深基坑帷幕注浆止水工法.doc

深基坑注浆止水帷幕施工工法
一、前言
在深基坑工程施工中，地下水是影响深基坑工程安全顺利开挖的一个重要影响因素。为保证基坑工程开挖处于“干”状态，减小因地下水的流失对周边环境造成影响，确保基坑工程施工安全，施工中通常在基坑外围和基底施作竖直和水平止水帷幕，以达到止水目的。目前施作止水帷幕常采用的施工方法有：高压旋喷注浆法、地下连续墙法、冻结法和静压注浆法。高压旋喷注浆法是针对砂层和粉质粘性土层的一种有效方法，但该方法在中强风化岩层、断层破碎带的富水和动水条件下存在施工效果差，造价高，泥浆对场地污染严重，影响文明施工等缺点；地下连续墙法是针对淤泥质地层止水施工的最佳方法，但该方法对砂层、粉质粘性土层、中强风化层、断层破碎带的富水和动水条件下施工效果和工期均难以保证，且施工造价高；冻结法在国内外工程中已大量应用，但用于深基坑工程存在造价高，工期长，需投入大型设备，且成功实例少等缺点；静压注浆法具有造价低，工艺易操作，机械设备投入少，工期缺等优点，但是由于注浆工艺相对复杂，技术要求高等缺点的存在，使其应用范围受到限制。中铁隧道集团公司在深圳地铁一号线益田站基坑工程和广州地铁二号线越秀公园站北基坑工程中通过采用普通水泥-水玻璃双液浆（简称C-S双液浆）作为注浆材料；地质钻机垂直钻孔；袖阀管后退式分段注浆技术，成功地解决了两深基坑工程的桩外和基底止水问题，取得了较大的经济和社会效益。经对两基坑帷幕注浆止水技术研究总结和深化，形成本工法。
二、工法特点
（一）采用普通水泥-水玻璃双液浆（或超细水泥-水玻璃双液浆）作为注浆材料。该注浆材料具有凝胶时间可调，可有效地控制浆液在地层中的扩散距离，确保地下动水条件下浆液的凝胶固结，且浆液无毒、无污染，价格相对较便宜；
（二）采用袖阀管垂直后退式分段注浆工艺，可以根据不同地质条件采用不同的注浆参数，能保证止水帷幕的整体连续性和有效的帷幕厚度；
（三）施工设备配套简单，工艺易操作，施工成本较低；
（四）对场地污染小，有利于文明施工；
（五）可分区投入多套设备，缩短施工工期。
三、适用范围
本工法适用于淤泥质、粉质粘性土、砂层、全风化、强风化、中风化、断层破碎带等地层富水和动水条件下基坑工程的止水帷幕施工，也可广泛应用于电力、铁路和水利等基坑工程。
四、工法原理及关键技术
（一）工法原理
1、在淤泥质、粉质粘性土、全风化、中强风化及断层破碎带富水和动水条件下采用普通水泥-水玻璃双液浆，其作用机理主要表现为裂隙填充和劈裂作用；在砂层中采用超细水泥-水玻璃双液浆，其作用机理主要为渗透作用。普通水泥-水玻璃双液浆和超细水泥-水玻璃双液浆凝胶时间可调，可以减少地下水对浆液凝胶化性能的影响，确保浆液在富水和动水条件下的凝胶固结；浆液结石率高，有微膨胀性；采用双液灌注，工艺实施容易；浆液原材料均为无毒材料，大量使用不会造成环境污染；可以对不同地层用不同作用机理进行注浆，确保注浆效果；
2、袖阀管为单向袖阀式塑料管，管外侧每33cm设一组溢浆孔，溢浆孔外部覆盖橡胶套，这样能保证浆液在压力条件下注入地层，而防止地层中的水和砂土进入注浆管，影响注浆施工效果。
3、采用皮碗式或台阶式止浆塞，以及其配套构造，可以形成分段注浆工艺，注浆效果好，能保证帷幕的连续性和有效性。
（二）关键技术
1、采用地质钻机从地面垂直钻孔，成孔速度快，可靠性高，垂直度易控制；
2、采取袖阀管垂直后退式分段注浆工艺，可以针对不同地层采取不同的注浆参数，提高注浆加固的均一性，确保注浆效果；
3、采取定量、定压双控指标，保证注浆效果，控制地表隆起。
五、工艺流程
注浆施工工艺流程如图1所示。
造设止浆墙

