大粒径卵砾石地层多管同步注浆止水技术与试验研究

马庆迅 栾晶晶 张有祥

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

随着工程技术的不断进步和城市建设的快速发展，基坑工程正逐步向深度大、范围广、技术高的趋势发展［1-3］。岩土工程条件、支护结构形式以及周边复杂的建筑环境等诸多因素，对深基坑开挖的影响越来越突出［4］。

目前，北京地区深基坑工程设计与施工过程中，地下水的作用是引起基坑支护失效的主要致灾因素之一［5-6］。当前，北京地区常采用的地下水控制方法主要有帷幕隔水和降水以及悬挂帷幕抽降相结合几类。但对于大粒径卵砾石地层，因其渗透性强及影响半径较大，采用降水方法将导致严重的水资源浪费，建设行政管理部门已实施严格的水资源保护政策限制性降水，一般情况在技术可行的条件下尽量采用止水帷幕方法［7］。

帷幕隔水技术已经有多套成熟方法［8-10］，但其应用受到地质条件、周边环境、基坑深度及施工工艺等各方面的限制。大粒径卵砾石地层的深基坑工程中，可适用有效的止水方法相对较少，目前主要采用地下连墙止水技术。但是，地下连续墙作为支护止水体系，其施工造价高、工期长，且平面布置受周边环境及施工机械制约。因此，解决常规设计方法难以解决的问题或者不足，成为当前大粒径卵砾石地层深基坑帷幕止水技术亟待解决的关键问题。

北京丽泽金融商务区以大粒径卵石为典型代表地层，在该区域进行基坑设计施工时，为了研究一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水技术，提出了多管同步注浆止水的措施。由于卵砾石地层深基坑注浆止水的应用案例较少，且缺乏对注浆关键技术的系统研究，在确保与工程实例在地层岩性、施工工艺相一致的条件下，开展了现场缩尺模型进行工程验证。通过现场试验分析了多管同步注浆关键技术参数及其应用可行性，使之成为一种可靠的深基坑工程辅助施工技术来进行止水应用，为类似地层条件下深基坑工程地下水控制设计及施工提供参考。

1 工程概况

拟建工程位于北京市丰台区丽泽金融商务区，由1栋地上7层文化娱乐用房及地下4层结构（包括展厅、制冷站、汽车库、设备用房等）组成，建筑结构形式为框架剪力墙结构，结构±0.00=44.80 m，基础形式为筏板基础。

拟建场地基本平坦，平均地面标高为44.00 m，基坑开挖深度29.57 m。基坑开挖深度范围内地层以大粒径卵石为主，具体分述如下：表层一般为厚约1.8～3.8 m的人工堆积之房渣土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之粉质黏土、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之卵石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；第四纪沉积层以下为古近纪沉积之全风化—强风化砾岩⑦层。

工程场区自然地面以下40 m深度范围内主要分布1层地下水，其类型为潜水，主要赋存于标高23.69～24.49 m以下的卵石层中。经现场水文地质勘察，含水层渗透系数约450 m/d，影响半径为800 m，潜水稳定水位标高为19.42～19.84 m。

工程场区典型地质剖面如图1所示。

图1 工程场区典型地质剖面图

2 基坑支护及地下水控制方案

2.1 基坑支护方案

综合考虑工程特点及地质条件，本项目基坑支护主要采用“护坡桩+预应力锚杆支护”体系，护坡桩桩径1.0 m，桩间距1.3 m，桩长42 m（桩端进入全风化砾岩），桩间设5～6道预应力锚杆，基坑侧壁安全等级为一级；局部外放马道采用土钉墙进行支护，土钉墙放坡比例1∶0.4，基坑侧壁安全等级为三级。基坑支护典型剖面图如图2所示。

图2 基坑典型支护剖面图

2.2 地下水控制方案

根据勘察报告，基坑开挖深度范围内涉及一层地下水。综合考虑水文地质条件及本项目结构设计条件，地下水处理主要采用多管同步深孔注浆止水帷幕结合疏干井的止排水系统加以控制。基坑止水系统平面布置如图3所示。

