謝 波,邵金鵬,高 波,唐 波
(1.南京市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站,江蘇南京 210015;2.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇南京 210015;3.中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南洛陽 471009)
注漿法是將材料按一定配比配制成漿液,用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)使其擴(kuò)散、膠凝或固化,以達(dá)到加固地層或防滲堵漏的目的。經(jīng)過2個(gè)多世紀(jì)的理論研究和工程實(shí)踐,注漿法已廣泛應(yīng)用于各類不良地質(zhì)災(zāi)害治理,解決了諸如地層沉陷、隧道突涌水及豎井圍壓加固等問題,并避免了疏排水引起的生態(tài)環(huán)境破壞[1-4]。
針對(duì)富水破碎帶注漿加固治理問題,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究,很多學(xué)者從破碎地層的工程性質(zhì)、治理注漿工藝及流體力學(xué)特性方面展開了研究,同時(shí)對(duì)破碎巖體注漿加固機(jī)制也進(jìn)行了深入的理論分析并取得了重要的成果[5-7]。目前,國(guó)內(nèi)所做的研究中:楊樹才等[8]基于注漿材料加固強(qiáng)度、初凝時(shí)間及流動(dòng)度研究了高水位軟流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地層注漿改良問題。劉泉聲等[9]等研究了斷層破碎帶深部區(qū)域地表預(yù)注漿加固問題,相關(guān)措施提高了巖體的自身承載能力及抗變形能力。綜合分析前人的研究成果,基于水泥基速凝類注漿材料的富水破碎帶注漿加固機(jī)制的研究較少,同時(shí)關(guān)于類似地層的注漿工程實(shí)踐也較少。
本文在系統(tǒng)分析工程水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上,采用COMSOL聯(lián)合仿真基坑中的滲流狀態(tài),模擬水泥基速凝漿液對(duì)富水破碎帶的注漿加固,并基于此進(jìn)行注漿工程應(yīng)用。
南京地鐵3號(hào)線TA05標(biāo)上元門車站距離長(zhǎng)江約400 m,區(qū)段土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含水砂層發(fā)育,江水與地下水水力聯(lián)系密切,同時(shí)車站基坑處于穿經(jīng)長(zhǎng)江的F5斷裂分支影響范圍內(nèi)。地質(zhì)勘探資料顯示基坑底板標(biāo)高處地層橫向上有:粉細(xì)砂、軟塑-流塑狀粉質(zhì)黏土及破碎狀中風(fēng)化白云巖。地基均勻性很差,工程巖體具有一定典型性及復(fù)雜性,屬于臨江富水破碎地層?;拥貙又鶢顖D如圖1所示。
上元門車站斷面型式為地下3層側(cè)式,施工方式采用明挖順作法,車站地鐵基坑開挖尺寸為163.5 m ×24.4 m ×24 m(長(zhǎng) × 寬 × 深),底板埋深為25.0 m,底板標(biāo)高-12.0 m,支護(hù)類型采用地下連續(xù)墻與支護(hù)樁相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)深入中風(fēng)化巖2.5 m。
車站基坑開挖至埋深18 m處時(shí),在14軸軸線里程、距西側(cè)地連墻4 m位置出現(xiàn)一股泉眼狀涌水,涌水量約為720 m3/d,水壓約為0.17 MPa。為控制施工風(fēng)險(xiǎn),對(duì)涌水點(diǎn)采用堆載反壓進(jìn)行應(yīng)急處理,并停止基坑開挖工作,但基坑內(nèi)仍出現(xiàn)大面積涌水,涌水點(diǎn)超過5處,上元門站100 m范圍內(nèi)全段涌水量超過3 000 m3/d。
綜合區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件分析認(rèn)為,南京地鐵3號(hào)線工程上元門車站處于F5斷層分支影響范圍內(nèi),斷層破碎帶富水,在基坑底部以下存在厚層含水層。此外巖體基巖面起伏較大,巖溶裂隙發(fā)育,含導(dǎo)水構(gòu)造較發(fā)育。
結(jié)合工程區(qū)域地質(zhì)條件分析認(rèn)為:基坑涌水來源主要包括2部分,即微承壓裂隙水和周邊水平補(bǔ)給,兩者補(bǔ)給來源均包括大氣降水,同時(shí)在基坑開挖形成區(qū)域降水漏斗過程中相互補(bǔ)給。
圖1 基坑地層柱狀圖Fig.1 Geological conditions of foundation pit