钻 孔

安设注浆管

配制浆液
注水试验

注浆作业

No

第一段注浆达到要求
监控量测

Yes

注第二段

……

No

所有段达到要求
补 注

Yes

结束注浆

图1 注浆施工工艺流程图

（一）造设止浆墙
在注浆区域造设C15～C20砼止浆墙，止浆墙厚度20～30cm，以防止注浆过程中地面冒浆。
（二）钻孔
1、测量放线定出注浆孔孔位；
2、采用XJA-100等工程地质钻机按标出的孔位进行钻孔；
3、钻孔过程中一般采用套管定位、泥浆循环护壁成孔，成孔后须立即清孔；若地层为含水砂层等坍孔严重地层时，宜采取套管护壁法成孔；
4、在钻孔过程中应做好详细的钻孔记录，对钻孔进行地质描述，从而有利于下一步的注浆作业施工；
5、按设计要求完成钻孔，安设好注浆管后，将套管拔出。
（三）安设注浆管
1、结合提供的地质资料，根据注浆要求，在不注浆部位下A型注浆管，在注浆部位下B型注浆管，底部加下闷盖；
2、将A、B型注浆管根据要求连接后，沿钻孔下到孔底；
3、在孔底至距地面3m段采用豆石或粗砂填充，在地表以下3m及孔口部位采用速凝水泥砂浆填充，以防止注浆时返浆；
4、顶部加上闷盖，以防止杂物和钻孔过程中的泥浆流入注浆管。
（四）注浆作业
1、注水试验
注浆前应进行注水试验，以检查注浆管路是否正常和判断地层的吸浆能力等；
2、浆液配制
（1）水泥浆配制
①根据预配制浆液的体积，按水灰比和缓凝剂掺量计算出所需的水泥（或超细水泥），水和缓凝剂的用量。一般情况下，注浆施工中宜采用整袋水泥；
②在搅拌机内加入计算好的用水量（应提前标好画线），将计算好的缓凝剂加入，强力搅拌均匀；
③待缓凝剂完全溶解后，边搅拌边加入计算好的水泥用量，搅拌均匀后倒入储浆桶内以备注浆。
（2）水玻璃浆液配制
在拌浆桶中加入浓水玻璃，然后边搅拌边加水，同时用玻美计测量其浓度，直至稀释至需要浓度为止。
3、注浆参数
注浆参数如表1所示。

注浆参数表 表1
序号
参数名称
参 数 值
1
帷幕厚度
根据地质参数计算确定。一般基坑桩外帷幕厚度为1.5～3m，基底帷幕厚度为3～6m。
2
帷幕深度
进入相对不透水层2～3m或深入桩底3～5m
3
帷幕排数
根据地下水状况选择2～5排
4
浆液凝胶时间
30＇～3＂（根据注浆管路长度选择）
5
浆液扩散半径
0.5m～0.8m
6
注浆孔间距
按式a≤（1.5～1.7）R进行计算确定。式中a指注浆孔间距（m）；R指浆液扩散半径（m）。
7
注浆速度
20～40L/min
8
注浆分段长度
0.4 m
9
注浆终孔
1～1.7MPa（水压高时取高值）
10
单孔注浆量
按式Q=πR2h·n·α·(1+β)·γ进行计算确定。式中Q指注浆量（m3）；R指浆液扩散半径（m）；n指地层空隙率或裂隙率；α指地层空隙填充率；β指浆液损失率，一般取10～30%；γ指单孔注浆转化到群孔注浆时注浆量折合系数，一般取60～80%。
4、注浆施工
采用注浆泵进行注浆作业。
（1）注浆方式采取后退式分段注浆工艺，即在注浆带内由孔底进行注浆，每次注浆段长0.4m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆。
（2）在芯管拔出长度大于一节管长时，停注拆取该节芯管及接头，将接头接在未拔出的芯管上继续注浆，以此下去，直至完成注浆带。
（3）注浆过程中如需暂停注浆时，必须先将水玻璃吸浆管拿出放入清水桶中，然后再拿出水泥管，并同时将注浆芯管提升0.4m，向孔内注清水后再停止注浆，这样既保持管路畅通，又保证注浆段不受注水影响。
5、注浆顺序
注浆顺序可根据需要采取约束-开放型或开放-约束型方式。
约束-开放型注浆顺序是指在群孔注浆中，首先将周围注浆孔进行注浆，从而达到约束的目的，以防止浆液过远扩散，然后采取开放型注浆，由一侧（闭口侧）向另一侧（敞口侧）平行推进，以达到排水目的。
开放-约束型注浆是指在群孔注浆中，在局部范围内首先对某孔的外侧周围孔进行注浆，注浆量可较大一些，以注浆量作为主要控制标准，然后对该孔进行注浆，主要以注浆终压为控制标准。
（五）监控量测
采用精密水准仪监测注浆过程中地表变形。在注浆过程中，应控制地表隆起限值为30㎜，否则，应调整设计参数，控制地表隆起变形，确保工程施工安全，有效保护周围环境。