图3 基坑支护及止水系统平面布置图

3 现场试验

3.1 试验方案概述

本试验位于工程场区范围内，现场试验区平面尺寸2 m×2 m，四周布置8根钻孔灌注桩，灌注桩直径为1.0 m，桩间距1.3 m，桩长13.5 m，桩间及外侧布置两排注浆孔，采用袖阀管多管同步深孔注浆工艺，钻孔长度12.5 m，孔径8 cm，注浆至地面以下2.0 m。在2 m×2 m内部采用双重管深孔注浆止水帷幕工艺进行封底，钻孔长度12.5 m，孔径8 cm，注浆厚度为底部3 m。试验注浆孔平面布置如图4所示。

图4 注浆孔平面布置图（单位：mm）

注浆结束且达到一定强度后，对选取的的试验区域进行内部人工土方开挖，以模拟基坑开挖施工的过程，深度至地面以下4.5 m且进入卵、砾石透水层。基坑开挖完毕且注浆体达到一定强度后，向开挖区域进行注水作业，至地面以下2.5 m，浸泡两天后开始观察水位下降速度，根据下降速度判断注浆止水效果。注浆止水剖面示意见图5。

图5 注浆止水剖面示意图

3.2 袖阀管多管同步深孔注浆加固原理及工艺

袖阀管注浆法是通过较大的压力将浆液注入（压入）岩土层中，注浆芯管上下的阻塞器可实现分段分层注浆，可由施工需要选择连续或跳段注浆。此工法在需要全程注浆的施工中，通过分段注浆，使得松散的地层和较密实的地层均得到很好的注浆效果。而袖阀管多管同步深孔注浆为采用多孔同步注浆机，以组为单位（每组3孔或4孔），采用袖阀管注浆法同时注浆，以保证岩土层的注浆效果，其注浆工艺如图6所示。

图6 袖阀管多管同步注浆施工工艺流程

3.3 主要试验过程

依据试验方案，本次注浆试验施工工序主要为：围护桩施工→注浆孔施工→现场注浆→土方开挖→试坑注水。

3.3.1 围护桩施工

采用长螺旋钻机进行围护桩施工。根据围护桩施工情况，揭露地层情况与勘察报告相符，主要以卵石为主，夹杂粒径较大的漂石。

3.3.2 注浆孔施工

采用全液压履带式地质钻机进行注浆钻孔作业，钻机详细参数如表1所示。本试验先施工围护桩内侧双重管注浆孔，共计24孔；后施工袖阀管注浆孔，共计27孔。

表1 全液压履带式地质钻SH6000参数表

钻孔完毕后，将双重管或袖阀管放入钻管内，双重管通过套丝进行连接，袖阀管通过套管进行连接。双重管及袖阀管安设过程，分别如图7、图8所示。

图7 分节安设双重注浆管

图8 钻孔完成后安设袖阀管

3.3.3 现场注浆

1）浆液配比

注浆材料主要为A液：水泥浆（P.O 42.5）、B液：水玻璃（硅酸钠）、C液：速凝剂（稀硫酸）。注浆时根据地面是否冒浆转换浆液，冒浆采用B液与C液，不冒浆选用A液与B液，A液与B液配比1∶1，B液与C液配比为1∶1。经现场试验测定，B液与C液胶凝时间约为7～10 s，A液与B液胶凝时间约为40 s。现场浆液配比作业情况见图9。

图9 现场注浆浆液配比情况

2）注浆流量、压力控制

试验注浆压力取为0.8～2.0 MPa，注浆流量（单管）约为10 L/min，主要通过注浆机自带流量计、压力计进行实时监测及控制。

3）多管同步注浆

双重管：注浆设备采用双液注浆泵，连同拔管器、液压站进行后退式注浆。注浆时，每组3孔进行同步注浆，并根据地层孔隙情况，实时调整注浆压力及注浆流量。后退式双重管注浆情况如图10所示。

袖阀管：首先根据引孔深度连接袖阀管，并将袖阀管下口用尖底封好；然后，将袖阀管下入孔中，通过双液注浆泵、止浆系统（由止浆塞、气管、空压机等组成）进行注浆作业，袖阀管注浆亦为每组3孔同步进行。袖阀管注浆情况如图11所示。

图10 后退式双重管注浆

图11 袖阀管注浆

3.3.4 土方开挖

注浆结束且达到一定强度后，进行试验坑开挖。综合考虑场区地层条件及试验方案，试验坑采用人工开挖方式，开挖深度约4.5 m且进入卵砾石地层。试验坑开挖情况见图12。

3.3.5 试坑注水

图12 试验坑开挖

试验坑开挖完成后，开始进行注水。首先浸泡基坑，以使得周边土体处于饱和状态，水位下降时及时补水，浸泡时间为2天，浸泡结束后保持基坑内水位标高—2.5 m（底板位置水头7 m），并观察水位下降情况，根据水位降速判断注浆帷幕的渗透性。试验坑注水及量测见图13。

