看，在曲線拐點位置附近選擇漿液配合比對施工是最有利、最經濟的，故選取水玻璃濃度為40波美度左右較為合適，且由于水玻璃摻量為8%～10%時，凝結時間比較好控制，故水玻璃摻量宜控制在8%～10%。

圖3表明，漿液凝固體強度隨水玻璃摻量的增加而持續減小，當摻量小于10%時，強度隨水玻璃摻量的變化較小，強度比較好控制且保持較高；當摻量大于10%時，強度曲線發生驟降，強度不好控制且最終強度保持較低；由于基底砂卵石土結構比較松散，為保證在基坑開挖過程中基底不發生滲透破壞，基底加固層必須保持較高的強度；同時也有研究表明[15]CS雙液漿加固體強度受地下水的侵蝕而強度降低，這也要求土體加固后強度必須保持較高，因此為保證安全， CS雙液漿的水玻璃摻量不宜超過10%。

從經濟角度，結合CS雙液漿凝結試驗結果、強度要求考慮，為了有效地控制CS雙液漿凝結時間，有利于漿液達到設計的擴散范圍，并保證加固體具有較高的強度，CS雙液漿注漿參數取水灰比為1∶1，水玻璃濃度為40波美度左右，水玻璃摻合量控制在8%～10%，當地下水比較活躍時，漿液需要較高濃度，取水灰比為0.8∶1。

2.2注漿孔距優化研究

注漿孔參數主要包括注漿孔距、鉆孔深度及孔數，注漿孔參數選擇是否合理直接關系到CS雙液注漿施工的經濟性，同時對孔間加固土體密實程度影響較大，當鉆孔深度及注漿面積一定時，注漿孔的數量實質上可以通過注漿孔間距的大小來體現。因此孔間距是控制孔間加固土體密實程度至關重要的指標。注漿孔間距設計對于注漿效果至關重要，孔距過大，漿液將不能到達設計的擴散范圍，易造成孔間土體加固不密實。孔距過小，易造成漿液大量浪費，增加工程成本。

本文采用優化后的注漿材料參數，在優化前孔距為2.0m的基礎上，選取不同注漿孔距(孔間距分別取1,1.25，1.5和1.8 m)進行現場注漿試驗，根據現場注水試驗檢測不同孔間距下加固體的滲透系數，同時通過FLAC3D模擬不同孔距下的加固效果，最后通過現場檢測結果和數值模擬結果，考慮經濟性和安全性，確定最優孔距。

2.2.1現場注漿試驗

在全面注漿施工前，選取基坑南端盾構井區域作為注漿試驗段。基底中部加固采用袖閥管單液注漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，緊鄰地連墻的2排孔注漿時采用水玻璃摻量為10%的CS雙液漿，注漿擴散半徑為1.25 m，鉆孔深度36.8～37.2 m左右，孔間距分別取1，1.25，1.5和1.8 m，注漿孔采用梅花形布置，注漿壓力為0.8～2.0 MPa，水灰比取1∶1。通過采用不同孔距進行注漿施工，然后通過常水頭注水試驗對現場進行檢測。

通過檢測試驗得到不同孔間距下加固體的滲透系數如表1。

由表1可知，注漿孔距對砂卵石地層加固后滲透性影響較大，加固后土體滲透系數隨著注漿孔距的增大而持續增大。當孔距為2.0 m時，加固后土體的滲透系數為9.35×10-5cm/s超出了5.0×10-5cm/s，不滿足試驗規范[16]要求，當孔距小于1.8 m時，加固后土體的滲透系數為4.74×10-5cm/s小于5.0×10-5cm/s，滿足試驗規范要求，相比孔距為2.0 m時減小了49.3%，根據規范以及施工現場反饋，考慮經濟性與可操作性，CS雙液漿注漿孔距宜控制為1.8 m左右。