六、材料
（一）注浆材料
在施工中一般采用普通水泥-水玻璃双液浆，当周边环境条件要求较高时，可选用超细水泥-水玻璃双液浆。从可行性、可靠性、经济性等方面综合考虑，针对粗砂层、砂砾层、淤泥质地层、粉质粘性土层、中强风化岩层和断层破碎带可选用普通水泥-水玻璃双液浆；针对中、细砂层和粉质粘性土层宜选用超细水泥-水玻璃双液浆。
1、普通水泥-水玻璃双液浆
（1）原材料：425#以上普通硅酸盐水泥，35Be＇以上水玻璃，缓凝剂Na2HPO4；
（2）浆液配比：W:C=（1～1.5）:1，C:S=1:1，缓凝剂掺量0～3%，稀水玻璃浓度25～35 Be＇。
2、超细水泥-水玻璃双液浆：
（1）原材料：15～20μm超细水泥，35Be＇以上水玻璃，缓凝剂Na2HPO4；
（2）浆液配比：W:C=(1.5～3):1，C:S=1:1，缓凝剂掺量0～3%，稀水玻璃浓度25～35 Be＇。
（二）注浆管材及其配套止浆系统
注浆管材采用袖阀管。袖阀管为PVC或钙质聚丙烯硬质塑料管，管周每间隔33cm梅花型钻设溢浆孔，外侧覆盖橡胶套。止浆系统由皮碗式或台阶式止浆塞、花管、宝塔头和管堵组成。
七、机具设备
主要机具设备见表2。
注浆施工主要机具设备表 表2
序号
机械（具）种类
机械（具）名称
型号
1
钻孔机械
钻机
XJA—100
钻头、钻杆
ф89
2
注浆机械（具）设备
注浆泵
HFV-5D或KBY-50/70型等双液注浆泵
搅拌机
LJ-300
高压胶管
Dg25-Pg16
混合器
T型
抗震压力表
16MPa
3
监测仪器
精密水准仪
WILD NA2
4
其它
水泵

提升架
自制
导链
5t
管钳

八 劳动组织
根据工程数量要求，确定劳动力，在注浆施工中，施工人员要听从现场施工组的统一安排，服从指挥，严格施工纪律。施工劳动组织安排如表3所示

注浆施工劳动组织表 表3
序号
工 种
人数
（每工班）
职 责
备 注
1
技术人员
1
负责全面注浆工作和周围环境巡视

2
工班长
1
协助技术人员工作，负责劳动力安排
提管困难时协助提管
3
司泵
1
负责注浆泵的操作及注浆施工记录
4
制浆
2
负责浆液的配制
5
提管
3
按照规定提升注浆芯管，观察孔口附近冒浆、串浆等情况的发生。

