庞小朝

(铁科院(深圳)研究设计院有限公司， 518041， 深圳∥正高级工程师)

作为提高岩土体抗渗性能和强度的主要技术手段，注浆技术被广泛应用于地下工程建设领域。广州地铁越秀公园站基坑工程中[1]人工挖孔桩施工期间出现大量地下水渗入，威胁邻近已建地下室安全，通过在破碎花岗岩层设置注浆帷幕实现了工程的顺利推进。某灰岩地层矿区，通过对注浆帷幕关键参数的研究[2]，实现了该项目矿产资源安全回采和含水层水资源保护的双重目的。

针对注浆浆液在岩土体中的扩散规律、注浆对岩土体性能的影响、注浆施工方法与工艺等方面问题，国内外学者开展了大量研究。文献[2]针对裂隙开度不同岩体，提出了注浆充填方法，并基于原位试验检验了注浆帷幕的截流保水能力。文献[3]分析了岩层中浆液扩散的影响因素，提出了扩散范围与注浆量的预测方法。文献[4]自主研发了水泥基复合注浆材料(CGM)，并研究了其加固机理。

在城市建成区，减少施工对周边环境的影响尤为重要，基坑中注浆帷幕相关研究和应用案例逐渐增加。注浆帷幕的止水效果与地层特性、注浆工艺等因素息息相关，设计与施工参数的选取十分关键。然而，目前既有文献中针对花岗岩破碎带地层近地铁超深基坑的注浆帷幕关键参数、施工工艺和实测数据鲜见报道，本文依托深圳恒大中心超深基坑项目(以下简称“恒大中心项目”)的注浆止水帷幕施工全过程，梳理破碎花岗岩层原位试验和帷幕设计施工经验；通过实测数据分析，研究破碎花岗岩地层透水率-注浆量关系，探讨帷幕透水率设计值、注浆量等关键指标确定方法，以供类似项目参考。

1 恒大中心项目概况

恒大中心项目是目前深圳地区设计与施工难度最大的基坑工程项目之一。其基坑开挖面积为8 760.00 m2(113.00 m长×73.00 m宽)，开挖深度为38.95～42.35 m。项目邻近的地铁盾构隧道底部埋深为18.00 m～22.00 m，隧道外边缘距基坑围护结构最近距离仅3.00 m。场地内下伏的粗粒花岗岩层存在压扭型破碎带，构造裂隙极发育，场地水位埋深为0.20～3.40 m。项目基坑围护结构、盾构隧道、破碎带、注浆帷幕平面关系如图1所示。

图1 基坑注浆帷幕、盾构隧道、破碎带平面关系图Fig.1 Relationship of grouting curtain, shield tunnel and fracture zone

为了控制该工程基坑施工期间邻近地铁隧道的变形，必须稳定基坑外侧地下水位，控制基坑开挖导致的地下水绕渗和坑底涌水，围护结构底部和坑底注浆帷幕已成为该项目成功推进的关键。破碎带、注浆帷幕的断面布置如图2所示。注浆止水帷幕采用42.5级普通硅酸盐水泥净浆，其设计参数见表1。

图2 破碎带、注浆帷幕断面关系图Fig.2 Section arrangement of fracture zone and grouting curtain

表1 注浆止水帷幕设计参数Tab.1 Design parameter of grouting waterproof curtain

2 帷幕设计关键参数

2.1 破碎花岗岩地层实测透水率

恒大中心项目的注浆帷幕设计前，为掌握场地透水情况，对场地内的中微风化花岗岩层进行了大规模压水试验，选取场地内16个代表性位置进行压水试验钻孔，各孔每5～10 m设置一个试验段，共计126个试验段：非破碎带区5孔，合计21个压水试验段；破碎带区11孔，合计105个压水试验段。试验得到花岗岩层破碎带区和非破碎带区的透水率占比情况如表2所示，压水试验的主要结果如图3所示。

表2 恒大中心项目花岗岩层透水率的占比情况Tab.2 Proportion of permeability of granite layer in Evergrande Center Project

