帷幕灌浆技术在基坑工程中的应用
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摘要：通过一灌浆工程设计和施工实践，说明了在含水量高补给充分的砂砾卵石层中运用大坝帷幕灌浆技术进行基坑止水和支护的可行性和经济性。关键词：基坑止水；基坑支护；帷幕灌浆；施工方法中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
帷幕灌浆技术作为防渗漏技术被广泛的运用于水利工程中，然而随着社会经济的高速发展，帷幕灌浆技术现正在城市建设工程被普遍运用。如：城市生活卫生填埋场工程，城市地铁、高层建筑深基坑开挖以及基础加固等。本人先后参与多个城市生活卫生填埋场工程，现结合城市生活卫生填埋场工程大坝及库区周边帷幕灌浆防渗技术的实践，对帷幕灌浆技术在城市高层建筑基坑工程的应用进行介绍。
某工程采用人工挖孔灌注桩基础，基坑开挖深度为5m，基坑开挖面积2000m2。从上到下地层情况为：①耕植土；②粉质粘土；③砂、砾、卵石层；④强风化粉砂岩、页岩；⑤中微风化粉砂岩夹砂质页岩。勘探期间地下水位距地表以下3m，主要土层为砂砾卵石层，其渗透系数为2×10-1cm/s，透水性较强。该工程位于河道80米，地下水补给充足。经多方面经济技术比较，在基坑外侧采用了大坝帷幕灌浆技术形成止水、挡土帷幕，保证基坑顺利开挖和桩基顺利施工。
1帷幕灌浆设计
1.1帷幕灌浆形式、位置、深度及灌浆孔排数的确定在压力作用下，根据浆液对地层的作用不同，有3种灌浆形式：①充填灌浆；②压密灌浆；③劈裂灌浆。本工程选择充填灌浆形式，它可对具有裂隙或空隙的地层充填密实，而在灌浆过程中地层结构又不受到扰动和破坏。根据水利工程帷幕灌浆防渗技术施工实践，防渗墙大多设3排孔。考虑到由于本工程的砂砾石层在垂直方向厚度较小，且又属于临时性的防渗围护工程，故只设置1排灌浆孔。1.2浆液、灌注次序及单孔灌浆方法的选择从适应帷幕的作用、地层条件、可灌性及经济性多方面考虑选用水泥浆，用425号普通硅酸盐水泥，浆液的水灰比为1∶1。为了使灌浆均匀，采用跳孔灌浆作业，灌浆分3个次序，如图所示：即当第1次序孔全部灌浆完成后灌注第2次序孔，第2次序孔全部灌浆完成后灌注第3次序孔。单孔采用自下而上连续分段灌浆方式，每段灌浆长度为0.5m。
（1）
1.3帷幕厚度及浆液扩散半径的计算帷幕厚度可按下式计算：b=H0/i(1)式中：H0为帷幕前后的水位差；i为帷幕允许坡降。本工程H0等于砂砾卵石层垂直方向的厚度3.65m，根据经验可取i=1.8，于是帷幕宽度b=3.65/1.8=2.03m。假定被灌土层为各向同性体，浆液为牛顿体，当采用充填式灌浆且浆液从管底端注入地层时，则浆液在地层中呈球状扩散，浆液的扩散半径可用下式计算：
(2)
式中：K为砂土的渗透系数(cm/s)；h为灌浆压力(厘米水头)；r0为灌浆管半径(cm)；t为灌浆时间(s)；β为浆液粘度与水的粘度比；n为砂土的孔隙率。本工程取K=2×10-1cm/s,h=2000厘米水头，r0=3.9cm;t=1200s,β=3,n=30%。将上述参数代入(2)式，计算出扩散半径r1=1.8cm。在灌浆施工中，灌浆管每次上提0.5m后开始灌浆，这种施工方法灌浆体的理想扩散状态是呈椭球状。设灌浆体扩散半径为r,按椭球体体积等于按(2)式计算的半径为r1的球体体积，得椭球体的扩散半径为r=1.6m，故设计时可取浆液的扩散半径为1.5m。1.4灌浆孔间距及每米长灌浆孔灌浆量的确定灌浆孔的孔距L可根据图3按下式计算：
