緊鄰盾構隧道超深基坑注漿止水帷幕的設計與施工參數研究*

龐小朝

(鐵科院(深圳)研究設計院有限公司， 518041， 深圳∥正高級工程師)

作為提高巖土體抗滲性能和強度的主要技術手段，注漿技術被廣泛應用于地下工程建設領域。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置注漿帷幕實現了工程的順利推進。某灰巖地層礦區，通過對注漿帷幕關鍵參數的研究[2]，實現了該項目礦產資源安全回采和含水層水資源保護的雙重目的。

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

在城市建成區，減少施工對周邊環境的影響尤為重要，基坑中注漿帷幕相關研究和應用案例逐漸增加。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，設計與施工參數的選取十分關鍵。然而，目前既有文獻中針對花崗巖破碎帶地層近地鐵超深基坑的注漿帷幕關鍵參數、施工工藝和實測數據鮮見報道，本文依托深圳恒大中心超深基坑項目(以下簡稱“恒大中心項目”)的注漿止水帷幕施工全過程，梳理破碎花崗巖層原位試驗和帷幕設計施工經驗；通過實測數據分析，研究破碎花崗巖地層透水率-注漿量關系，探討帷幕透水率設計值、注漿量等關鍵指標確定方法，以供類似項目參考。

1 恒大中心項目概況

恒大中心項目是目前深圳地區設計與施工難度最大的基坑工程項目之一。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。項目鄰近的地鐵盾構隧道底部埋深為18.00 m～22.00 m，隧道外邊緣距基坑圍護結構最近距離僅3.00 m。場地內下伏的粗粒花崗巖層存在壓扭型破碎帶，構造裂隙極發育，場地水位埋深為0.20～3.40 m。項目基坑圍護結構、盾構隧道、破碎帶、注漿帷幕平面關系如圖1所示。

圖1 基坑注漿帷幕、盾構隧道、破碎帶平面關系圖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，必須穩定基坑外側地下水位，控制基坑開挖導致的地下水繞滲和坑底涌水，圍護結構底部和坑底注漿帷幕已成為該項目成功推進的關鍵。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級普通硅酸鹽水泥凈漿，其設計參數見表1。

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

表1 注漿止水帷幕設計參數Tab.1 Design parameter of grouting waterproof curtain

2 帷幕設計關鍵參數

2.1 破碎花崗巖地層實測透水率

恒大中心項目的注漿帷幕設計前，為掌握場地透水情況，對場地內的中微風化花崗巖層進行了大規模壓水試驗，選取場地內16個代表性位置進行壓水試驗鉆孔，各孔每5～10 m設置一個試驗段，共計126個試驗段：非破碎帶區5孔，合計21個壓水試驗段；破碎帶區11孔，合計105個壓水試驗段。試驗得到花崗巖層破碎帶區和非破碎帶區的透水率占比情況如表2所示，壓水試驗的主要結果如圖3所示。

表2 恒大中心項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 壓水試驗的主要結果Fig.3 Main result of water pressure test

由表2和圖3可知，該項目中微風化花崗巖層的實測透水率具有如下特征：

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

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

0.012 8×10-2d3

(1)

式中：

d——距中風化巖層頂面的豎向距離，m；

q——透水率，Lu。

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

q=11.1-0.16d

(2)

經統計，92.4%實測透水率小于該擬合線值，即小于11.1 Lu。

2.2 帷幕設計關鍵參數

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算分析模型，用以計算該基坑開挖期間在不同帷幕設置條件下隧道側的地下水下降深度和滲流速度，如圖4所示。

圖4 Plaxis 3d軟件計算模型Fig.4 Calculation model of Plaxis 3d

計算時，巖層透水率取90%預測區間上限透水率，邊界條件為定水頭邊界，水頭高度跟場地地下水水位相同。計算假定如下：巖體中水流動符合達西定律，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。

根據深圳地鐵運營主管部門的要求，該基坑施工期間隧道周邊水位下降深度控制值為6 m。本文設計了9個方案，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，經比選計算，該基坑帷幕設計關鍵參數的計算結果如圖5所示。