图3 压水试验的主要结果Fig.3 Main result of water pressure test

由表2和图3可知，该项目中微风化花岗岩层的实测透水率具有如下特征：

破碎带区以弱透水层为主，实测最大透水率15.8 Lu；非破碎带区以微透水层为主，实测透水率小于1.0 Lu。破碎带区的岩层透水率明显高于非破碎带区，破碎带区中风化岩及浅层微风化岩的透水率最高。随着深度加深，岩层透水率均值呈逐渐下降趋势。因此，靠近中风化岩面的注浆段上段应作为帷幕注浆的重点区段。破碎带区岩层透水率均值与中风化岩面以下深度关系拟合结果如式(1)：

q=6.530 0-0.399 0d+ 0.012 4d2-

0.012 8×10-2d3

(1)

式中：

d——距中风化岩层顶面的竖向距离，m；

q——透水率，Lu。

本文采用90%预测区间上限来估计破碎花岗岩地层透水率的概率分布。如图3所示，得到破碎带区岩层透水率90%预测区间上限拟合线值为：

q=11.1-0.16d

(2)

经统计，92.4%实测透水率小于该拟合线值，即小于11.1 Lu。

2.2 帷幕设计关键参数

为确定基坑注浆止水帷幕的深度、布置形式及帷幕透水率，本文采用Plaxis 3D软件建立三维有限元渗流计算分析模型，用以计算该基坑开挖期间在不同帷幕设置条件下隧道侧的地下水下降深度和渗流速度，如图4所示。

图4 Plaxis 3d软件计算模型Fig.4 Calculation model of Plaxis 3d

计算时，岩层透水率取90%预测区间上限透水率，边界条件为定水头边界，水头高度跟场地地下水水位相同。计算假定如下：岩体中水流动符合达西定律，同一地层为均一、各向同性材料，初始地下水位以下各岩土层均为饱和无压含水层。

根据深圳地铁运营主管部门的要求，该基坑施工期间隧道周边水位下降深度控制值为6 m。本文设计了9个方案，封底帷幕注浆深度分别为10 m、20 m和30 m，基坑周边墙下帷幕注浆深度分别为10 m、20 m和30 m。在帷幕透水率为1.0 Lu的情况下，经比选计算，该基坑帷幕设计关键参数的计算结果如图5所示。

图5 基坑注浆帷幕关键参数计算结果Fig.5 Calculation results of key parameters of foundation pit grouting curtain

由图5可见：该基坑帷幕外侧水位下降深度受墙下帷幕注浆深度的影响较大，受封底帷幕厚度的影响并不显著。当帷幕透水率为1.0 Lu时，封底帷幕注浆深度10 m、墙下帷幕注浆深度20 m，基坑开挖导致帷幕外侧水位下降深度为4.3 m，小于水位降深控制目标值(4.8 m)，且相对其他帷幕深度组合经济合理，将以上参数选取为帷幕透水率设计值。

2.3 原位注浆试验验证

为论证注浆止水帷幕设计参数的科学性及施工工艺可行性，本文在破碎带区选取3个试验区，在非破碎带区选取1个试验区，对该项目中风化花岗岩层顶面至以下20～30 m范围进行注浆帷幕施工，并在注浆前后对试验区进行压水试验。试验区的平面布置如图1所示。

注浆施工采用分段注浆、孔口封闭、孔内循环、自上而下的施工工艺，每个注浆段3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1.0、0.5∶1.0五级水灰比依次进行注浆，浆液由稀至浓逐级变换。止水帷幕注浆段的段长和注浆压力如表3所示。注浆过程中，单个注浆段的单次注浆量达到1 000 kg/m时，停浆待凝，后重复此施工流程。注浆段在设计压力下，当浆液的注入速率不大于1 L/min，继续灌注30 min即可结束注浆。

表3 止水帷幕注浆段的段长及注浆压力Tab.3 Length and pressure of waterproof curtain section

经统计，注浆试验的破碎带区注浆段的最大注浆量为450.7 L/m，注浆前的透水率为0.35～12.03 Lu，注浆后的透水率为0.06～0.49 Lu。非破碎带区注浆段的最大注浆量为98.3 L/m，明显小于破碎带区的最大注浆量。注浆前后透水率对比和统计如表4所示。

表4 注浆试验的主要结果Tab.4 Main result of grouting test

根据岩层透水性及原位注浆试验的统计结果，采用试验选用的注浆工艺进行施工，可以达到注浆帷幕透水率不大于1.0 Lu的设计要求。考虑到工程实施过程中地层不确定性、注浆质量控制复杂性等因素，止水帷幕透水率应从严把控，故将透水率的设计值确定为1.0 Lu。

