大粒徑卵礫石地層多管同步注漿止水技術與試驗研究

馬慶迅 欒晶晶 張有祥

（北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

隨著工程技術的不斷進步和城市建設的快速發展，基坑工程正逐步向深度大、范圍廣、技術高的趨勢發展［1-3］。巖土工程條件、支護結構形式以及周邊復雜的建筑環境等諸多因素，對深基坑開挖的影響越來越突出［4］。

目前，北京地區深基坑工程設計與施工過程中，地下水的作用是引起基坑支護失效的主要致災因素之一［5-6］。當前，北京地區常采用的地下水控制方法主要有帷幕隔水和降水以及懸掛帷幕抽降相結合幾類。但對于大粒徑卵礫石地層，因其滲透性強及影響半徑較大，采用降水方法將導致嚴重的水資源浪費，建設行政管理部門已實施嚴格的水資源保護政策限制性降水，一般情況在技術可行的條件下盡量采用止水帷幕方法［7］。

帷幕隔水技術已經有多套成熟方法［8-10］，但其應用受到地質條件、周邊環境、基坑深度及施工工藝等各方面的限制。大粒徑卵礫石地層的深基坑工程中，可適用有效的止水方法相對較少，目前主要采用地下連墻止水技術。但是，地下連續墻作為支護止水體系，其施工造價高、工期長，且平面布置受周邊環境及施工機械制約。因此，解決常規設計方法難以解決的問題或者不足，成為當前大粒徑卵礫石地層深基坑帷幕止水技術亟待解決的關鍵問題。

北京麗澤金融商務區以大粒徑卵石為典型代表地層，在該區域進行基坑設計施工時，為了研究一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水技術，提出了多管同步注漿止水的措施。由于卵礫石地層深基坑注漿止水的應用案例較少，且缺乏對注漿關鍵技術的系統研究，在確保與工程實例在地層巖性、施工工藝相一致的條件下，開展了現場縮尺模型進行工程驗證。通過現場試驗分析了多管同步注漿關鍵技術參數及其應用可行性，使之成為一種可靠的深基坑工程輔助施工技術來進行止水應用，為類似地層條件下深基坑工程地下水控制設計及施工提供參考。

1 工程概況

擬建工程位于北京市豐臺區麗澤金融商務區，由1棟地上7層文化娛樂用房及地下4層結構（包括展廳、制冷站、汽車庫、設備用房等）組成，建筑結構形式為框架剪力墻結構，結構±0.00=44.80 m，基礎形式為筏板基礎。

擬建場地基本平坦，平均地面標高為44.00 m，基坑開挖深度29.57 m?；娱_挖深度范圍內地層以大粒徑卵石為主，具體分述如下：表層一般為厚約1.8～3.8 m的人工堆積之房渣土①層及粉質黏土素填土、黏質粉土素填土①1層；人工堆積層以下為新近沉積層之粉質黏土、重粉質黏土②層及黏土②1層、卵石③層及中砂③1層；新近沉積層以下為第四紀沉積層之卵石④層、卵石⑤層、中砂、細砂⑤1層、黏土、重粉質黏土⑤2層及黏質粉土、粉質黏土⑤3層；卵石⑥層及中砂、細砂⑥1層；第四紀沉積層以下為古近紀沉積之全風化—強風化礫巖⑦層。

工程場區自然地面以下40 m深度范圍內主要分布1層地下水，其類型為潛水，主要賦存于標高23.69～24.49 m以下的卵石層中。經現場水文地質勘察，含水層滲透系數約450 m/d，影響半徑為800 m，潛水穩定水位標高為19.42～19.84 m。

工程場區典型地質剖面如圖1所示。

圖1 工程場區典型地質剖面圖

2 基坑支護及地下水控制方案

2.1 基坑支護方案

綜合考慮工程特點及地質條件，本項目基坑支護主要采用“護坡樁+預應力錨桿支護”體系，護坡樁樁徑1.0 m，樁間距1.3 m，樁長42 m（樁端進入全風化礫巖），樁間設5～6道預應力錨桿，基坑側壁安全等級為一級；局部外放馬道采用土釘墻進行支護，土釘墻放坡比例1∶0.4，基坑側壁安全等級為三級?；又ёo典型剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑典型支護剖面圖

2.2 地下水控制方案

根據勘察報告，基坑開挖深度范圍內涉及一層地下水。綜合考慮水文地質條件及本項目結構設計條件，地下水處理主要采用多管同步深孔注漿止水帷幕結合疏干井的止排水系統加以控制?；又顾到y平面布置如圖3所示。