2.2.2注漿孔距優化數值模擬分析

上文通過注漿試驗得到不同孔間距下土體加固后的滲透系數，并將滲透系數與規范滲透系數比較來驗證注漿質量，但是規范規定的滲透系數標準值是針對普遍土體加固情況，富水砂卵石地層具有結構松散、空隙率大、高滲透性等特點，基于這些特殊性，即使加固后土體滿足規范規定的普遍滲透系數標準值，加固措施是否能夠有效地控制后續基坑開挖對基坑周邊環境的影響也是未知的，本文通過FLAC3D軟件模擬不同孔距下(孔間距分別取1，1.25，1.5，1.8和2.0 m)的加固措施對地表沉降和周邊建筑物的最大沉降的控制效果，并結合現場檢測結果考慮經濟性和安全性確定最優孔距。

1)計算模型建立

計算模型尺寸417.2 m×227.2 m×66 m，為了確保計算精度，局部網格進行加密，共計劃分網格共296 780個，坐標軸及網格劃分形式如圖4所示。

2)計算結果分析

圖5表明，不同孔距下基坑開挖對地表的擾動影響差異較大，隨著注漿孔距的增大，基坑開挖引起的最終周邊地表沉降也在不斷地增大。當孔距為1.5 m以下時，地表沉降控制在-19.22 mm以下，當孔距為1.8 m時，最大地表沉降已達到了-24.8 mm，比較接近一級基坑監測預警值[17]-25 mm，但當孔距為2.0 m及未加固時，最大地表沉降分別達到了-29.15和-33.16 mm遠遠地超出了預警值。圖6表明，不同孔距下基坑開挖對周邊建筑物的擾動影響差異較大，隨著注漿孔距的增大，基坑開挖引起的周邊建筑物最大沉降也在不斷地增大。當孔距為1.8 m時最大沉降值達到了-9.28 mm接近預警值[17]-10 mm，當孔距為2.0 m及未加固時，最大建筑物沉降分別為-11.65和-14.26 mm遠遠地超過了預警值。

(a)網格模型；(b)基坑支護結構圖4　基坑計算模型Fig.4 Calculation model of foundation pit

材料參數密度/(kg·m-3)體積模量/MPa剪切模量/MPa黏聚力/KPa內摩擦角/(°)孔隙率滲透系數/(m·d-1)素填土19303.460.996.010.80.44780.500粉質黏土19703.521.4436.617.30.41550.005圓礫194023.4615.4535.03.00.295830.000卵石200022.2216.6743.02.00.312045.000強風化砂巖204073.3344.0020.048.00.42590.800中風化灰巖2210231.48152.4433.0100.00.31001.500

圖5　周邊地表沉降變化Fig.5 Change curves of settlement of surrounding surface

圖6　周邊建筑物最大沉降變化Fig.6 Change curves of settlement of surrounding buildings

結合不同孔距下注漿試驗檢測結果和數值模擬計算結果可知，注漿孔間距既是影響注漿施工經濟性的一個重要指標，也是影響基坑開挖安全性的一個控制性指標，對于粒徑分布為20～40 mm，滲透系數在 35～45 m /d 的富水砂卵石地層，注漿孔距宜控制在1.8m左右,有利于形成完整的加固體，保證基坑開挖安全。

3現場注漿效果分析

將優化后的注漿參數應用到現場基底注漿工程，現場注漿采用水玻璃摻量為10%的CS雙液漿，注漿擴散半徑為1.25 m，孔間距取1.7 m，注漿壓力為0.8～2.0 MPa，水灰比取1∶1。

注漿完后對基底加固區進行常水頭注水試驗，測試加固后土體滲透系數大小主要分布在4.55×10-5～4.68×10-5cm/s范圍，小于規范規定滲透系數標準值5 x 10-5cm/s，相比優化前砂卵石地層加固后滲透系數9.35×10-5cm/s縮小了近2倍，說明采用優化后的注漿參數，有效地控制了漿液的凝結時間，有利于漿液擴散到設計的范圍，提高了注漿孔與孔之間的土體密實度。注漿完后進行基坑開挖，為了確保在基坑施工過程中周邊環境的安全，通過布置監測點進行實時監測，對施工進行信息化指導。監測點布置見圖7。

