上海地区深基坑围护结构缺陷突涌治理工艺研究

王红卫

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

上海城市核心区地下工程深度已达到60 m。从水文地质条件来看，上海地区地表以下30 m范围内主要存有第⑤层微承压含水层，而超过30 m将进入第⑦层承压含水层，深度超过30 m基坑工程的施工风险要远大于20 m左右深度的基坑工程，特别是承压水渗漏和突涌预防治理方面，风险管控理论的研究已远远落后于实践的发展需求[1-4]。据此，本文通过对常用化学注浆封堵技术进行机理分析，揭示上海地区采用化学注浆治理突涌的不足，为完善以上不足并促进注浆技术在深基坑突涌事故治理中得到更好的应用，进而提出了基于化学注浆的深基坑围护结构缺陷突涌治理的新工艺。

1 化学注浆

1.1 封堵止水机理及分析

本文以上海地区常用的聚氨酯为例，说明化学注浆作用机理。聚氨酯浆液凝固时间从几十秒到几分钟可调，经高压泵送装置注入地层，先以液态形式填充周围多孔结构和裂隙，然后遇水发泡膨胀产生二次压力，进一步把浆液压入裂隙，使多孔结构或地层充填紧密。从发泡初凝到固结，聚氨酯都具有良好的黏结强度，能有效附着在骨料表面，减小骨料间的过水通道，在逐渐硬化形成不透水层后，实现对突水点和过水通道的有效封堵。

通过以上的机理分析，总结聚氨酯能够产生封堵作用的关键因素如下：第一，聚氨酯浆液从注浆到发泡膨胀经历2次压力，分别是注浆压力和膨胀压力，2次压力能够在浆液固结前密实填充周围岩土体裂隙和多孔结构；第二，聚氨酯发泡膨胀后具有较高的黏结强度，在动水条件下也能牢固附着在岩土体骨料表面；第三，聚氨酯浆液凝固时间可调，能够适时凝固，避免随动水流失。

1.2 工程应用中的不足

经文献查阅可知，化学注浆封堵止水最早应用于岩质地层中的油井、矿井开挖等工程领域，后拓展到土质地层工程建设领域。在岩质地层中采用注浆堵漏，由于地层结构稳固，故即使在注浆压力和膨胀压力、承压水头等综合作用下，岩层结构依然能够保持稳定，封堵止水成功的概率较高。而在土质地层中采用注浆堵漏，特别是突涌点堵漏，由于土体颗粒容易随动水流失，土层结构稳定性差，故难以具备聚氨酯等浆液产生封堵效果所需要的关键因素。本文以上海地区的水文地质条件加以详细说明。

上海地区深基坑围护结构缺陷导致的突涌事故主要发生在第⑦层，其上第⑥层是分布较广的硬土层，主要是暗绿-草黄色黏土，不透水；其下第⑧层是分布较广的软土层，其中⑧1层是灰色黏性土，⑧2层是灰色粉质黏土、粉砂互层，不透水。第⑦层水文地质参数如表1所示。

表1 第⑦层水文地质参数

在第⑦层高水头压力下，只要基坑围护结构存在细小通道，粉细颗粒的砂、粉土就会随着水一起流入坑内，并在较短时间里扩大漏水涌砂通道。

在此类水文地质条件下，采用注入聚氨酯等化学浆液封堵规模较大的突涌，方案本身存在着诸多不足。首先，易随动水流失的粉土和细砂无法为聚氨酯提供相对稳定的土体结构，无法持续为凝固过程中的聚氨酯提供用于附着的骨架支撑。其次，土体结构在动水作用下已有扰动，而注浆压力或膨胀压力将加速土体初始结构的破坏，加剧漏水涌砂通道的扩大。最后，持续增大的动水流速，将会导致新注聚氨酯来不及凝固就随动水流失，而初凝后附着在土体骨料颗粒上的聚氨酯也会随动水流失。以上3点不足容易造成注浆封堵失败。

综合以上分析，上海地区土质地层采用化学注浆进行突涌治理时，还应加强理论研究，充分考虑注浆压力和膨胀压力、水流速度、水力梯度等对地层扰动和土体流失的影响，应制定合理的工艺流程以从根本上减少突涌治理的盲目性。

2 突涌治理新工艺

2.1 工艺流程

上海地区深基坑工程通常采用地下连续墙加支撑梁的支撑围护体系，基坑开挖过程中，地下连续墙所承受的荷载处于动态变化之中，接头处往往是地下连续墙的薄弱环节，而处于粉土和细砂层的接头更是容易产生缺陷并发生突涌的位置。为此，本文提出了深基坑围护结构缺陷承压水突涌治理新工艺，具体工艺流程如下：

1）依据坑内突涌水中的土体流失量，判断坑外地层中因土体流失所形成的空洞范围及其增大的速度。根据突涌的单位时间流量、持续时间和单位体积土颗粒含量，估算土体流失的体积，结合水文地质条件，判断坑外地层中的空洞范围及其扩大的速度。

2）计算空洞范围外初始地层中承压水的渗流速度和水力梯度。根据突涌水单位时间内的流量和水文地质条件，判断空洞范围外部土体中承压水的渗流速度和水力梯度。

3）计算化学注浆的固结范围及其增大速度。根据初始地层承压水的渗流速度、单注浆孔中的注浆范围、注浆速度、浆液凝固时间等，判断单注浆孔的固结范围及其增大的速度。

4）以形成封闭的不透水固结层为前提，比较单注浆孔控制区域内空洞范围增长速度和固结范围增长速度，判断化学注浆对空洞范围的影响。根据注浆压力和膨胀压力、凝固时间、注浆速度等参数，以及初始状态土体中的水力梯度，估算注浆压力、浆液的扩散距离及二次压力对空洞周围地层的扰动程度。