圖3 基坑支護及止水系統平面布置圖

3 現場試驗

3.1 試驗方案概述

本試驗位于工程場區范圍內，現場試驗區平面尺寸2 m×2 m，四周布置8根鉆孔灌注樁，灌注樁直徑為1.0 m，樁間距1.3 m，樁長13.5 m，樁間及外側布置兩排注漿孔，采用袖閥管多管同步深孔注漿工藝，鉆孔長度12.5 m，孔徑8 cm，注漿至地面以下2.0 m。在2 m×2 m內部采用雙重管深孔注漿止水帷幕工藝進行封底，鉆孔長度12.5 m，孔徑8 cm，注漿厚度為底部3 m。試驗注漿孔平面布置如圖4所示。

圖4 注漿孔平面布置圖（單位：mm）

注漿結束且達到一定強度后，對選取的的試驗區域進行內部人工土方開挖，以模擬基坑開挖施工的過程，深度至地面以下4.5 m且進入卵、礫石透水層?；娱_挖完畢且注漿體達到一定強度后，向開挖區域進行注水作業，至地面以下2.5 m，浸泡兩天后開始觀察水位下降速度，根據下降速度判斷注漿止水效果。注漿止水剖面示意見圖5。

圖5 注漿止水剖面示意圖

3.2 袖閥管多管同步深孔注漿加固原理及工藝

袖閥管注漿法是通過較大的壓力將漿液注入（壓入）巖土層中，注漿芯管上下的阻塞器可實現分段分層注漿，可由施工需要選擇連續或跳段注漿。此工法在需要全程注漿的施工中，通過分段注漿，使得松散的地層和較密實的地層均得到很好的注漿效果。而袖閥管多管同步深孔注漿為采用多孔同步注漿機，以組為單位（每組3孔或4孔），采用袖閥管注漿法同時注漿，以保證巖土層的注漿效果，其注漿工藝如圖6所示。

圖6 袖閥管多管同步注漿施工工藝流程

3.3 主要試驗過程

依據試驗方案，本次注漿試驗施工工序主要為：圍護樁施工→注漿孔施工→現場注漿→土方開挖→試坑注水。

3.3.1 圍護樁施工

采用長螺旋鉆機進行圍護樁施工。根據圍護樁施工情況，揭露地層情況與勘察報告相符，主要以卵石為主，夾雜粒徑較大的漂石。

3.3.2 注漿孔施工

采用全液壓履帶式地質鉆機進行注漿鉆孔作業，鉆機詳細參數如表1所示。本試驗先施工圍護樁內側雙重管注漿孔，共計24孔；后施工袖閥管注漿孔，共計27孔。

表1 全液壓履帶式地質鉆SH6000參數表

鉆孔完畢后，將雙重管或袖閥管放入鉆管內，雙重管通過套絲進行連接，袖閥管通過套管進行連接。雙重管及袖閥管安設過程，分別如圖7、圖8所示。

圖7 分節安設雙重注漿管

圖8 鉆孔完成后安設袖閥管

3.3.3 現場注漿

1）漿液配比

注漿材料主要為A液：水泥漿（P.O 42.5）、B液：水玻璃（硅酸鈉）、C液：速凝劑（稀硫酸）。注漿時根據地面是否冒漿轉換漿液，冒漿采用B液與C液，不冒漿選用A液與B液，A液與B液配比1∶1，B液與C液配比為1∶1。經現場試驗測定，B液與C液膠凝時間約為7～10 s，A液與B液膠凝時間約為40 s?，F場漿液配比作業情況見圖9。

圖9 現場注漿漿液配比情況

2）注漿流量、壓力控制

試驗注漿壓力取為0.8～2.0 MPa，注漿流量（單管）約為10 L/min，主要通過注漿機自帶流量計、壓力計進行實時監測及控制。

3）多管同步注漿

雙重管：注漿設備采用雙液注漿泵，連同拔管器、液壓站進行后退式注漿。注漿時，每組3孔進行同步注漿，并根據地層孔隙情況，實時調整注漿壓力及注漿流量。后退式雙重管注漿情況如圖10所示。

袖閥管：首先根據引孔深度連接袖閥管，并將袖閥管下口用尖底封好；然后，將袖閥管下入孔中，通過雙液注漿泵、止漿系統（由止漿塞、氣管、空壓機等組成）進行注漿作業，袖閥管注漿亦為每組3孔同步進行。袖閥管注漿情況如圖11所示。

