复合注浆在深厚大卵石地层止水中的应用

李燃垌 蔡冠军 李久坤

(北京矿务局综合地质工程公司，北京 102300)

0 引言

当前，大城市地下水降排控制越来越严格，止水工艺在基坑工程中起到了尤为重要的作用。随着城市建筑群逐渐的密集，地下连续墙[1]等需要大型设备、大型场地的工艺适用性将在城市建设管理中受限。以某卵石地层深基坑工程止水研究为例，提出了一种新的地下水控制思路，从安全、经济及施工的可行基础上，通过试验结果分析，制定了止水设计方案，可为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

本工程为1栋地上7层、地下4层结构的建筑。拟建建筑结构形式为框架剪力墙结构，基础形式为筏板基础，本工程结构±0.000=44.80 m，平均地面高程为44.00 m(相对标高-0.80 m)，拟建场地基本平坦，本工程槽底高程为14.43 m(相对标高-30.37 m)，基坑开挖深度29.57 m。

2 环境概况

南侧紧邻D13地块，由L型住宅楼及纯地下车库组成。住宅楼地上15层，地下3层，距本工程结构约9.9 m；纯地下车库地下2层，距本工程结构最近4.3 m。住宅楼及纯地下车库埋深约10.5 m。南侧主出入口紧邻该住宅楼，相距约8 m。(见图1)

西侧临近金中都西路，道路边线距本工程结构最近约3.4 m；道路下设有市政管廊，距本工程结构最近为5.5 m，管廊埋深3.8 m/7.0 m/9.5 m。马路正对面为在建住宅楼，其基础与本工程相距约18 m。

北侧临近骆驼湾南路，道路边线距本工程结构8.2 m(局部地下二层4.8 m)；道路外侧设有市政管廊，距本工程结构5.9 m(局部地下二层2.4 m)，5#节点部位距离结构3.9 m，管廊埋深6.3 m/10.0 m/局部12.9 m。

图2 典型地质剖面图

3 工程地质概况

拟建场地位于古漯水河故道范围内，典型地质剖面如图2所示，地层分述如下：

表层一般为厚约1.80～3.80 m(场地北侧人工填土层厚度较大，约7.50～8.10 m)的房渣土①层及粉质黏土素填土、黏质粉土素填土①1层；

人工堆积层以下为新近沉积层粉质黏土、重粉质黏土②层及黏土②1层；卵石③层及中砂③1层；

新近沉积层以下为第四纪沉积层卵石④层；卵石⑤层，中砂、细砂⑤1层，黏土、重粉质黏土⑤2层及黏质粉土、粉质黏土⑤3层；卵石⑥层及中砂、细砂⑥1层；密实，个别粒径大于20 cm。

第四纪沉积层以下为古近纪沉积全风化-强风化砾岩⑦层。

拟建工程场地内分布的卵石层中含有大粒径的漂石，其卵(漂)石一般粒径为140～240 mm，最大粒径可达310～430 mm，卵(漂)石粒组含量可达50%以上，其母岩岩性以花岗岩、安山岩等为主，硬度较大。大粒径卵(漂)石分布规律性差，强度差异较大。

根据现场前期旋挖桩施工地质对比，上部4 m基本为杂填土，4 m以下至埋深40 m部位为砂卵石地层。隔水层位于全风化-强风化砾岩⑦层，埋深40 m。

4 水文地质概况

工程场区自然地面以下40 m深度范围内的第四纪松散沉积层中主要分布有1层地下水，类型为潜水。潜水主要赋存于标高23.69～24.49 m以下的砂、卵石层中。现场钻探期间该层地下水(潜水)稳定水位标高为19.42～19.84 m，水位埋深为24.10～24.60 m。该区域富水层为砂卵石层，卵石层渗透系数450 m/d，影响半径800 m。

5 试验区设计思路

在场地中部建立直径为3 m的抽水试验区域，在区域外50 mm及350 mm处钻孔两圈，沿试验区域环绕形成闭合圈，钻孔间距内圈为958 mm，外圈布孔位于内圈两孔之间，内外圈钻孔数均为10。在钻孔内进行压力注浆试验，将试验区域周围350 mm范围内的土体固结，形成止水帷幕(见图3)。

图3 试验区域平面图(单位：mm)

5.1 工艺介绍

采用套管钻机进行引孔至基岩，放入多根注浆管[2]，然后采用水玻璃、水泥、膨润土[3]进行调浆注入孔中，完成一根注浆体。注浆流程如图4所示。

5.2 注浆装置

每一个孔内需放置一根注浆管和由四根注浆管组合而成的组合注浆装置。组合注浆装置的俯视图及侧视图如图5、图6所示。

图4 注浆流程图

图5 注浆装置俯视图

图6 注浆装置侧视图

注浆管的直径均为20 mm，四根注浆管焊接在特制圆形钢板上，圆形钢板直径为146 mm，圆形钢板外周有凸起，其侧向厚度为7 mm，用以固定胶套，从而充当止浆塞的作用。四根注浆管的长度各不相同，最长注浆管的管口处于隔水层上方0.5 m处，其余注浆管管口按5 m间距依次向上排列。止浆塞所处位置需在含水层上方0.2 m处，实际施工时其所处位置应在含水层上方不小于地下水位年变幅的高度。

