我国是目前世界上地下空间开发利用的大国, 城市轨道交通建设速度位居世界首位^[1,2]。而软弱介质充填断层是地下工程建设广泛分布的不良地质, 其中软弱介质的注浆加固处治是该类不良地质灾害处治的难点和重点。国内外相关学者对此展开了相关研究。丁常国^[3]研发了布袋注浆桩加固深厚夹层软弱地基施工技术, 有效控制了软弱地基的工后沉降, 满足高标准铁路路基的稳定性和工后沉降控制要求;杨仁树等^[4]采用深、浅孔注浆与锚索联合方式对巷道软弱煤帮进行加固支护, 对巷道稳定性进行研究;刘泉声等^[5]对断层破碎带深部区域地表预注浆加固应用方面进行研究, 采用分段-间断-重复注浆策略, 使前期注入浆液固化充填大开度的吸浆通道, 防止浆液过度扩散, 并为浆液注入较小裂隙创造条件, 实现对目标区域充填密实度的最大化;林辉等^[6]对富水软弱地层盾尾单双液多序注浆方式及效果进行研究, 形成了一套适用于富水易坍塌地层、有利于地面沉降控制的盾尾注浆技术;范圣明等^[7]研究高压劈裂注浆技术, 并成功运用于隧道软弱围岩加固中;张庆松等^[8]进行隧道断层注浆加固机制模型试验, 定义了浆-岩界面的直接及间接加固模式;刘丽花^[9]在软弱富水大断层施工中研究围岩加固注浆技术;李沿宗等^[10]研究钻爆法海底隧道软弱破碎地层注浆加固堵水技术。

纵观目前研究现状, 实际施工灾害治理多采用全段式注浆方法, 由于注浆过程中全孔段注浆参数不变导致没有实现梯级控制, 注浆加固效果较差, 难以达到预期治理目标。为解决该难题, 本文创造性地提出分段梯次增压复合式注浆方法, 综合应用多种注浆材料、注浆参数及注浆工艺, 达到加固软弱介质、提高抗渗性能的目的。并依托南京地铁上元门车站临江破碎带综合治理工程, 通过工程水文地质分析, 确定综合治理原则, 进行现场试验方案设计, 包括3种物探手段确定加固区域、钻孔布置设计等;注浆结束后进行注浆效果评价, 主要对立柱稳定性、涌水量对比进行分析, 并通过检查孔取芯和基坑开挖进行验证。结果表明分段梯次增压注浆控制方法对加固软弱介质充填断层可取得良好效果。

如图1a所示, 传统全段式注浆方式在软弱介质中扩散不均匀, 加固效果区域差异性大。且注浆段过长, 在注浆过程中注浆压力耗损较大, 深部区域需要通过提高注浆压力以确保浆液扩散, 然而盲目提高注浆压力不利于岩土体的注浆加固。

针对全段式注浆方式存在的弊端, 本文提出了分段梯次增压复合式注浆方法, 如图1b所示, 本方法综合考虑注浆材料的优选、注浆工艺的转换以及注浆过程中的参数控制等关键因素, 有效控制扩散范围、提高区域加固效果和浆液在被注空间内的存留率等, 消除注浆加固中的盲区。

分段梯次增压注浆方法首先封固孔口管, 待其承压强度达到设计要求后进行第1段注浆 (浆液阻塞器处于封闭状态) , 浆液通过溢浆孔在被注介质内扩散, 第1段注浆达到注浆结束标准且浆液初步凝固后, 利用高压水开启分段阻隔器, 进行第2段注浆, 并依次类推至终孔, 如图2所示。

分段梯次原则包括钻孔分段、压力梯次设计、注浆速率梯次设计3项内容。

1) 钻孔分段原则将注浆孔分为若干节段, 并对各节段分别注浆, 注浆浆液由各自节段进入被注介质, 从而控制进浆位置, 最终形成相对均匀的注浆加固体。

2) 压力梯次设计原则高注浆压力对应较好的压密注浆效果及较厚的浆脉厚度, 所以注浆压力升高有利于提高注浆效果, 然而, 由于围岩临空面的存在, 若在临空面附近采用高注浆压力会导致围岩失稳破坏, 故在注浆钻孔的浅部注浆节段内采用较低的注浆压力, 在注浆钻孔的深部注浆节段内采用较高的注浆压力, 在保证围岩稳定的前提下最大限度地提高注浆加固效果。

3) 注浆速率梯次设计原则注浆初期, 为达到较高的施工效率, 采用较高的注浆速率, 当浆液注入一段时间后, 注浆压力逐渐达到设计注浆压力, 此时便逐级降低注浆速率, 减小注浆阻力, 使注浆压力不超过设计注浆压力, 从而达到较大的注浆量, 保证注浆效果。

