深基坑防水工程的注浆加固设计与施工

戴传英

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

随着城市建设的迅猛发展,地铁、轻轨的兴起,地下建筑大幅增加,特别在深厚层第四系地层覆盖的城区,明挖的深基坑受地下水的威胁,不仅坑壁不稳定,基础无法施工,一旦发生基底涌砂、溃决,即可能产生基坑垮塌,甚至造成周边环境、建筑严重破坏的危险。

受城市环境的局限,基坑防水多采用地下连续墙、抽水降深和注浆加固等方案。通过在长江一级阶地的武汉市汉口闹市区的工程实践,注浆加固无疑是安全、经济、合理的施工方案。回顾历经的各实施项目,初步总结以下设计思路和施工方法,以供业界参考。

1 注浆加固的工艺基本原理

注浆加固(即灌浆法或压力注浆)工艺是用气压、液压或电化学原理,把某些能固化的浆液注入各种岩土体的裂隙或孔隙,以改善地基的物理力学性质,以期达到地基或围岩的加固、防渗、堵漏的目的。

2 深基坑注浆加固设计

2.1 深基坑基底隔水顶板稳定性评价

深基坑施工开挖随深度增加,隔水顶板逐渐变薄,在承压水头作用下,顶板稳定性越来越差,直至冲溃基坑底部,造成施工无法进行,周边环境恶化。为避免上述灾害地质和环境问题发生,根据勘察获取不同土层的物理力学和承压水的相关参数,拟定预注浆加固方案。确保隔水顶板的厚度,可维持基底稳定状态和水环境的原始状态。

2.1.1 评价基底稳定的计算

检算不透水层基底稳定厚度,采用水头压力平衡式进行计算(图1)。

图1 基坑下水位示意

当满足下列条件,基底处于稳定状态,其基本式为

式中 H0——基底开挖后不透水层厚度,m;

γ——土的重度,kN/m3;

γ0——水的重度 ,kN/m3;

h——承压水头高于含水层顶板的高度,m。

当土的天然重度 γ=18～20 kN/m3时,不透水层厚度计算结果评价:

(1)H0=(γ0/γ)·h处于极限平衡状态,即 H0=(0.5～0.56)h;

(2)H0＞(γ0/γ)·h基底处于稳定状态,即 H0＞(0.5～0.56)h;

(3)H0＜(γ0/γ)·h基底处于不稳定状态,即 H0＜(0.5～0.56)h。

2.1.2 不稳定基底的加固厚度

基底隔水顶板处于不稳定状态,隔水层顶板及其以下一定注浆加固厚度的计算(图2)

图2 注浆加固厚度示意

注浆加固处理总厚度 H1应为基底至加固底部的高度,即基坑开挖后残余隔水层厚度 H0与隔水层底板以下加固厚度 b的总和。

即:H1=H0+b

当含水层没有固定的隔水顶板,基底加固厚度 H1应维持不少于 H0+b。

2.2 基坑侧壁垂直帷幕的计算

注浆垂直帷幕往往与其他基坑侧壁防护措施(如防护桩、支撑桩、旋喷桩、深层搅拌桩等)结合使用,基坑侧壁注浆与周边其他工程防护可视为同类“灰土混合软岩体”。

2.2.1 注浆垂直帷幕厚度的计算

注浆垂直厚度参考式(4)计算

式中 T——帷幕厚度,m;

ΔH——帷幕前后的水头差;

