可控性水泥注浆在临海基坑截水帷幕中的应用

向斌 中国市政工程中南设计研究总院有限公司

基坑常用截水帷幕的做法有很多，如水泥搅拌桩帷幕，高压旋喷桩帷幕，地下连续墙或咬合式排桩等。一般会根据不同的土层，选择相适应的措施，同时考虑经济合理性，达到功能与造价的均衡。对于临海基坑，受潮汐影响，地下水涨落周期短，幅度大，对于基坑止水难度大，尤其是填石层，其空隙大，局部甚至存在大空洞，渗流通道远，常规的止水措施难以奏效。可控性注浆因其凝结时间可控，已逐渐应用于水利水电工程诸多水工建筑物的防渗止水，相比于普通注浆，可控性水泥注浆工艺具有可灌性、稳定性及可控性等优势，有效解决大孔隙地层在海水潮汐作用下的止水难题。

1.可控性水泥注浆简介

可控性注浆主要指灌浆材料可灌、可调、可控，能根据不同的土层随机应变，快速调整配比的灌浆工艺。对于中等开度，有地下水一定流速下裂隙土层，比如临海大孔隙填石层，地下水与潮汐关联，采用纯水泥浆灌浆容易离析，耗浆量大，不易形成结石体，因此可控性注浆十分必要。

可控性注浆关键在于调整注浆材料，注浆材料主要有3大类，即水泥基浆液，黏土浆液，其他化学浆液等。其中水泥基浆液最为普遍，根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》，水泥基浆液包括普通水泥浆、细水泥浆、黏土（膨润土）水泥浆、粉煤灰水泥浆、矿渣粉水泥浆、水泥砂浆、水玻璃水泥浆等。

水泥浆液中加入适量黏土或膨润土，因其粒径小，浆液流变性好，可灌性好，塑性大，还可提高浆液的抗水稀释性及结石体的抗渗性，且造价低廉。因此大多水利工程防渗采用此种水泥黏土复合浆液。

水泥浆液中加入适量水玻璃能与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的胶凝体— 水化硅酸钙。加入水玻璃能加快水泥的水化作用，起到速凝作用。通过调整水玻璃掺量还可准确调整凝胶时间，控制在几秒到几十分钟内，且浆液黏度较低，可灌性好，本身无毒，无污染。因此在许多防渗堵漏工程中得到应用。

水泥浆液中加入聚羧酸减水剂，能有效降低水泥浆液的黏度，作为一种具有分散性能的混凝土外加剂，可以使水泥浆液在低水灰比下具有高流动性。因此在稠状浆液中加入适量减水剂，能有效提高可灌性。

本工程根据土层复杂情况，选用了水泥浆液为主，并在浆液中加入适量水玻璃及聚羧酸减水剂，通过适当配比，达到注浆可调，可控的目的。注浆初期，控制浆液黏性在较低范围，便于浆液向周边土层的深层扩散；中期浆液黏性逐渐提高，浆液初步具有塑性特征；后期浆液黏性大幅提高，形成膏状体，而后面的空隙则会被膏浆完全填满，进而形成密实的水泥结石体，形成良好的防渗结构。这样不仅可以达到最佳的注浆效果，也可减少浆液不必要的损耗，提高注浆的有效性及经济性。

2.工程应用

2.1 工程概况

厦门某大型排涝泵站位于现状杏林湾水库内，南侧紧邻现状集杏水闸1#至3#闸孔，其它三侧均位于杏林湾湖区内。基坑北侧、东侧、西侧采用围堰，南侧利用现状水闸闸门封堵，平面布置图如图1所示。杏林湾湖区内三侧围堰采用梯形大断面充填砂袋棱体，堰体中心采用咬合三管高压旋喷桩止水；南侧利用水闸闸门及闸底垂直防渗系统防渗（已完工多年）。

湖区内围堰止水形成后，基坑开挖至南侧现状集杏水闸1#孔～3#孔出水护坦时，发现现状水闸砼护坦尾坎处存在大量涌水点（位置如图1所示），经过现场观察，各涌水点涌水水质清澈，含少量泥沙，涌水高度跟外海潮位关联变化，外海高潮时涌水高度多达2m。

图1 泵站围堰基坑平面布置图

2.2 地质条件

根据本工程地勘钻孔，基坑靠近原水闸护坦涌水处从上至下依次为填石层，素填土，淤泥混砂层，砂砾状强风化花岗岩，微风化岩层，局部含有中砂层，地质条件较为复杂。

其中，填石揭露厚度约1.0～4.0m。主要由花岗岩块石回填而成，块径约10～50cm不等。素填土主要分布于表层，厚度变化较大约2.0～5.0m。主要填料为黏性土，呈松散～稍密状，密实度及均匀性总体一般；中粗砂层厚度为1.2～3.5m，成分主要由石英中粗砂颗粒构成，泥质含量约占5%～20%不等，颗粒级配较好，均匀性差。其它土层不再一一赘述。