圖7　部分監測點平面布置圖Fig.7 Diagram of part of the monitoring points plane layout

基坑開挖正常施工時間段為2015-03-10～07-31，期間建筑物累計沉降和地表累計沉降見圖8～9。

圖8表明: 基坑在施工過程中，基坑開挖對建筑物擾動較大，建筑物整體趨于下沉狀態，累計沉降量最大的監測點為A069及 A062，該監測點距離地連墻較近，對基坑施工比較敏感，累計沉降量分別達到-9.38和-8.77 mm，但都小于建筑物沉降預警值-10 mm，相比優化前(上節孔距為2.0 m時對應的數值計算值)的-11.65 mm分別減少了24%，33%。圖9表明: 基坑開挖對地層擾動較大，基坑開挖過程中，地表隨著基坑開挖的進行有著不同程度的沉降，最大沉降點為A009，最大累計沉降值為-24.36 mm，小于地表沉降預警值-25 mm，相比優化前(上節孔距為2.0 m時對應的數值計算值)的-29.15 mm減小了近19.7%。說明采用優化后的加固參數取得了很好的加固效果，有效地減小了基坑開挖對周邊環境的影響。

圖8　建筑物累計沉降圖Fig.8 Diagram of cumulative settlement of foundation building

圖9　地表累計沉降圖Fig.9 Diagram of cumulative settlement of ground surface

4結論

1)水玻璃的摻合量對漿液凝固體強度影響較大，隨著水玻璃的摻合量的增大，強度持續變小，砂卵石地層結構比較松散，為保證加固體具有較高的強度，基底不發生滲透破壞，應嚴格控制水玻璃的摻量。

2)注漿孔間距是影響基坑開挖安全性的一個控制性指標，不同孔距下基坑開挖對周邊環境的擾動影響差異較大，隨著注漿孔距的增大，基坑開挖引起的周邊地表最大沉降和周邊建筑物最大沉降也在不斷地增大。

3)對于粒徑分布為20～40mm，滲透系數在 35～45 m /d 的富水砂卵石地層，為了有效地控制CS雙液漿凝結時間，有利于漿液擴散到設計的范圍，當水灰比取1∶1時水玻璃濃度宜取40波美度左右，水玻璃摻合量宜控制在8%～10%，注漿孔距宜控制在1.8 m左右。

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(編輯蔣學東)

Study on optimization of grouting parameters in water-soaked sand and cobble stratum

LI Xiangsong1，QIN Juan1,LUO Gai1,DENG Jun2

(1.China Railway No.5 Engineering Group Co. Ltd ,Changsha 410100,China；2.School of Civil Enginneering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:Choosing reasonable grouting parameter is the key to grouting reinforcement for Water-soaked sand and cobble stratum, which has the characteristics of looseness, large porosity and high permeability. Taking a subway station in Changsha as the project background, in the light of the actual problems of cement-sodium silicate slurry grouting including difficultly controlling the setting time and empirically determining grouting hole spacing, the paper has optimized grouting material parameters and hole spacing by indoor grouting material testing, field grouting testing and finite element numerical simulation and proposed the corresponding grouting control standards. It is suggested that water-cement ratio should be 0.8-1.0,water glass about 40 Baume Degrees, water glass addition 8% - 10% and grouting hole spacing about 1.8 m when Water-soaked sand and cobble stratum adopted cement-water class to grout.

Key words：Water-soaked sand and cobble stratum; grouting reinforcement; cement-sodium silicate slurry; parameter optimization of grouting

中圖分類號：U455.45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)03-0469-07

通訊作者：李享松(1970-)，男，湖南邵陽人，高級工程師，從事隧道與地下工程施工及技術管理工作；E-mail：438849287@qq.com

基金項目：湖南省科技計劃資助項目(2010GK3173)；中鐵五局集團有限公司資助項目

收稿日期：2015-08-03