圓礫地層近接高層建筑地鐵深基坑基底注漿措施研究

凌 國,吳小健

(廣西南崇鐵路有限責任公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

隨著地鐵基坑開挖深度的增加,基坑突涌等問題越來越受到關注[1]。明挖法是地鐵基坑施工中最常用的施工方法[2]。當地鐵明挖基坑近接高層建筑物且坑底地層為結構松散、孔隙大、滲透性髙的圓礫地層時,會引起較大的地表隆降和建筑物變形。特別是承壓水條件下的基坑突涌問題,安全隱患大,處理困難,如何保證施工過程中基坑和建筑物安全成為亟須解決的難題。

目前,歐士嘉[3]采用有限元軟件,分析了深基坑開挖卸載對鄰近建筑物的影響。Finno R J等[4]研究了軟土基坑開挖對周邊建筑物墻體裂縫發展的影響規律。Barrios Padura A等[5]針對軟土地層基坑開挖過程中坑外旋噴注漿加固措施對某古建筑物變形的控制效果分析,提出了針對軟土地層坑外旋噴注漿加固的控制標準。馬鄖、鄭俊杰、Xing H等[6-8],通過數值模擬的方法,研究了軟黏土地層中不同加固形式的基坑變形控制效果。李卓峰等[9]結合靜力觸探檢測結果和Plaxis數值計算,研究了三軸攪拌樁加固對軟土基坑變形的影響。夏夢然[10]采用數值計算方法,得到了軟土基坑合理的高壓旋噴注漿加固厚度和地連墻嵌固深度。既有研究多針對軟土基坑進行研究,對圓礫地層研究較少,且實際施工過程中圓礫地層注漿孔間距的取值多依據工程經驗而定,缺少試驗數據支撐。因此,有必要對松散圓礫地層注漿加固措施和注漿加固參數進行研究。

本文以某地鐵基坑為依托,結合周邊環境及地層的水文地質特點,對承壓水條件下的抗突涌穩定性進行理論分析,對比得到合理的注漿加固措施。根據現場注漿試驗,研究不同孔距下地層的滲透性,對注漿孔間距進行針對性優化。

1 工程概況

某明挖地鐵車站深基坑,基坑尺寸為214.6 m(長)×20.7 m(標準段寬)×17.5 m(標準段深)。鉆孔揭露地層為填土、淤泥質土、粉質黏土、圓礫及卵石。車站東側為高層建筑物(地下1層、地上18層),框架結構,基礎類型為樁基,樁長約13 m,樁徑0.6 m。基坑與鄰近高層建筑的最小凈距為13.0 m,平面圖如圖1所示。如圖2所示為圍護結構橫剖面圖。表1為地層物理力學參數表。潛水位在地面以下2 m,承壓水水位位于地面以下10.3 m。圓礫地層承壓水水頭高度為抗浮水位位于地表。根據含水層的性質及賦存條件,場地地下水分為第四系松散層孔隙水、承壓水及基巖裂隙水。

根據車站基坑深度、水文地質條件及周邊環境,車站圍護結構采用800 mm厚地連墻+一道混凝土支撐(800 mm×800 mm)+2道鋼支撐(φ609 mm×16 mm)。其中,地連墻下部7 m為素墻。

圖1 地鐵深基坑與高層建筑物位置關系圖(m)

圖2 標準段圍護結構剖面圖(m)

表1 地層物理力學參數表

2 圓礫地層基底加固措施探討

2.1 基坑抗突涌穩定性分析

當基坑下有承壓水含水層存在時,基坑底被承壓水頂裂或沖破而形成噴水冒砂的現象,此現象稱為基坑突涌。根據《建筑基坑支護技術規程》(DB11/489-2007)[11]:

(1)

式中:D——坑底面至承壓水含水層頂面間的距離(m),本地鐵深基坑D=4.51 m;

γ——坑底面至承壓水含水層頂面間土層的平均重度(kN/m3),本地鐵深基坑γ=19.7 kN/m3;

hw——承壓水水頭至承壓水含水層頂面間的距離(m),本地鐵深基坑承壓水位為地面以下10.3 m,承壓水含水層頂面為地面以下22.5 m,即hw=22.5-10.3=12.2 m;

γw——水重度(kN/m3),取10 kN/m3;

Kh——基坑抗突涌穩定安全系數,Kh應>1.1。

本基坑承壓水含水層主要分布于圓礫及卵石地層中。由式(1)可得:

基坑抗突涌穩定安全系數<1.1,基坑有突涌的風險,存在較大的安全隱患。若不采取措施,基坑將喪失穩定性,造成嚴重的后果。

2.2 圓礫地層基底加固措施探討

基坑底以下承壓水含水層為圓礫層,層厚約8.6 m,孔隙比0.85,承壓水頭高度約為12.2 m,圓礫地層滲透系數達5 m/d,強透水層厚度大,孔隙比大,承壓水水頭高。地鐵深基坑東側近接高層建筑物基礎為摩擦型樁基礎,樁端持力層為結構力學性能較差的松散圓礫地層。基于以上分析,本站地鐵深基坑坑底抗突涌穩定性不滿足要求,基坑變形控制難度大,建筑物易發生不均勻沉降。

地鐵深基坑地下水控制措施有截水、減壓及封底加固。鑒于圓礫強透水層厚度大,基坑開挖范圍和深度較大,采用截水和減壓的方法來大量抽取承壓水以降低承壓水水頭不合理,建議采用封底加固。

目前,二重管高壓旋噴樁法、三軸水泥攪拌樁法及袖閥管注漿法是常用的坑底封底加固措施。水泥攪拌樁造價低,由于車站基坑距離高層建筑物僅13 m,施工現場用地狹小,臨時用地緊張,三軸水泥攪拌樁施工需要較大的操作空間,適用性較低。二重管高壓旋噴樁法易污染環境,且受圍護結構限制存在加固盲區,加固效果欠佳。同時,圓礫地層粒徑為20～40 mm,粒徑較大,高壓旋噴質量較差。袖閥管注漿能很好地控制注漿壓力和注漿范圍,不受施工場地限制,在場地狹窄及凈空高度較低時均可以施工,而且注漿體漿液擴散均勻,封底加固效果好。綜上分析,建議采用袖閥管注漿封底,防止基坑突涌,控制基坑變形,保護鄰近高層建筑物。坑底采用6 m厚φ76 mm袖閥管單漿液,緊鄰高層建筑物的加固區域采用水泥水玻璃雙液注漿。注漿孔布置采用梅花形,袖閥管注漿過程中控制注漿壓力在1.0～1.2 MPa。

3 袖閥管注漿孔間距優化

袖閥管注漿孔間距是保證封底效果的關鍵指標,注漿孔間距多為1.0～2.0 m,但該基坑坑底下圓礫地層結構松散、孔隙大、滲透性強,袖閥管注漿孔間距需進行針對性研究。

在車站端頭設置袖閥管注漿試驗段,等面積劃分為Ⅰ～Ⅵ,共6個區域,袖閥管注漿孔間距為1～2 m等間距布置,如圖3所示。

圖3 注漿試驗區布置圖

待試驗區域全部注漿完14 d后,采用工程地質鉆機進行鉆孔,進行常水頭注水試驗得到加固地層的滲透系數。對每個注漿區域取5個檢測點進行檢測,取平均值作為袖閥管注漿加固后地層的滲透系數,加固體的滲透系數和變化規律如表2和圖4所示。

表2 加固體的滲透系數表

圖4 土層滲透系數與注漿孔間距曲線圖

根據規范要求[12],當滲透系數≤5×10-5cm/s,則認為注漿效果滿足要求,否則需及時調整后期注漿施工參數。

由圖4可知,加固體的滲透系數隨著孔距呈正相關,當孔距<1.8 m時,滲透系數呈線性增加;當注漿孔間距>1.8 m后,加固體的滲透系數發生突變,此時滲透系數對孔距的變化較為敏感;當孔距>1.8 m時,加固體的滲透系數為5.45×10-5cm/s,不滿足規范要求。因此,結合施工現場反饋及規范要求,注漿孔距宜≤1.8 m。

4 結語

(1)基于松散圓礫地層結構松散、孔隙大、滲透性強、承壓水頭高的特點,基坑抗突涌安全系數<1.05,基坑有突涌的風險,存在較大的安全隱患。

(2)綜合考慮二重管高壓旋噴樁法及三軸水泥攪拌樁法及袖閥管注漿法的適用性,建議采用袖閥管進行封底注漿。

(3)根據注漿試驗,當袖閥管注漿孔間距為2.0 m時,滲透系數不滿足規范要求,建議袖閥管注漿孔間距宜≤1.8 m。