3 帷幕施工关键指标

3.1 实测透水率-注浆量关系

注浆量是注浆帷幕工程质量和造价控制的重要指标，对工程造价及质量管理、工程设计研究均具有重要价值。本文选取项目破碎带区8个代表性压水试验孔，统计各孔周边3 m范围内的止水帷幕注浆孔(合计80孔，335个注浆段)注浆量，得到破碎带区注浆段的注浆量占比情况如表5所示，注浆前透水率和注浆量分布图如图6所示，均值拟合曲线如图7所示。

图6 各注浆段的注浆量、注浆前透水率

图7 透水率-注浆量关系曲线

表5 破碎带区注浆段的注浆量占比情况Tab.5 Proportion of grouting volume in fracture zone

根据对注浆前透水率、帷幕施工实际注浆量的统计分析，可得到以下结果：

1) 破碎花岗岩地层中，约有97.0%的注浆段注浆前的注浆前透水率小于10.0 Lu，约有75.9%的注浆段的注浆量小于100 kg/m，约有12.4%的注浆段注浆量大于500 kg/m。

2) 注浆前透水率大于10.0 Lu的注浆段中，约有40.0%的注浆段注浆量小于100 kg/m，约有20.0%的注浆段注浆量大于1 000 kg/m。

3) 注浆后，对破碎中微风化岩层注浆帷幕进行了压水试验检测，检测结果表明，透水率达到设计要求。

从统计结果可见，每延米注浆量随注浆段岩层平均透水率上升而增加，透水率-注浆量关系的一阶回归曲线为：

Q=-83.19 + 136.79q

(3)

式中：

Q——采用本文注浆方法的预估注浆量，kg/m。

需说明的是，式(3)中的透水率采用的是相邻位置和临近深度压水试验数据，与注浆段实际注浆前透水率间存在少量差异。

3.2 注浆量关键指标

通过压水试验确定的注浆前透水率与预估注浆量是注浆止水工程关键指标，考虑到地层的变异性，其相关关系很难用解析公式表达，采用统计和拟合方法给出近似公式供相关工程参考。

基于岩层深度-透水率拟合(式(1))及透水率-注浆量关系(式(3))，可估计不同深度的注浆量平均值，进而预估浆液用量：

Q=810.05-54.58d+ 1.70d2-0.018d3

(4)

基于岩层深度-透水率90%预测区间上限拟合(式(2))及岩层透水率-注浆量关系(式(3))，可估计不同中风化岩面以下深度注浆段的10%超越概率注浆量，将此注浆量定义为注浆量控制值，用于工程管控：

[Q]=1 435.18-21.89q

(5)

式中：

[Q]——本文施工方法注浆量控制值，kg/m。

恒大中心项目破碎花岗岩层注浆量的关键指标及实测值如图8所示，破碎花岗岩层中风化面以下0～20 m，注浆量控制值取1 381 kg/m，中风化面以下20～40 m，注浆量控制值取942 kg/m。经统计，约有94.3%注浆段的实测值小于其对应深度的注浆量控制值。

图8 注浆量关键指标、实测值对比Fig.8 Comparison of key indexes and measured values of grouting volume

在施工过程中，当出现注浆量大于其控制值时，应检查施工设备情况(尤其是注浆管路是否存在泄漏)，并确认是否存在未知不良地质现象。

4 结论

1) 较之完整花岗岩层，含破碎岩的中微风化花岗岩层透水率偏高；恒大中心项目中，破碎花岗岩层透水率与中风化花岗岩面以下深度的90%预测区间上限拟合曲线为q=11.1-0.16d。

2) 经注浆试验及工程实践验证，破碎花岗岩层采用本文注浆方法及设计参数，施工后注浆帷幕透水率可控制在1.0 Lu以下；注浆帷幕上段为注浆施工、检测的重点位置。

3) 经恒大中心项目共计335个注浆段数据统计，该项目的破碎花岗岩层中约75.9%的注浆段注浆量小于100 kg/m，约12.4%的注浆段注浆量大于500 kg/m。破碎花岗岩层注浆量随岩层透水率增大而上升，岩层透水率-注浆量关系一阶回归曲线可表示为Q=-83.19+136.79q，中风化岩面以下0～20 m范围内，超越概率10%的注浆量控制值可取1 381 kg/m。