圖5 基坑注漿帷幕關鍵參數計算結果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。當帷幕透水率為1.0 Lu時，封底帷幕注漿深度10 m、墻下帷幕注漿深度20 m，基坑開挖導致帷幕外側水位下降深度為4.3 m，小于水位降深控制目標值(4.8 m)，且相對其他帷幕深度組合經濟合理，將以上參數選取為帷幕透水率設計值。

2.3 原位注漿試驗驗證

為論證注漿止水帷幕設計參數的科學性及施工工藝可行性，本文在破碎帶區選取3個試驗區，在非破碎帶區選取1個試驗區，對該項目中風化花崗巖層頂面至以下20～30 m范圍進行注漿帷幕施工，并在注漿前后對試驗區進行壓水試驗。試驗區的平面布置如圖1所示。

注漿施工采用分段注漿、孔口封閉、孔內循環、自上而下的施工工藝，每個注漿段3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1.0、0.5∶1.0五級水灰比依次進行注漿，漿液由稀至濃逐級變換。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，單個注漿段的單次注漿量達到1 000 kg/m時，停漿待凝，后重復此施工流程。注漿段在設計壓力下，當漿液的注入速率不大于1 L/min，繼續灌注30 min即可結束注漿。

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

經統計，注漿試驗的破碎帶區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。非破碎帶區注漿段的最大注漿量為98.3 L/m，明顯小于破碎帶區的最大注漿量。注漿前后透水率對比和統計如表4所示。

表4 注漿試驗的主要結果Tab.4 Main result of grouting test

根據巖層透水性及原位注漿試驗的統計結果，采用試驗選用的注漿工藝進行施工，可以達到注漿帷幕透水率不大于1.0 Lu的設計要求。考慮到工程實施過程中地層不確定性、注漿質量控制復雜性等因素，止水帷幕透水率應從嚴把控，故將透水率的設計值確定為1.0 Lu。

3 帷幕施工關鍵指標

3.1 實測透水率-注漿量關系

注漿量是注漿帷幕工程質量和造價控制的重要指標，對工程造價及質量管理、工程設計研究均具有重要價值。本文選取項目破碎帶區8個代表性壓水試驗孔，統計各孔周邊3 m范圍內的止水帷幕注漿孔(合計80孔，335個注漿段)注漿量，得到破碎帶區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-注漿量關系曲線

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

根據對注漿前透水率、帷幕施工實際注漿量的統計分析，可得到以下結果：

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，對破碎中微風化巖層注漿帷幕進行了壓水試驗檢測，檢測結果表明，透水率達到設計要求。

從統計結果可見，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數據，與注漿段實際注漿前透水率間存在少量差異。

3.2 注漿量關鍵指標

通過壓水試驗確定的注漿前透水率與預估注漿量是注漿止水工程關鍵指標，考慮到地層的變異性，其相關關系很難用解析公式表達，采用統計和擬合方法給出近似公式供相關工程參考。

基于巖層深度-透水率擬合(式(1))及透水率-注漿量關系(式(3))，可估計不同深度的注漿量平均值，進而預估漿液用量：

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

(4)

基于巖層深度-透水率90%預測區間上限擬合(式(2))及巖層透水率-注漿量關系(式(3))，可估計不同中風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。

恒大中心項目破碎花崗巖層注漿量的關鍵指標及實測值如圖8所示，破碎花崗巖層中風化面以下0～20 m，注漿量控制值取1 381 kg/m，中風化面以下20～40 m，注漿量控制值取942 kg/m。經統計，約有94.3%注漿段的實測值小于其對應深度的注漿量控制值。

圖8 注漿量關鍵指標、實測值對比Fig.8 Comparison of key indexes and measured values of grouting volume

在施工過程中，當出現注漿量大于其控制值時，應檢查施工設備情況(尤其是注漿管路是否存在泄漏)，并確認是否存在未知不良地質現象。

4 結論

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

2) 經注漿試驗及工程實踐驗證，破碎花崗巖層采用本文注漿方法及設計參數，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、檢測的重點位置。

3) 經恒大中心項目共計335個注漿段數據統計，該項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-注漿量關系一階回歸曲線可表示為Q=-83.19+136.79q，中風化巖面以下0～20 m范圍內，超越概率10%的注漿量控制值可取1 381 kg/m。