5）根据化学注浆对空洞范围的影响，制定封堵方案。选择封堵方案时应依据以下2个判断条件：首先，化学注浆的注浆压力或膨胀压力未加剧空洞范围及其增速的扩大；其次，单注浆孔控制区域内，浆液固结范围的增大速度应大于空洞范围的增大速度。满足以上2个判断条件的，采用第6步的封堵方案；反之，则采用第7步的封堵方案。

6）根据突涌点位置、注浆对空洞的影响、空洞范围及其增速、浆液固结范围及其增速，确定注浆孔位置及数量，成孔后泵送注浆封堵。

7）根据突涌点位置，在坑外围护结构缺陷处实施两步封堵措施，具体方法如下：第1步，突涌点封堵。从坑外地面钻出操作孔和灌砂孔，操作孔紧邻突涌点，灌砂孔数量和位置根据空洞范围以便于灌砂为准进行确定。先通过操作孔塞入柔性布状封堵材料，如棉布等，柔性布状材料在水流压力作用下堵塞突涌点，过滤土颗粒；坑内涌水速度明显降低后，通过灌砂孔持续灌入细砂和黏土球，填充土体流失留下的空洞。第2步，水流通道封堵。根据注浆对空洞的影响、空洞范围及其增速、浆液固结范围及其增速，确定注浆孔位置及数量，成孔后泵送注浆至封堵止水成功，并对操作孔和灌砂孔封孔。

深基坑围护结构缺陷突涌治理新工艺流程如图1所示。

图1 突涌治理新工艺流程

2.2 新工艺优点

1）理论分析逻辑清晰。通过分析突涌水中的土体流失量，计算坑外突涌所形成的空洞体积及其增长速度、空洞外围初始地层中的渗流速度和水力梯度；依据渗流速度和单注浆孔的固结范围及其增长速度，判断注浆对空洞范围的合围速度；依据注浆压力或二次压力，判断注浆对空洞及地层的影响。最后，根据不同的影响采取相应的注浆封堵措施，较大程度上减少了制定封堵措施时的盲目性。

2）两步封堵措施目标明确。柔性布状材料用于突涌点封堵，充分利用了围护结构的支撑，能够迅速降低突涌的流速和流量，相对于坑内堆载或坑内回灌，具有治理目标明确、实施规模小、见效快等优点；灌注砂和黏土球用于减少空洞体积，补充土体流失，有利于降低突涌对深基坑周边环境的影响，减少浆液的消耗量；注浆用于水流通道封堵止水。

3 突涌治理新工艺与常规工艺比较

3.1 常规工艺

总结上海市深基坑围护结构缺陷突涌治理常规工艺流程如图2所示。

图2 突涌治理常规工艺流程

突涌治理常规工艺的具体步骤如下：

1）根据突涌的规模状况及相应的治理经验，确定注浆孔的位置和数量，然后钻孔至封堵地层，持续泵送注入聚氨酯等化学浆液。

2）持续注浆条件下，如果坑内突涌流速和流量明显减少，则表明封堵工艺及措施合理，应维持注浆现状直至封堵成功。

3）持续注浆条件下，如果坑内突涌流速和流量维持不变或逐渐变大，同时出现初凝浆液随水流流出，则表明封堵工艺及措施不合理，此时仅保持注浆已不能成功止水。为降低突涌的流速流量，再采取坑内围堰堆载甚至回灌等措施，同时保持注浆，直至封堵成功。

3.2 新工艺与常规工艺比较

1）在事前量化评估环节，突涌治理新工艺较常规工艺更充分和合理。常规工艺确定注浆孔位置及数量时，虽然考虑了突涌所形成的空洞范围、浆液渗流速度、固结范围等因素，但缺少系统性的考虑，不能对影响因素的综合作用进行量化评估，存在加剧土体流失、促进突涌不良发育的隐患。新工艺充分考虑了空洞范围及增长速度、渗流速度和水力梯度、固结范围及增长速度，量化评估了化学注浆和渗流对地层和空洞范围的扰动影响，依据不同的影响程度，进而采取不同的封堵措施，很大程度上避免了突涌治理的盲目性和过度依靠经验。

2）在大流量高流速突涌封堵环节，突涌治理新工艺较常规工艺层次更清晰、目标更明确。常规工艺采用先行注浆的方式，效果不达预期后，再在坑内围堰堆载或回灌。该方法存在如下几点不足：首先，浆液流出间接说明注浆已影响到空洞范围，加剧了突涌不良发育，增加了后续治理措施的难度。其次，施工现场狭小，并非每个项目都能足量配备围堰材料；坑内回灌成本高，且困难在于要有水可灌。最后，浆液消耗过多，治理成本高。而新工艺采取先直接封堵突涌点、其次灌入砂和黏土球、后封堵水流通道的方法，具有直接降低突涌规模、滤下土体颗粒、填充空洞体积、减少浆液消耗量等多项优势。

4 结语

化学注浆已是解决岩土问题的重要技术之一，但由于注浆与土质地层的相互影响不同于岩质地层，故在诸如上海地区的土质地层中用于深基坑围护结构缺陷突涌治理时，还需要在理论和工艺等方面进行更深层次的研究。

本文充分考虑了突涌所形成的空洞范围及其增大的速度、单注浆孔固结范围及其增大的速度、注浆及水力梯度对空洞范围的影响等诸多因素，提出了两项判断条件，并依据判断条件所得结果相应采取不同的封堵措施，最终形成了深基坑围护结构缺陷突涌治理的新工艺。通过比较，该工艺较常规工艺具有理论依据充分、量化评估准确、封堵措施层次清晰等优点。