5.3 注浆施工

深孔复合型高压双液帷幕注浆工艺[4]与常规的单管注浆工艺有所不同，在一个钻孔内共有5根注浆管，在止浆塞上方有一根注浆管，下方是组合注浆装置的四根注浆管(见图7)。开始施工时，先下入组合注浆装置到预定位置，然后下入单根注浆管进行注浆，注浆压力为0.5 MPa，浆液溢到孔口时停止注浆，对水位以上土层进行封堵，防止组合注浆时浆液外溢。待注浆体达到初凝状态后，开始使用组合注浆装置进行注浆。开始注浆时，四根注浆管同时注浆，注浆压力为2～4 MPa(在浆液注不进的情况下增加注浆压力至12 MPa)。结束标准为压力增加1～0.3 MPa，流量≤5 L/min。

图7 注浆管孔内布置示意图(单位：mm)

在注浆过程中，需四根管同时采取双液泵注浆。对于压力低、流速大的管，注入水泥+水玻璃双液浆；对于压力高、流速小的管注入水泥+膨润土双液浆；对于压力、流速适中的管注入水泥单液浆。

5.4 注浆设计参数

采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，含量占固体成分的60%；黏土需过200目筛，含量占固体成分的40%；速凝剂为水玻璃，模数n=2.75，浓度为38°Bé，添加比例为水泥含量的4%；浆液水灰质量比为1∶1。

6 结果及分析

6.1 地层储浆情况

完成注浆后，在形成封闭的圆中心，采用旋挖钻机成孔，孔直径0.8 m，从挖出来的地层渣土可以看出，地层中含大量不同状态的水泥浆块，说明注浆的效果是明显的。其中在16.5 m处卵石层中有尚未凝固的水泥浆(见图8)，在18 m处细砂中有暗黑色水泥浆(见图9、图10)；从26.5 m处开始出现明显的水泥浆块体(见图11)，到30 m一直有明显可见的水泥浆块体(见图12)。但是从30～35 m处未见水泥浆块体，而是尚未成形的松散水泥浆(见图13)。

图8 16.5 m处卵石层中 水泥浆

图9 18 m处细砂中 所含暗黑色水泥浆

图10 被钻头碾碎的水泥浆

图11 27 m处黏贴在钻头 上的明显水泥浆块体

图12 29.5 m处水泥浆结石体

图13 30～35 m处未成形 水泥浆

6.2 瑞利波检测

在深孔复合高压双液帷幕注浆前后均对试验区域进行了瑞利波检测[5]，检测平面图见图14。检测结果显示35 m以上注浆效果较为明显，局部35～40 m之间有一部分注浆效果不够明显(见图15—图17)。

图14 瑞利波检测平面图

图15 瑞利波检测北侧区域

图16 瑞利波检测中部区域

图17 瑞利波检测南侧区域

6.3 结果验证

试验区域进行了抽水试验，采用水泵流量为15 m3/h，记录连续3 h抽水水位变化情况(见图18)。

图18 抽水试验中水位变化情况

由水位变化情况可知，水位深度越大，降低水位越难。在29 m以内的水位深度较容易降低，平均降水速率为0.135 m/min。降到29 m以后，降水速度明显下降，大约为7 mm/min。停止抽水2 min，水位上升了4.3 m，在5 min后又降到了28 m处，然后慢慢降到28.9 m。

基岩按照不渗水考虑，渗径长度按照0.8 m考虑，渗透系数计算可得：

式中：k为渗透系数，m/d；Q为流量，m3/d；L为渗径，m；A为过水断面面积，m2；Δh为水头损失，m。

根据抽水工程中水位的变化，说明水位降深基本符合要求，渗透系数比未注浆前显著降低；考虑注浆完成后第二天进行了中部抽水井施工和进行抽水试验的影响，综合分析认为注浆的总体效果较为理想。本工程区域地层中30 m以下地层比较密实，采用此工艺施工需对30 m以下地层进行单独加强注浆，增加一根注浆管，能够更好地达到止水效果。

7 结论

对本次试验结果进行分析，总结如下：

(1)深孔复合高压注浆技术在深厚大卵石地层中止水效果明显。

(2)利用瑞利波作为止水帷幕的效果检验及查找渗漏点具有一定的参考意义。

(3)试验过程中，注浆阶段到抽水验证阶段间隔时间过短，水泥浆液未达到止水需求强度，实际效果将优于本试验结果。

(4)本次试验选择区域较小，会有注浆叠加问题，在基坑应用中，效果需进一步研究。

(5)根据本次抽水验证效果分析，柔性注浆止水不能完全在深厚大卵石地层中止住地下水，止水效果能够达到90%以上，需进行排水结合应用。

注浆技术在明挖基坑大面积止水帷幕中应用较少，无论在注浆止水施工关键参数的研究，还是注浆止水效果的研究，都缺乏系统性研究，因此在理论上和实践上限制了该技术的进一步发展和推广。本文通过深孔复合高压注浆在狭小的工作场地中进行施工试验收集数据，为逐渐密集的城市建筑群提供了一种新的止水帷幕思路，可为类似工程提供一定的参考和借鉴。