6
合计
8

九 质量标准及技术要求
1、注浆孔的孔位标注误差≤1cm；
2、钻孔定位水平误差≤10cm，钻孔垂直度≤1.5%；
3、安设注浆管时，注浆管应高出地面5cm，并盖上闷盖；
4、严格按材料配比进行浆液配制，严禁擅自改变浆液配比；
5、严禁超长提升芯管，确保注浆区域在垂直方向的连续性；
6、注浆施工引起的地表隆起值≤30mm。
十、 安全措施
1、注浆结束后，应对注浆效果进行检查评定，注浆效果未达到要求，应立即进行补注。注浆效果的检查评定主要采取分析法和注水试验两种方法。分析法包括注浆过程中的P-Q-t曲线分析，地层浆液填充率的反算分析；注水试验主要是注浆后对地层进行渗透系数测试，地层渗透系数应≤10-4㎝/s；
2、建立健全各种岗位安全责任制，并设立专职安全员；
3、加强施工人员安全意识，进行岗前安全培训；
4、严格按注浆技术交底施工，杜绝野蛮施工；
5、各连接部件均应采用高压配件，注浆前必须检查管路连接状况；
6、除司泵员外，其它人员不得开启注浆泵。
十一、效益分析
（一）社会效益
1、该工法可行可靠，是基坑工程帷幕止水的一种有效方法，采用该工法能确保工程安全优质施工；
2、该工法施工机械简单，易操作，施工中不易产生大量泥浆，有利于文明施工；
3、该工法可采用多套设备平行作业，可有效缩短工期；
4、该工法的成功研究与应用，为今后类似工程的设计、施工和业主决策提供了经验和借鉴依据。

（二）经济效益
1、与冻结法施工相比，可节约工程资金30～50%；与高压旋喷法相比可节约资金20～30%；
2、该工法施工工艺简单，可靠性高，采用多套设备平行作业，可缩短工期30～60%；
3、根据工程及水文地质状况，合理地选择注浆参数，可在保证效果前提下节约资金。
十二、工程实例
（一）深圳地铁一号线益田站围护桩外注浆止水帷幕
1、工程概况
深圳地铁一号线益田站位于深圳市福田区福华路段，工程采用顺作二层三跨框架结构。益田站采用明挖基坑法施工，基坑长223.4m，宽27.7m。益田站站区范围内岩土分层自上而下为第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、砂层、冲积粘性土及第四系残积层（Qel），下伏燕山期花岗岩。本场地地下水按赋存介质可分为孔隙潜水和基岩裂隙水。地下水埋深3.0～5.7m，水位变幅1.0～1.5m。砾砂混粘性土层的渗透系数为8m/d，强风化层渗透系数为2.5m/d。围护结构采取人工挖孔咬合桩结构型式，为保证人工挖孔桩的顺利进行，以及确保地铁站建成后达到一级防水要求，在人工挖孔桩外侧首先采取1.5m厚的注浆止水帷幕，并通过基坑内采取降水措施，达到人工挖孔桩的顺利安全施工。
2、注浆设计
注浆孔沿基坑周围于人工挖孔桩外侧梅花型布置三排，孔间距为115㎝，排距为58㎝，扩散半径为60㎝，注浆后形成止水帷幕厚度为1.5m，帷幕深度为进入相对不透水层2.5m。注浆孔布设模式如图2所示。

图2 益田站注浆孔布设模式图（cm）
3、注浆施工
采用KBY-50/70型注浆泵，采用袖阀管后退式分段注浆工艺进行注浆施工，分段长度为0.4m。注浆顺序采取开放-约束型方式。注浆材料和注浆参数分别见表4、表5所示。

注浆材料表 表4
工程名称
益田站止水帷幕
越秀站桩外注止水帷幕
越秀站基底止水帷幕
原材料
早强型425#普通硅酸盐水泥、40Be’水玻璃
425#普通硅酸盐水泥、40Be’水玻璃、缓凝剂：磷酸氢二钠
W:C
1:1～1.33:1
1.33:1～1.5:1
1.33:1～1.5:1
C:S
1:1～1:0.8
1:1
1:1
水玻璃浓度
25～35Be’
30～35Be’
30～35Be’
缓凝剂掺量
——
2.5～3%
1～3%

注浆参数表 表5
参数名称
益田站桩外止水帷幕
越秀站桩外止水帷幕
越秀站基底止水帷幕
扩散半径
0.6m
0.6m
0.8m
注浆终压
1～1.2MPa
1～1.5MPa
1.2～1.7MPa
凝胶时间
50＂～1＇30＂
1＇30＂～2＇30＂
50＂～1＇30＂
注浆速度
20～30L/min
20～30L/min
20～30L/min
注浆分段长
0.4m
0.4m
0.4m
单孔分段注浆量
100L(砾质粘性土)
150L(砾砂层)
120L(粉质粘性土)
80L(粘性土)
120L(断层破碎带)
100～120L