對(duì)基坑采用補(bǔ)充勘探和高密度電法進(jìn)行探測(cè),探明橫穿基坑破碎帶范圍,顯示該區(qū)域溶洞裂隙十分發(fā)育,存在大量過水通道。基于COMSOL軟件建立了基坑開挖滲流模型,得出結(jié)果:隨著基坑開挖上覆地層應(yīng)力逐漸減小,逐步破壞了地下水滲流壓力與地層應(yīng)力的平衡狀態(tài);同時(shí),地下水的滲入弱化了砂土顆粒間的黏聚力及咬合力,形成透水通道引發(fā)基坑涌水。基于橫穿基坑富水?dāng)嗔哑扑閹Ъ皫r溶等不良地質(zhì)影響,如不采取有效的加固治理措施,隨著基坑的開挖勢(shì)必會(huì)影響到基坑穩(wěn)定和周邊環(huán)境安全。車站高密度測(cè)線圖如圖2所示。
圖2 車站高密度測(cè)線圖Fig.2 High-density prospecting of the Metro station
2.1.1 常規(guī)注漿材料治理過程及存在問題
在基本探明基坑范圍破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)分布的前提下,結(jié)合基坑內(nèi)動(dòng)水壓力高、流速大,且富水破碎帶范圍內(nèi)第四紀(jì)覆蓋層厚度較薄的實(shí)際工況,初步采用水泥-水玻璃雙液漿涌水進(jìn)行注漿治理,但在動(dòng)水作用下大量漿液被水沖散,坑內(nèi)注漿固結(jié)地層的利用率較低。
鑒于基坑不回填(灌)、無可靠止?jié){措施的情況,很難實(shí)現(xiàn)注漿加固效果的均勻性,為增強(qiáng)動(dòng)水狀態(tài)下的注漿加固效果,亟需一種初凝時(shí)間短、動(dòng)水抗分散性好、結(jié)石強(qiáng)度高以及結(jié)實(shí)率高的新型材料。
2.1.2 材料選型
注漿材料根據(jù)可行性、可注性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性及工藝實(shí)施難度綜合考慮選擇。目前,國(guó)內(nèi)外常用的注漿材料可以分為水泥基漿液(普通水泥漿、超細(xì)水泥漿及特制硫鋁酸鹽水泥等)和非水泥基漿液(改性水玻璃、環(huán)氧樹脂等)。
考慮復(fù)雜地質(zhì)條件下富水破碎帶,注漿材料應(yīng)滿足耐久性和動(dòng)水耐沖刷的要求,采用山東大學(xué)巖土中心研發(fā)的新型水泥基注漿漿液進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)凝膠時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度及配合比等物理力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)。
2.2.1 初終凝時(shí)間
注漿材料的初、終凝時(shí)間決定了注漿材料的可操作性與可泵性[10],不同水灰比(W/C)下材料初、終凝時(shí)間隨Vc∶Va變化曲線如圖3所示。
圖3 初終凝隨水灰比與體積配比變化曲線Fig.3 Curves of setting time of grout Vs volume ratio between cement grout and accelerator
分析圖3可知:在特定水灰比的條件下,注漿材料的初、終凝時(shí)間隨著水泥漿與外加劑體積比的增大而減小,在工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合漿液的輸運(yùn)距離及設(shè)計(jì)注漿范圍選擇合適的注漿材料配比。
2.2.2 結(jié)石強(qiáng)度
結(jié)石強(qiáng)度指注漿材料在發(fā)生凝膠凝固反應(yīng)后,形成的漿液結(jié)石體具有的抗壓、抗剪、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。材料的結(jié)石強(qiáng)度決定了材料對(duì)高壓涌水的封堵能力與漿液結(jié)石體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為測(cè)試注漿材料的早期強(qiáng)度,對(duì)材料的數(shù)小時(shí)至28 d內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)定。水泥基材料的不同水灰比、不同水泥漿與外加劑體積比(Vc∶Va)、不同齡期,材料的材料強(qiáng)度–齡期曲線如圖4所示。
圖4 GT-1注漿材料不同水灰比的強(qiáng)度-齡期曲線Fig.4 Curves of strength Vs age of GT-1 grout with different water-cement ratios
依據(jù)圖4可知:當(dāng)水灰比為0.8∶1和1∶1時(shí),Vc∶Va=3∶1的28 d齡期強(qiáng)度最大;當(dāng)水灰比1.2∶1時(shí),Vc∶Va=2∶1 和 Vc∶Va=3∶1 的 28 d 齡期強(qiáng)度最大。