影响深度范围内各主要岩土体的渗透系数K及渗透性分级，详见表1。

表1 岩土体的渗透系数K及渗透性分级一览表

2.3 分析原因

本工程泵站基坑北侧、东侧、西侧围堰均已经设置高压旋喷桩止水帷幕，开挖此三侧均未出现明显涌水情况，基本排除这三侧漏水可能；开挖靠近南侧现状水闸侧，出现明显涌水情况，且涌水量与南侧水闸外侧大海潮位高度相关。可推断原水闸底高压喷射灌浆止水帷幕的可能失效。

现状水闸底虽有设置高压喷射灌浆帷幕，厚200mm，深入闸底以下15m。但根据地勘钻孔，闸底有填石层，局部有中砂层等强透水层，水闸已施工20多年，外海的潮水极有可能通过水闸底板下的填石层等透水层贯通进入基坑内造成涌水。

在泵站工程基坑施工期间，集杏水闸1#～3#闸门长时间封闭，造成了基坑内外长期处于水位高差比较大的状态，加剧了闸底透水层的渗水程度，逐渐形成了散渗通道，最终形成了贯通的渗水通道。

2.4 止水帷幕方案比较

根据以上分析，拟采取在基坑南侧靠近水闸位置增设止水帷幕，止水帷幕位置宜尽量靠近原水闸底板，两侧与本工程已施工止水帷幕闭合，阻断渗漏通道。止水帷幕设置于现状砼护坦与水闸衔接处，如图2所示。

图2 基坑南侧增设止水帷幕示意图

此区域地质条件复杂，尤其是大孔隙填石层，受潮汐动水影响大，截水防渗难度大，选择合适的止水帷幕方式尤为重要。

通过综合比较，因护坦下有填石层，排除水泥搅拌桩，普通注浆在大孔隙动水作用下亦不可控。高压旋喷桩止水帷幕技术相对成熟，应用较广，适应土层较多，且本工程围堰均有采用，效果较好，但对于填石层成桩效果欠佳，可作为备选方案。控制性水泥注浆因其可控性，稳定性优势，应用于大孔隙抛石层，效果较好，且造价相对较低，作为推荐方案。详细比较两种止水帷幕方案如表2所示。

表2 两种止水帷幕方案比较

通过综合比较，考虑到经济及技术可行性，本工程拟推荐采用可控性注浆方案，止水帷幕效果较好，且造价相对较低。

2.5 可控性水泥注浆方案设计

2.5.1 注浆孔布置

注浆孔布置在现状水闸闸前钢筋混凝土护坦上，钻孔不影响现状水闸主体结构，采用双排孔布置方案，孔距1.0米，排距暂定1.0m。钻孔深度约15m。

2.5.2 灌浆工艺

本工程采用一次成孔，自上而下分段封闭注浆工法。其原理如下：一次钻孔至终孔深度，采用孔内分隔器，将注浆孔分为数段进行注浆，该方法克服了反复钻孔注浆扫孔的过程，可使钻孔和注浆平行作业，大大提高了施工效率，节约了施工时间。

孔位布置好以后，为了防止工序之间的影响并提高浅层土层的承受压力，防止漏浆、窜浆现象的发生，以奇数孔作为I序孔，待I序灌浆完毕完全凝固后再施工偶数II序孔。

2.5.3 浆液配比

根据类似工程经验，在保证浆液可灌性和可控性的前提下，初定试灌浆液配比为：水玻璃原液模数为2.5～3.0，水玻璃溶液浓度Be=35～40；水泥浆水灰比取三级0.6:1、0.8:1、1:1（重量比），水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；双液配比分为二级：水泥浆：水玻璃=1:0.5、1:1（体积比）。

2.5.4 注浆压力

注浆压力控制在0.3MPa～2.0MPa。灌浆压力控制以压力表平均值为准。在注浆过程中应切实观测好地表土层及涌水变化情况，并根据观测结果调整注浆压力。底部可控性注浆的终孔压力不超过2.5MPa。

2.5.5 结束标准及封孔

（1）单孔结束标准。①注浆压力逐步升高至设计终压后，调小泵量到设计结束时的进浆量，并在该数值上稳定10min以上；②注浆结束时的注浆量小于2L/min；③检查孔钻取岩芯，浆液填充饱满。

（2）全段结束标准。①所有注浆孔均已符合单孔结束条件，表面无线状渗漏；②注浆后预测涌水量小于1m/(d·m)；③浆液有效注入范围满足设计要求。

2.6 注浆质量检测

两排注浆从1#水闸至3#水闸依次施工，随着注浆孔完成的数量增多，高潮期间涌水量也明显减少，待注浆全部完成，基坑通过抽排已能形成干槽，满足施工要求。14天后，对部分孔进行抽查验收，共检测12个孔，注水试验的渗透系数均小于5×10cm/s，满足设计要求。说明本工程可控性注浆止水效果良好，达到了预期效果。

3.小结

本文通过比较可控性注浆与高压旋喷桩的优劣，并通过工程实践证明了可控性注浆具有适应土层能力强，造价较低等优点。可控性水泥注浆以水泥浆液为主，添加适量水玻璃，聚羧酸减水剂等外加剂，浆液可灌性好，能在可控的时间内形成胶凝体，且可根据注浆情况实时调整浆液的黏度及凝结时间。既能节约浆液材料，防止跑浆，又能在大颗粒、高透水性的基坑中起到良好止水效果，值得推广。