I0——帷幕的水力坡降,一般取值 10～25(相对于土层取 10)。

2.2.2 垂直帷幕的深度

对于重要工程的基坑采取帷幕注浆时,侧壁加固深度除应满足基底加固高程外,还应满足插入深基坑底以下不少于 5 m的要求。

2.3 注浆的设计原则

2.3.1 注浆孔的布置

注浆孔的布置主要依据浆液在相应土层的扩散半径确定,结合已施工的工程桩调整。

(1)注浆孔排列形式可按梅花形交错布置,特殊情况可按正方形布置。

(2)注浆孔孔距可参照有效扩散半径或加固半径进行设计。

帷幕注浆孔孔距宜为浆液扩散半径 1.4～1.6倍,排距应小于或等于注浆孔的孔距。

一般情况下,砂性土层渗透注浆孔距 0.8～1.2 m;黏性土层劈裂注浆孔间距 1.0～2.0 m。注浆地层较复杂时,孔距选择较小的有效扩散半径参数进行设计。

2.3.2 注浆孔的深度

(1)基底注浆水平帷幕深度,应按水头压力平衡稳定性计算作为孔深设计的依据。

(2)基坑侧壁垂直帷幕注浆应大于基坑深度,并直至基底水平帷幕注浆加固深度或以下。

2.4 注浆量计算

注浆量计算有:①注浆体总量计算法;②单位土体注浆量计算法;③经验系数计算法;④单孔注浆计算法等多种,本文介绍前 3种。

2.4.1 注浆体总量计算法

式中 Q——注浆土体总注浆量,m3;

V——注浆土体总体积,m3(图3);

n——孔隙率;

α——浆液损失系数,取 1.15～1.30(注浆面积小时取大值);

β——浆液充填系数,取 0.3～1.0。

图3 注浆土体示意

2.4.2 单位土体注浆量

式中 Q——注浆土体总注浆量,m3;

α——浆液损失系数,取 1.1～1.2;

q——单位土体总注浆量,m3/m3;

V——总注浆土体,m3。

在注浆土体确定之后,单位土体注浆量按表1取值进行计算。

表1 每 m3土体需水泥浆量 L

2.4.3 经验系数计算

式中 Q——浆液总量,m3;

V——总注浆土体,m3;

n——孔隙率;

k——经验系数,取值见表2。

表2 经验系数

一般情况下,黏性土地基中浆液注放量为注浆土体的 15%～20%,对孔隙率大的软土,浆液注入量应适当增大。

3 深基坑防水注浆施工

3.1 注浆方法及施工机械

对细颗粒地层一般采用打入法施工,而粗颗粒难以打入,宜使用旋转钻机泥浆护壁成孔的袖阀管法施工,本文仅简单介绍打入管法施工。

(1)打入管法的机械设备

机械设备主要有:振动设备、导向架、振动锤、移动轨道。1994年铁四院结合第四系地层深基坑压力注浆特点,自行开发研制了 ZDJ-1、ZDJ-2型振动沉管机。

注浆设备有:注浆泵、制浆储备设备。可配置定型产品。

(2)注浆管路直径

注浆管一般直径较小,φ=25～42 mm。

(3)打入管的花管结构

打入管的前端有 1 m长的注浆花管,花管上有 3排直径为 3～4 mm的孔眼,外套橡皮圈,花管顶端为锥头(图4)。

图4 注浆花管结构(以 φ42mm为例)(单位:mm)

3.2 注浆材料及配比

(1)材料

水泥:采用强度等级 P.O 32.5级以上普通硅酸盐水泥。

水玻璃 :35 ～ 40 Be′,模数 2.4 ～ 3.4。

(2)浆液配比

①水灰比:0.6∶1～2.5∶1,一般取 0.8∶1～1∶1。

②由于注浆管较细,为防止管路堵塞,常单管采用单液注浆。水泥浆液与水玻璃液间隔交替使用。

③当需要双液注浆时,可直接在水泥浆液中掺入2%～5%的水玻璃,在胶凝之前注浆完毕。

3.3 注浆压力

式中 γ——土的天然重度;

h——注浆深度。

根据经验,一般每延米深度的压力为 20～50k Pa,最大注浆压力可取土体自重压力的 2倍。但土层注浆管细,孔壁黏滞系数及摩阻力大,所以孔口压力表显示增大。施工前应进行注浆压力调试,一般注浆压力可达 1～4 MPa。