2.2.3 結(jié)石率
取試樣漿液200 ml置于密閉容器中,3 h后將存留的水分與未固化漿液移除,測(cè)定其結(jié)石率。不同水灰比、不同雙組分比(Vc∶Va)結(jié)石率曲線如圖。
圖5 不同水灰比與不同體積配比的結(jié)石率曲線Fig.5 Curves of consolidation rate Vs volume ratio between cement grout and additives
分析圖5可知:當(dāng)固定水泥漿與外加劑體積比為3∶1時(shí),水灰比為 0.8∶1 的結(jié)石率為 93%,水灰比為1∶1的結(jié)石率為90%,水灰比為1.2∶1的結(jié)石率為88%。
將地質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,分為上部土層和下部巖層。錄入勘查報(bào)告中的數(shù)據(jù),幾何建模中將溶洞簡(jiǎn)化為一系列大小不一的橢球。對(duì)勘查報(bào)告中溶洞分布和尺寸等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算均值、方差等參數(shù),按溶洞參數(shù)利用MATLAB中的隨機(jī)函數(shù)建立溶洞的幾何模型。上覆土層、下部巖層以及分界面組成的矩形區(qū)域,長(zhǎng)98 m,寬28 m,高45 m。溶洞由大小不一的橢球表示。地下連續(xù)墻的厚度為1 m,深度為基巖層下2 m,創(chuàng)建分條的矩形區(qū)域。
計(jì)算使用的主要控制方程為牛頓流體的穩(wěn)態(tài)達(dá)西定律、布里克曼方程以及達(dá)西定律與層流流動(dòng)的聯(lián)合方程。在滲流的數(shù)值計(jì)算中,潛水面以及滲出面的確定是關(guān)鍵因素,在本計(jì)算中,由于基坑開挖深度較深以及地下連續(xù)墻存在使得潛水面變化對(duì)開挖面以下流場(chǎng)分布影響較小,因此假定潛水面為一個(gè)平面并忽略潛水面的動(dòng)態(tài)變化。
滲流有限元計(jì)算分析的實(shí)質(zhì)就是求解滲流場(chǎng)滿足的偏微分方程式和邊界條件式。COMSOL預(yù)置的Subsurface Flow Module模塊包含了滲流計(jì)算中常用基本微分方程和邊界條件[11]:
式中:ρ為流體密度;κ為滲透率;μ為流體黏度;p為壓力;D為位置水頭;Qm為源匯項(xiàng);ε為孔隙率。
布里克曼方程:
式中:ρ為流體密度;u為流速;κ為滲透率;μ為流體黏度;Qbr為源匯項(xiàng);εp為孔隙率。
主要計(jì)算參數(shù)賦值及計(jì)算設(shè)置如下:采用的主要控制方程為達(dá)西定律。在其求解域內(nèi),水的密度1 000 kg/m3,水的動(dòng)力黏度1 ×10-3Pa·s,上覆土層滲透率1 ×10-5cm/s,孔隙率0.25,下部巖體滲透率 1 ×10-6cm/s,孔隙率0.15,水頭高度為40 m。在溶洞區(qū)域,采用布里克曼方程或?qū)恿骺刂品匠?,地連墻為相對(duì)隔水層。計(jì)算過程中取消了巖土層分界面,墻外設(shè)置為定水頭邊界,開挖面設(shè)置為壓力為零。計(jì)算流場(chǎng)分布,并繪制三維效果圖,如圖6所示。
圖6 新型材料注漿前基坑地下水滲流示意圖Fig.6 Ground water seepage before grouting
由數(shù)值模擬可知:由于破碎地層的存在,地下水滲流壓力分布不均勻,尤其是破碎區(qū)域,滲壓比周圍明顯增大,極易超過地層的封堵能力,造成突涌水災(zāi)害,必須進(jìn)行相應(yīng)的注漿加固治理,改變地層滲流分布,提高地層封堵能力。
將水泥基漿液在地層中擴(kuò)散進(jìn)行簡(jiǎn)化[12],不考慮漿液擴(kuò)散瞬態(tài)變化對(duì)流場(chǎng)的影響,在同一水平面上,漿液按照各向同性擴(kuò)散,擴(kuò)散距離視為時(shí)間的函數(shù),漿液界面相對(duì)于周圍地層設(shè)為相對(duì)不透水邊界。注漿孔分布按實(shí)際設(shè)計(jì)值進(jìn)行設(shè)定。首先在開挖面內(nèi)布置等間距的注漿孔,再沿45°方向孔間中點(diǎn)處插入新孔。漿液界面初值設(shè)定為直徑為0.1 m的圓。計(jì)算中涌水點(diǎn)設(shè)置有2種選擇:將涌水點(diǎn)設(shè)置為半徑較小的圓形區(qū)域。
圖7展示了漿液界面由0.1 m擴(kuò)散到2 m時(shí)的流場(chǎng)變化。其中顏色梯度表示壓力變化,藍(lán)色線條表示流線,白色線條表示等壓線。由圖7可以明顯看到注漿范圍的擴(kuò)大對(duì)流場(chǎng)的影響,在漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)基體的滲透率降低,改變了流線的方向使流線繞行,流線長(zhǎng)度增加,流速降低。隨著漿液擴(kuò)散范圍的增大,在涌水點(diǎn)附近等壓線向四周擴(kuò)散,壓力梯度降低,流速減小??拷鼭{液范圍的壓力梯度較大,漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)的等壓線密集,遠(yuǎn)離漿液擴(kuò)散范圍的等壓線較為稀疏。