圖10 后退式雙重管注漿

圖11 袖閥管注漿

3.3.4 土方開挖

注漿結束且達到一定強度后，進行試驗坑開挖。綜合考慮場區地層條件及試驗方案，試驗坑采用人工開挖方式，開挖深度約4.5 m且進入卵礫石地層。試驗坑開挖情況見圖12。

3.3.5 試坑注水

圖12 試驗坑開挖

試驗坑開挖完成后，開始進行注水。首先浸泡基坑，以使得周邊土體處于飽和狀態，水位下降時及時補水，浸泡時間為2天，浸泡結束后保持基坑內水位標高—2.5 m（底板位置水頭7 m），并觀察水位下降情況，根據水位降速判斷注漿帷幕的滲透性。試驗坑注水及量測見圖13。

圖13 試驗坑注水及水位量測

4 試驗成果分析

4.1 Q-t曲線分析

試驗范圍內土體飽和后，開始進行水位降深觀測，觀測時長48 h，水位降深約74 mm（未考慮蒸騰、揮發作用影響），水位觀測記錄情況詳見表2。試驗區域降深與時間關系曲線見圖14、滲透水量與時間關系曲線見圖15。

表2 水位降深記錄表

通過以上圖表可以看出，試驗坑內水位平均降深速率約1.54 mm/h，滲透水量為6.16 L/h，且滲透水量與時間成線性比例關系，結果表明卵石地層采用多管同步深孔復合注漿日均滲透量較小，且比較穩定。

圖14 降深-時間關系曲線

圖15 滲透水量-時間關系曲線

4.2 袖閥管注漿擴散半徑分析

本次試驗首先采用雙重管進行封底注漿，再采用袖閥管進行樁間及樁后注漿。根據現場實測，雙重管封底注漿總流量為95.85 m3，考慮漿液在卵石地層中的擴散作用，雙重管封底注漿整體擴散半徑可按下式估算。

式中：Q為雙重管注漿總流量，m3；A為漿液損耗系數，取1.2；H為封底注漿厚度，考慮漿液擴散作用，取4.0 m；n為孔隙率，按0.4考慮；β為漿液充填系數，取0.8。

經計算分析，雙重管封底注漿整體擴散半徑約為4.45 m，具體擴散范圍如圖16所示。受雙重管注漿擴散的影響，袖閥管下部約3.5 m卵石層較為密實，注漿量較少（不予計?。?，考慮注漿體之間及注漿體與支護樁之間的搭接，袖閥管注漿滿足設計要求擴散半徑不小于0.5 m的理論注漿量為3.378 m3/組（每組3個孔），現場實測注漿量與理論注漿量對比詳見表3。

圖16 雙重管封底注漿擴散范圍（單位：mm）

表3 實測注漿量與理論注漿量對比表（每組）

通過表3可以看出，現場實測注漿量平均值大于理論注漿量。綜合分析判斷，本次試驗袖閥管注漿擴散半徑大于0.5 m。

4.3 滲透系數估算

根據達西定律，滲透系數計算公式為：

式中：Q為滲透流量；A為滲水斷面面積；i為水力坡降；υ為斷面平均滲透速度。

根據Q-t曲線，本試驗滲透水量為1.71 cm3/s，平均滲透速度（取側面）3.05×10—6cm/s，側壁平均水力坡降為3.5 m/1.38 m=2.536。經計算，止水體系滲透系數約為1.2×10—6cm/s；考慮支護樁止水作用的影響，注漿體滲透系數約5.2×10—6cm/s。

4.4 工程實例滲透水量估算

本試驗地層巖性、水頭壓力及支護樁、注漿孔布置條件等與工程實例基本一致。通過模型試驗（側壁滲透面積56 m2），現場實測滲透水量約為0.148 m3/d，采用類比分析法，以試驗實測結果為依據預估工程實例（側壁滲透面積5529 m2）滲透水量約為14.6 m3/d。

5 結論

1）通過現場測定及試驗成果分析，大粒徑卵礫石地層采用多管同步注漿止水措施，袖閥管注漿擴散半徑大于0.5 m，止水帷幕體系的滲透系數約為1.2×10—6cm/s，注漿固結體滲透系數約為5.2×10—6cm/s，可有效降低卵礫石地層的滲透性。

2）通過大粒徑卵礫石地層現場注漿模型試驗，系統研究了多管同步注漿的施工工藝、注漿材料及施工參數等關鍵技術指標，形成了一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水方案。同時，試驗場地位于工程實例場區范圍內，地層巖性、設計條件等與工程實例基本一致，結合現場試驗效果及成果分析，證明試驗參數適用于工程場區內卵礫石地層作業。

3）受地質條件、工人操作水平的限制，不同工程大粒徑卵礫石地層多管同步注漿參數可能有所差異，但總體可大大減少抽排水量，節約水資源并降低工程造價，為類似地層條件下深基坑工程地下水控制設計及施工提供參考。

收稿日期：2018-08-03