(3)
式中：r为浆液扩散半径(m);b为帷幕设计厚度(m)。本工程取r=1.5m,b=2.03m，按(3)式计算得满浆孔间距L=2.2m。实际采用灌浆孔孔距为1.8m，按实际采用的灌浆孔孔距，用(3)式可反算出帷幕厚度为2.4m，大于按(1)式计算的设计厚度2.03m，因此可满足设计要求。对于第1次序和第2次序的灌浆孔主要是要限制灌浆量，以免浆液扩散到不必要远的距离，每米长灌浆孔的灌浆量可按限浆量的要求按下式计算：
q=V×n(4)
式中：q为每米长灌浆孔的限制灌浆量(m3/m)；V为每米长灌浆体体积(m3)；N为砂砾卵石层的孔隙率。本工程V=π×r2×1=π×1.52=7.07m3,n=0.3,则q=2.12m3/m。第3次序灌浆孔主要起搭接和加密作用，因此需浆量为灌至不吃浆为止。所谓不吃浆是相对的，一般在达到设计灌浆压力后，当地层的吃浆量小于1～2L/min时，即可结束灌浆工作。1.5灌浆压力的确定灌浆压力越大，灌注一定浆量所需时间就越短，灌注效率就越高，但灌注压力过高会造成地面抬起和地基开裂，影响帷幕止水和支护效果，因此灌浆压力应控制在一定范围之内。本工程灌浆压力是按下式计算的：
P=βγT+Cαλh(5)
式中：P为灌浆压力(kPa)；β为系数，在1～3范围内选取；γ为砂砾层之上覆盖层重度，本工程取γ=18kN/m3；T为覆盖层厚度，本工程取2.83m；C为与灌浆次序有关的系数，本工程第1、2、3次序孔分别取C=100,125,150;α为与灌注方式有关的系数，自下而上灌注α取0.6；λ为与砂砾石层结构性质及渗透性有关的系数，一般取0.5～1.5，结构疏松渗透性强时取小值，反之取大值，本工程取1；h为覆盖层底板至灌浆段顶部的深度，本工程取2.83m。
2帷幕灌浆施工
施工顺序如图4所示为：(1)打管；(2)灌浆管压入清水，冲洗孔隙；对于第1次序和第2次序灌浆孔按设计灌浆量压入第1段水灰比为1∶1的水泥浆，压浆流量控制在50L/min左右。对第3次序灌浆孔，至不吃浆；(3)再次将灌浆管上提0.5m，按第(2)条继续压入第2段水灰比为1∶1的水泥浆；不断重复以上操作直至压完第7段水泥浆；(4)单孔灌浆完成拔出灌浆管，灌浆体形成。
图4单孔灌浆程序
当达到以下条件之一时结束灌浆：(1)当灌浆量达到设计要求或灌浆压力达到设计要求压至地层不吃浆；(2)地面劈裂冒浆。
3基础施工顺序及帷幕灌浆止水支护效果
如图1所示，该工程施工顺序为：先施工灌浆帷幕，帷幕完工1个月后进行基坑开挖，并在基坑坑底四周挖集水沟和集水坑，再进行人工挖孔桩施工，然后进行地下室施工。在基坑开挖之前，对防渗墙体进行了检测。检测结果表明，帷幕厚度在2.2～2.5m之间。灌浆体的渗透系数由灌浆前的2×10-1cm/s降为1.89×10-2cm/s，减少了一个数量级。
4小结
本工程经基坑开挖揭示，整个开挖过程中，基坑四周无明显渗漏水，且不需要其它支护措施，采用帷幕灌浆技术进行止水围护可取得较好的技术及经济效果。