3.4 注浆工作流程

注浆工作流程:平整场地辅轨排→架设沉管机→接输浆管→沉管至注浆段→开泵注浆→再沉拔管至注浆段→全孔注浆完毕→移动至新孔。

3.5 注浆工艺及结束标准

3.5.1 注浆工艺及方法

(1)打入孔注浆本着“先外后内,先边缘后中心”的施工顺序,同时坚持隔排跳孔施工。

(2)打入孔注浆根据需要和地质条件可从上至下或从下至上,一般为从上至下注浆。

(3)分段注浆长度为 1 m,误差不宜超过 10%,即10 cm。

3.5.2 注浆结束标准

注浆施工每延米注浆段平均进浆速度 10～20 L/min,注浆达到如下标准之一时,即可结束注浆(以注浆管路 φ=32～35mm为例)。

(1)当泵压已达 4 MPa,而吸浆量≤1.0 L/min时;

(2)注浆量控制标准,每延米注浆达到设计要求;

(3)注浆过程中发现冒浆应立即暂停注浆,并对冒浆点进行封堵后,继续注浆。所采取方法可以减少压力或加稠浆液,以至采用双液控制。当采取上述措施冒浆仍然不止时,可以停止注浆,但相邻孔应实施“补偿”措施。

3.6 注浆工程质量检查

注浆是一种隐蔽工程,质量检查宜采用下列方法进行。

(1)根据施工资料成果分析。

(2)原位测试(静力触探、动力触探)成果比较,注浆前后触探(或十字板剪切)的力学指标比较。

(3)标贯法:注浆前后分别钻探,用实测标贯值比较。

(4)物探成果的比较:利用电法、面波检查注浆前后曲线变化。

(5)钻孔验证。

利用钻孔注水试验(压水试验)对比注浆前后单位长度吸水量。

工程钻孔取芯检查,比较注浆前后土层的物理及力学指标。

3.7 工程实例

武汉市汉口地区地貌属于长江冲积一级阶地。地面高程一般为 24～25m。地层由上至下,一般为:①杂填土,厚 1～3 m不等;②黏土,可塑,厚 3～5 m;③粉土(含水层)夹粉质黏土,可塑,厚 2～6 m;④粉砂,稍密 ～中密,饱和,厚度大于 8 m。以下由细渐粗,为中粗砂及砂卵石直至基岩顶面。与长江、汉水连通的承压含水层多大于30 m,承压水位一般距地表1.3～1.5m。

位于临江商业中心的江汉路中心百货商店二期扩建工程(原称:中百商贸城),主楼为 24层,其下为两层地下室,基坑深距地面 -6.1～-9.7 m,面积 2 920 m2。承压水顶板平均高程 23.25 m,基底稳定评价基坑封底厚度 8.0 m,距最低高程为 4.35 m。原设计比选了地下连续墙和抽水降深方案,终因水文地质条件复杂,周边“年逾古稀”的老建筑密集,各种地下管线错综复杂,由此开发应用了注浆加固方案。

施工前根据试验孔的水泥浆影响半径 0.5～1.0 m,水玻璃影响半径 1.1～1.6m,设计水泥注浆孔(排)距采用 0.7～1.0 m,水玻璃孔 (排 )距 2.1～3.0m。施工控制为前述的各项控制要求和标准。注浆后地下施工异常顺利,大面积开挖后基本干燥无水;设置基坑外的观测井水位却随气候条件和长江水位有规律变化。距基坑 1.5 m的中心百货商店照常营业,无任何沉降、位移。

在武汉市金源世界中心、建华大厦、武汉数码港、新世纪大酒店、省邮电综合大楼、君安大厦、丝宝大厦等十余项工程实践,均确保了既有建筑安全和周边环境无干扰,开挖后不仅基坑无水,明挖顺利,而且基坑可采用整体支护;同时增强了地下建筑的防潮作用。

4 结语

在城市建设中高层建筑与地下工程争空间日益激烈,基坑工程频繁出现。实践表明:在交通和基础设施密集、地下水电管网交错或新老建筑制约的复杂环境下,采用注浆加固则是“安全可靠、技术先进、切实可行、经济合理”的施工方案。并已在治理地下水丰富的路基塌陷和涵洞施工中推广应用。

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[2] 吴治生,戴传英.软土路基注浆设计与施工[J].铁路地质与路基,2006(1):1 3.

[3] 戴传英.汉口地区深基坑止水中的压力注浆应用[J].地基处理,1996(3).

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