圖7 注漿過程滲流示意圖Fig.7 Water seepage during grouting
假定漿液按照柱形擴(kuò)散,設(shè)置鉆孔深度和擴(kuò)散半徑,在漿液擴(kuò)散范圍內(nèi),設(shè)定基體的滲透率為1×10-10,計(jì)算流場(chǎng)分布,并繪制三維效果圖(如圖8所示)。通過對(duì)注漿前后基坑滲流進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比分析可以看到,注漿后,基坑的滲流明顯降低,地下水滲流壓力基本平均,降低突涌水發(fā)生的可能性。
圖8 新型材料注漿后基坑地下水滲流示意圖Fig.8 Water seepage after grouting
選取溶洞上方的M點(diǎn)為研究對(duì)象,得到了該點(diǎn)滲流壓力隨注漿時(shí)間的變化曲線,如圖9所示。
圖9 注漿過程M點(diǎn)滲壓變化圖Fig.9 Seepage pressure at point M during grouting
分析圖9可知,滲壓分為3個(gè)階段:1)開始注漿,漿液量進(jìn)入溶洞較少,滲壓變化緩慢;2)隨著漿液的大量進(jìn)入,溶洞破碎帶逐漸被充填,滲壓迅速下降;3)溶洞被充填,漿液進(jìn)入速度減慢直至停止注漿,滲壓變化緩慢,基本趨向穩(wěn)定。
基于上述COMSOL數(shù)值模擬及涌水加固分析,在富水破碎帶區(qū)域采取小間距鉆孔設(shè)計(jì),鉆孔分為4序次設(shè)計(jì)施工:第1序次鉆孔用于驗(yàn)證水文地質(zhì)分析和注漿;第2序次鉆孔用于檢查注漿效果和補(bǔ)充注漿;第3序次鉆孔用于關(guān)鍵涌水點(diǎn)封堵注漿;第4序次鉆孔為最終檢驗(yàn)鉆孔。其中1序布孔106個(gè),2序布孔56個(gè),3序布孔58個(gè),檢查鉆孔7個(gè)。第1序次鉆孔間距為3 m梅花形布置,由于施工場(chǎng)地的限制,鉆孔間距可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)1序鉆孔的布置點(diǎn)位將2,3序鉆孔內(nèi)插布置,注漿孔的最終間距為1.5 m。鉆孔開孔直徑φ108 mm,鉆孔深度確定為底板下7 m。
4.2.1 注漿參數(shù)
1)擴(kuò)散半徑類比選擇。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及工程類比,上斷面周邊注漿擴(kuò)散半徑為2 m。
2)注漿壓力的確定。注漿壓力是漿液在地層裂隙中擴(kuò)散、充填、壓實(shí)脫水的動(dòng)能,是注漿設(shè)計(jì)和施工中的主要注漿參數(shù)之一,對(duì)提高注漿質(zhì)量和保證注漿效果起到較大的作用。以水壓為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式,主要目的在于堵水,適用于深埋地層,注漿時(shí)不受覆蓋層厚度限制,不考慮地層隆起??紤]到超前預(yù)注漿的目的主要是堵水和加固,同時(shí)防止?jié){液擊穿覆蓋層,因此以靜力平衡和裂隙寬度作為壓力初步確定選擇的依據(jù),根據(jù)靜力平衡條件計(jì)算壓力為1.2 MPa,由裂隙寬度確定的注漿壓力應(yīng)在1.4 MPa以上。綜合2種方法確定注漿壓力為1.5~2 MPa。
4.2.2 注漿工藝
注漿工藝主要有分段前進(jìn)式注漿和全孔一次性注漿。
分段前進(jìn)式注漿優(yōu)點(diǎn):工藝比較簡(jiǎn)單,適應(yīng)性強(qiáng),反復(fù)加固地層,易保證注漿效果。缺點(diǎn):重復(fù)掃孔,施工效率較低,靠近掌子面方向重復(fù)注漿。
全孔一次性注漿具有工藝簡(jiǎn)單,效率高等優(yōu)點(diǎn),適合于孔深較小的孔內(nèi)注漿。
南京上元門車站由于鉆孔較淺,工期緊急,采用全孔一次性注漿技術(shù)。
4.2.3 注漿量
現(xiàn)場(chǎng)采用模袋注漿管封固工藝[13],注漿材料采用新型速凝注漿材料GT-1,綜合考慮初凝時(shí)間、結(jié)石強(qiáng)度以及結(jié)實(shí)率等因素,確定水泥漿液水灰體積比為1∶1,水泥漿液與GT-1配比為3∶1。1序孔施工結(jié)束后,根據(jù)涌水及檢查孔情況施工2序鉆孔以及3序孔。注漿孔壓力達(dá)到1 MPa、地層開始隆起或吸漿量小于1 L/min時(shí)為單孔注漿停止條件。最終,設(shè)置7個(gè)檢驗(yàn)鉆孔。新型速凝注漿材料消耗478.48 m3。