4、效果检查
测试地层注浆后的渗透系数为1.8×10-5～2.5×10-6㎝/s，基本达到了施做止水帷幕的目的。开挖后观察到浆液在地层中形成网状扩散结构致密的固结体，开挖时不坍塌，不涌水，保证了施工安全。
（二）广州地铁二号线越秀公园站围护桩外注浆止水帷幕
1、工程概况
越秀公园站是广州地铁二号线重点工程之一，由南北站厅和一个中间暗挖隧道组成，北基坑紧邻广州体育馆，解放北路和流华路。北基坑长50m，宽27.3m，深19.8m。越秀公园站地层自上而下为杂填土（素填土）、淤泥质土、淤泥、粉质粘土、含砾中砂、粘土、砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、断裂破碎带、微风化花岗岩。地下水按赋存方式分为第四系孔隙水和基岩裂隙水，水位埋深为1～2.5m，其中残积层和破碎带为主要含水层，特别是破碎带，含水丰富且具有一定的导水性。为保证围护结构人工挖孔桩的正常施工，在围护桩外侧施作一排封闭的φ600旋喷桩止水帷幕。旋喷桩完成后开始试挖桩，并逐渐增加挖孔桩数量。到2000.6.15，出入口第一批浅桩群基本完成，而基坑的主体围护结构深桩群由于旋喷桩止水作用不明显，施工中大量的地下水涌出造成开挖困难，至此，深桩仅完成29根，占深桩总数26.6%。由于施工排水引起周围建筑物广州体育馆产生了较大的沉降，无法继续进行施工。经业主、设计、施工、监理各部门分析讨论，大家认为：φ600旋喷桩在素填土和淤泥质土层中效果较好，能正常形成交桩；但在断层破碎带中，无法达到设计的扩散范围，难以形成交桩，形不成连续帷幕，达不到止水目的。因此，应立即停止围护桩开挖，并对已挖孔桩进行回灌，保持水力平衡；同时在建筑物及基坑周围钻设回灌孔并进行回灌，并且在围护桩外侧施做注浆止水帷幕，以减少下一步围护桩开挖过程中水土损失，确保挖桩的顺利进行和广州体育馆的安全。在基坑开挖至一定深度后应在基底施作基底水平注浆止水帷幕，达到止水目的，保证基坑的安全顺利施工。
2、注浆设计
注浆孔沿基坑周围于人工挖孔桩外侧梅花型布置三排，孔间距为100㎝，排距为58㎝，浆液扩散半径为60㎝，注浆后在外侧形成止水帷幕厚度为1.5m，帷幕深度为断裂破碎带顶线以上2m，进入挖孔桩底下3m。注浆孔平面布置如图3所示，止水帷幕纵剖面如图4所示。

图3 越秀站止水帷幕注浆孔平面布置图

3、注浆施工
采用KBY-50/70型注浆泵，采用袖阀管后退式分段注浆工艺进行注浆施工，分段长度为0.4m。注浆顺序先外排后内排。注浆材料和注浆参数分别见表4、表5所示。
4、效果检查
经过注浆，在基坑周围形成了止水帷幕，挖孔桩施工中周边环境十分稳定，挖孔桩施工阶段，广州体育馆沉降仅7.2㎜。
（三）广州地铁二号线越秀公园站基底水平注浆止水帷幕
由于周边的人工挖孔桩没有进入相对不透水层，为了保证基坑的顺利开挖，防止基底大量涌水造成周围建筑物不均匀沉降，经专家讨论决定在基底施作水平止水帷幕，同人工挖孔桩一起构成一箱形止水结构。基底水平注浆止水帷幕是通过在基坑内部采取垂直钻孔，采用袖阀后退式分段注浆工艺，在基坑底部形成水平帷幕，达到止水目的。
基底全断面梅花型布置注浆孔，注浆孔间距1.3m(局部0.65m)，注浆孔排距1.3m，浆液扩散半径为0.8m，在基底形成一厚度为3.2m的止水帷幕。注浆孔平面布置如图3所示，止水帷幕剖面如图4所示。

图4 越秀站止水帷幕纵剖面图(cm)[标高单位m]
按设计进行注浆施工，注浆材料及注浆参数分别见表4、表5所示。在基坑开挖过程中，地下水位基本稳定，无明显的下降，基坑开挖结束后，地层涌水量为3～5m3/d，这充分说明了基底的水平注浆帷幕止水效果很好。在基坑开挖过程中，周边环境安全稳定。

（执笔：中铁隧道集团有限公司科研所 张民庆）
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