圆砾地层近接高层建筑地铁深基坑基底注浆措施研究

凌 国,吴小健

(广西南崇铁路有限责任公司,广西 南宁 530022)

0 引言

随着地铁基坑开挖深度的增加,基坑突涌等问题越来越受到关注[1]。明挖法是地铁基坑施工中最常用的施工方法[2]。当地铁明挖基坑近接高层建筑物且坑底地层为结构松散、孔隙大、渗透性髙的圆砾地层时,会引起较大的地表隆降和建筑物变形。特别是承压水条件下的基坑突涌问题,安全隐患大,处理困难,如何保证施工过程中基坑和建筑物安全成为亟须解决的难题。

目前,欧士嘉[3]采用有限元软件,分析了深基坑开挖卸载对邻近建筑物的影响。Finno R J等[4]研究了软土基坑开挖对周边建筑物墙体裂缝发展的影响规律。Barrios Padura A等[5]针对软土地层基坑开挖过程中坑外旋喷注浆加固措施对某古建筑物变形的控制效果分析,提出了针对软土地层坑外旋喷注浆加固的控制标准。马郧、郑俊杰、Xing H等[6-8],通过数值模拟的方法,研究了软黏土地层中不同加固形式的基坑变形控制效果。李卓峰等[9]结合静力触探检测结果和Plaxis数值计算,研究了三轴搅拌桩加固对软土基坑变形的影响。夏梦然[10]采用数值计算方法,得到了软土基坑合理的高压旋喷注浆加固厚度和地连墙嵌固深度。既有研究多针对软土基坑进行研究,对圆砾地层研究较少,且实际施工过程中圆砾地层注浆孔间距的取值多依据工程经验而定,缺少试验数据支撑。因此,有必要对松散圆砾地层注浆加固措施和注浆加固参数进行研究。

本文以某地铁基坑为依托,结合周边环境及地层的水文地质特点,对承压水条件下的抗突涌稳定性进行理论分析,对比得到合理的注浆加固措施。根据现场注浆试验,研究不同孔距下地层的渗透性,对注浆孔间距进行针对性优化。

1 工程概况

某明挖地铁车站深基坑,基坑尺寸为214.6 m(长)×20.7 m(标准段宽)×17.5 m(标准段深)。钻孔揭露地层为填土、淤泥质土、粉质黏土、圆砾及卵石。车站东侧为高层建筑物(地下1层、地上18层),框架结构,基础类型为桩基,桩长约13 m,桩径0.6 m。基坑与邻近高层建筑的最小净距为13.0 m,平面图如图1所示。如图2所示为围护结构横剖面图。表1为地层物理力学参数表。潜水位在地面以下2 m,承压水水位位于地面以下10.3 m。圆砾地层承压水水头高度为抗浮水位位于地表。根据含水层的性质及赋存条件,场地地下水分为第四系松散层孔隙水、承压水及基岩裂隙水。

根据车站基坑深度、水文地质条件及周边环境,车站围护结构采用800 mm厚地连墙+一道混凝土支撑(800 mm×800 mm)+2道钢支撑(φ609 mm×16 mm)。其中,地连墙下部7 m为素墙。

图1 地铁深基坑与高层建筑物位置关系图(m)

图2 标准段围护结构剖面图(m)

表1 地层物理力学参数表

2 圆砾地层基底加固措施探讨

2.1 基坑抗突涌稳定性分析

当基坑下有承压水含水层存在时,基坑底被承压水顶裂或冲破而形成喷水冒砂的现象,此现象称为基坑突涌。根据《建筑基坑支护技术规程》(DB11/489-2007)[11]:

(1)

式中:D——坑底面至承压水含水层顶面间的距离(m),本地铁深基坑D=4.51 m;

γ——坑底面至承压水含水层顶面间土层的平均重度(kN/m3),本地铁深基坑γ=19.7 kN/m3;

hw——承压水水头至承压水含水层顶面间的距离(m),本地铁深基坑承压水位为地面以下10.3 m,承压水含水层顶面为地面以下22.5 m,即hw=22.5-10.3=12.2 m;

γw——水重度(kN/m3),取10 kN/m3;

Kh——基坑抗突涌稳定安全系数,Kh应>1.1。

本基坑承压水含水层主要分布于圆砾及卵石地层中。由式(1)可得:

基坑抗突涌稳定安全系数<1.1,基坑有突涌的风险,存在较大的安全隐患。若不采取措施,基坑将丧失稳定性,造成严重的后果。

2.2 圆砾地层基底加固措施探讨

基坑底以下承压水含水层为圆砾层,层厚约8.6 m,孔隙比0.85,承压水头高度约为12.2 m,圆砾地层渗透系数达5 m/d,强透水层厚度大,孔隙比大,承压水水头高。地铁深基坑东侧近接高层建筑物基础为摩擦型桩基础,桩端持力层为结构力学性能较差的松散圆砾地层。基于以上分析,本站地铁深基坑坑底抗突涌稳定性不满足要求,基坑变形控制难度大,建筑物易发生不均匀沉降。

地铁深基坑地下水控制措施有截水、减压及封底加固。鉴于圆砾强透水层厚度大,基坑开挖范围和深度较大,采用截水和减压的方法来大量抽取承压水以降低承压水水头不合理,建议采用封底加固。

目前,二重管高压旋喷桩法、三轴水泥搅拌桩法及袖阀管注浆法是常用的坑底封底加固措施。水泥搅拌桩造价低,由于车站基坑距离高层建筑物仅13 m,施工现场用地狭小,临时用地紧张,三轴水泥搅拌桩施工需要较大的操作空间,适用性较低。二重管高压旋喷桩法易污染环境,且受围护结构限制存在加固盲区,加固效果欠佳。同时,圆砾地层粒径为20～40 mm,粒径较大,高压旋喷质量较差。袖阀管注浆能很好地控制注浆压力和注浆范围,不受施工场地限制,在场地狭窄及净空高度较低时均可以施工,而且注浆体浆液扩散均匀,封底加固效果好。综上分析,建议采用袖阀管注浆封底,防止基坑突涌,控制基坑变形,保护邻近高层建筑物。坑底采用6 m厚φ76 mm袖阀管单浆液,紧邻高层建筑物的加固区域采用水泥水玻璃双液注浆。注浆孔布置采用梅花形,袖阀管注浆过程中控制注浆压力在1.0～1.2 MPa。

3 袖阀管注浆孔间距优化

袖阀管注浆孔间距是保证封底效果的关键指标,注浆孔间距多为1.0～2.0 m,但该基坑坑底下圆砾地层结构松散、孔隙大、渗透性强,袖阀管注浆孔间距需进行针对性研究。

在车站端头设置袖阀管注浆试验段,等面积划分为Ⅰ～Ⅵ,共6个区域,袖阀管注浆孔间距为1～2 m等间距布置,如图3所示。

图3 注浆试验区布置图

待试验区域全部注浆完14 d后,采用工程地质钻机进行钻孔,进行常水头注水试验得到加固地层的渗透系数。对每个注浆区域取5个检测点进行检测,取平均值作为袖阀管注浆加固后地层的渗透系数,加固体的渗透系数和变化规律如表2和图4所示。

表2 加固体的渗透系数表

图4 土层渗透系数与注浆孔间距曲线图

根据规范要求[12],当渗透系数≤5×10-5cm/s,则认为注浆效果满足要求,否则需及时调整后期注浆施工参数。

由图4可知,加固体的渗透系数随着孔距呈正相关,当孔距<1.8 m时,渗透系数呈线性增加;当注浆孔间距>1.8 m后,加固体的渗透系数发生突变,此时渗透系数对孔距的变化较为敏感;当孔距>1.8 m时,加固体的渗透系数为5.45×10-5cm/s,不满足规范要求。因此,结合施工现场反馈及规范要求,注浆孔距宜≤1.8 m。

4 结语

(1)基于松散圆砾地层结构松散、孔隙大、渗透性强、承压水头高的特点,基坑抗突涌安全系数<1.05,基坑有突涌的风险,存在较大的安全隐患。

(2)综合考虑二重管高压旋喷桩法及三轴水泥搅拌桩法及袖阀管注浆法的适用性,建议采用袖阀管进行封底注浆。

(3)根据注浆试验,当袖阀管注浆孔间距为2.0 m时,渗透系数不满足规范要求,建议袖阀管注浆孔间距宜≤1.8 m。