4.3.1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)
注漿結(jié)束,利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)原富水區(qū)進(jìn)行探測(cè),探測(cè)結(jié)果如圖10所示。
依據(jù)圖10可知:地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖信號(hào)無突變,探測(cè)深度內(nèi)信號(hào)較為均勻清晰,表明基坑下部過水通道基本被封堵,土層物理性狀均一,可見注漿明顯改善了基坑土層的物理力學(xué)性質(zhì)。
4.3.2 壓水試驗(yàn)
常規(guī)壓水試驗(yàn)采用 0.3 MPa—0.6 MPa—1.0 MPa—0.6 MPa—0.3 MPa 5 個(gè)壓力階段進(jìn)行,采用單栓塞止水,每5 m設(shè)置為一個(gè)試驗(yàn)段,進(jìn)行常規(guī)壓水。
注漿結(jié)束,進(jìn)行壓水試驗(yàn),根據(jù)巖體透水率計(jì)算公式:
式中:Q為試段壓入流量,L/min;p為試驗(yàn)壓力,MPa;L為試驗(yàn)長(zhǎng)度,m。
通過簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn),對(duì)注漿前、后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,其中對(duì)基坑進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn),獲得所示的試驗(yàn)結(jié)果,如表1所示。
4個(gè)檢查孔的透水率均小于1.5 Lu,注漿后地層滲透系數(shù)在1.65×10-7m/s左右,與注漿前相比,滲透率減小一個(gè)數(shù)量級(jí),巖體透水性由中等透水下降為弱透水,注漿效果明顯。
圖10 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖Fig.10 Geological radar detecting results
表1 各孔壓水實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of packer permeability test of boreholes
4.3.3 現(xiàn)場(chǎng)開挖
注漿治理結(jié)束后,基坑表面已無涌水,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖施工補(bǔ)充鉆孔補(bǔ)1至補(bǔ)6,如圖11所示,鉆探取芯為已固結(jié)巖芯,各取芯資料顯示注漿治理效果良好,后期已實(shí)現(xiàn)基坑開挖至基底。
由工程應(yīng)用可知,COMSOL數(shù)值分析,計(jì)算成果較為合理,說明軟件在工程計(jì)算中具有一定的應(yīng)用價(jià)值,為后續(xù)注漿方案的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。同時(shí),注漿對(duì)基坑溶洞的治理效果顯著,在有效封堵溶洞的同時(shí),能顯著提高地層的抗?jié)B性,降低基坑突涌水的可能性。
圖11 補(bǔ)5鉆孔取芯圖Fig.11 Cores
1)GT-1注漿材料滿足可行性、可注性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性,該材料初終凝時(shí)間可調(diào)、單軸抗壓強(qiáng)度和結(jié)石率較高。
2)基于COMSOL對(duì)注漿前后基坑滲流進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比分析可以看到,注漿后,基坑的滲流明顯降低,地下水滲流壓力基本平均,降低了突涌水發(fā)生的可能性。
3)對(duì)新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機(jī)制分析,基于物探、水文地質(zhì)分析,根據(jù)新型注漿材料的優(yōu)選,進(jìn)行COMSOL數(shù)值模擬計(jì)算設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)思路,通過開挖驗(yàn)證了該思路的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
4)針對(duì)新型速凝材料注漿加固富水破碎帶機(jī)制進(jìn)行了宏觀分析,揭示了其加固機(jī)制的宏觀表現(xiàn)。對(duì)于相應(yīng)的微觀分析有待進(jìn)一步研究,深入研究其加固機(jī)制。
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