图13 试验坑注水及水位量测

4 试验成果分析

4.1 Q-t曲线分析

试验范围内土体饱和后，开始进行水位降深观测，观测时长48 h，水位降深约74 mm（未考虑蒸腾、挥发作用影响），水位观测记录情况详见表2。试验区域降深与时间关系曲线见图14、渗透水量与时间关系曲线见图15。

表2 水位降深记录表

通过以上图表可以看出，试验坑内水位平均降深速率约1.54 mm/h，渗透水量为6.16 L/h，且渗透水量与时间成线性比例关系，结果表明卵石地层采用多管同步深孔复合注浆日均渗透量较小，且比较稳定。

图14 降深-时间关系曲线

图15 渗透水量-时间关系曲线

4.2 袖阀管注浆扩散半径分析

本次试验首先采用双重管进行封底注浆，再采用袖阀管进行桩间及桩后注浆。根据现场实测，双重管封底注浆总流量为95.85 m3，考虑浆液在卵石地层中的扩散作用，双重管封底注浆整体扩散半径可按下式估算。

式中：Q为双重管注浆总流量，m3；A为浆液损耗系数，取1.2；H为封底注浆厚度，考虑浆液扩散作用，取4.0 m；n为孔隙率，按0.4考虑；β为浆液充填系数，取0.8。

经计算分析，双重管封底注浆整体扩散半径约为4.45 m，具体扩散范围如图16所示。受双重管注浆扩散的影响，袖阀管下部约3.5 m卵石层较为密实，注浆量较少（不予计取），考虑注浆体之间及注浆体与支护桩之间的搭接，袖阀管注浆满足设计要求扩散半径不小于0.5 m的理论注浆量为3.378 m3/组（每组3个孔），现场实测注浆量与理论注浆量对比详见表3。

图16 双重管封底注浆扩散范围（单位：mm）

表3 实测注浆量与理论注浆量对比表（每组）

通过表3可以看出，现场实测注浆量平均值大于理论注浆量。综合分析判断，本次试验袖阀管注浆扩散半径大于0.5 m。

4.3 渗透系数估算

根据达西定律，渗透系数计算公式为：

式中：Q为渗透流量；A为渗水断面面积；i为水力坡降；υ为断面平均渗透速度。

根据Q-t曲线，本试验渗透水量为1.71 cm3/s，平均渗透速度（取侧面）3.05×10—6cm/s，侧壁平均水力坡降为3.5 m/1.38 m=2.536。经计算，止水体系渗透系数约为1.2×10—6cm/s；考虑支护桩止水作用的影响，注浆体渗透系数约5.2×10—6cm/s。

4.4 工程实例渗透水量估算

本试验地层岩性、水头压力及支护桩、注浆孔布置条件等与工程实例基本一致。通过模型试验（侧壁渗透面积56 m2），现场实测渗透水量约为0.148 m3/d，采用类比分析法，以试验实测结果为依据预估工程实例（侧壁渗透面积5529 m2）渗透水量约为14.6 m3/d。

5 结论

1）通过现场测定及试验成果分析，大粒径卵砾石地层采用多管同步注浆止水措施，袖阀管注浆扩散半径大于0.5 m，止水帷幕体系的渗透系数约为1.2×10—6cm/s，注浆固结体渗透系数约为5.2×10—6cm/s，可有效降低卵砾石地层的渗透性。

2）通过大粒径卵砾石地层现场注浆模型试验，系统研究了多管同步注浆的施工工艺、注浆材料及施工参数等关键技术指标，形成了一套止水有效、成本低廉、工期可控的帷幕止水方案。同时，试验场地位于工程实例场区范围内，地层岩性、设计条件等与工程实例基本一致，结合现场试验效果及成果分析，证明试验参数适用于工程场区内卵砾石地层作业。

3）受地质条件、工人操作水平的限制，不同工程大粒径卵砾石地层多管同步注浆参数可能有所差异，但总体可大大减少抽排水量，节约水资源并降低工程造价，为类似地层条件下深基坑工程地下水控制设计及施工提供参考。

收稿日期：2018-08-03