根据工程经验和现场试验可知, 断层软弱介质注浆加固的钻孔设计长度多集中在10～20m。注浆段太长会导致单个注浆段内的浆液扩散不均匀, 从而影响注浆效果;注浆段太短会导致注浆工序繁琐, 降低施工效率。工程中的注浆段长应根据特定工程地层条件、钻进反馈信息及揭露涌水量动态调整, 以下经验公式^[2]可供参考。

式中:L为钻孔设计总长度;S为分段段长。

注浆压力设计是注浆工程中极为重要的一个环节, 若注浆压力过小, 浆液扩散范围受到限制, 被注介质得不到有效的胶结、压密, 整体加固效果不理想;若注浆压力过大, 当止浆岩帽的强度无法承受注浆压力时, 将发生失稳破坏, 过高的注浆压力还会破坏已加固岩土体, 严重影响注浆加固效果。

根据大量现场试验可知, 注浆压力随注浆段长度增加呈逐渐上升趋势, 如图3所示。

软弱介质的分段注浆压力选择如下:

1) 注浆终孔压力

式中:p为终孔压力;p₀为地下水头压力。

2) 分段注浆各段注浆结束压力

式中:i为所对应注浆段序次;n为分段注浆总段数。

注浆速率与注浆压力呈显著的负相关特征, 在软弱介质分段注浆实践中, 随着注浆段次的增加, 通过“低压高速～高压低速”递进式的注浆过程, 能够增加地层的累积进浆量, 显著提高注浆加固效果。根据地层特征和现场试验获取初始段注浆速率V₀, 各段次注浆速率V_i如下:

在断层软弱介质注浆工程中, 由于被注介质的结构及空间分布的复杂性, 注浆作用形式往往不是单一的, 而是渗透、劈裂及压密3种方式联合作用的复杂过程, 在实际工程设计中, 应根据地层条件、钻探及注浆反馈信息调整注浆材料设计, 并根据各类注浆材料的特性及适用地层选择合适的注浆材料。如地层孔隙度较大时, 使用颗粒尺寸较小且具有较好的流动性注浆材料;在软弱介质中, 应选择凝胶时间可控、早期强度高的双液类注浆材料, 以实现被注介质压密和劈裂注浆, 部分常用材料的参数如表1所示。

上元门站地貌上属于长江一级阶地岗地区和长江漫滩平原区过渡区, 区段土层结构复杂, 存在较厚的淤泥质粉质黏土, 粉土、粉砂及细砂, 地下水丰富且地下水水力与江水联系密切。

前期地质勘察资料显示, 车站 (见图4) 位于长江以南的F5临江断裂带影响范围内。F5临江断裂带总体呈东西向延伸, 为北倾正断层, 视倾角约60°。构造地貌上有明显表现, 在江北形成了相对低洼的仪征断陷盆地, 在江南形成了相对隆起的宁镇断块山脉 (断裂下盘) 。

1) 地表水对工程影响较大的地表水体主要为长江。南京位于长江下游, 自西南向东北贯穿南京市区, 长度约92.3km, 据水文站多年观测资料统计, 其多年平均径流量达9 145亿m³。平均水位约5m, 每年从5月份开始流量增大, 7～8月份达最大值, 此次基坑涌水灾害发生在7月期间。

2) 地下水本车站地下水主要为松散岩类孔隙水, 根据埋藏条件和水力性质, 又分为孔隙潜水及微承压水。孔隙潜水含水层岩性, 由全新统粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂薄层组成, 水位埋深1.0～1.5m, 水位变化主要受大气降水和长江水位影响。微承压水含水层岩性由细砂、含砾中粗砂及卵砾石组成, 水位埋深1.0～3.0m。

上元门车站距离长江约400m, 2014年01月14日, 基坑开挖过程中, 在 (14) 轴线里程、距西侧地下连续墙4m时, 因基坑开挖面近土-岩结合面, 无法通过降水井进行有效地下水抽排, 在基坑底部揭露泉眼状涌水, 水质浑浊, 涌水量>30m³/h, 水压约为0.2MPa。当基坑开挖至埋深18m处时, 揭露多处涌水点, 并逐渐增大成股状涌水, 其中单个涌水点最大涌水量达50m³/h, 水质浑浊含泥 (经测试含泥量2%～3%) , 上元门车站基坑底部区域总涌水量>100m³/h, 持续涌水给地铁基坑开挖造成巨大的安全隐患, 严重影响工程进度。

持续涌水导致地下水位发生显著变化, 且通过前期地质勘察资料显示, 车站处于临江破碎带影响区, 地下水资源丰富, 若涌水长时间得不到有效控制, 不但造成基坑支护结构破坏及裂缝产生, 且会引发周边建筑物及地面沉降, 影响居民生活安全及路面通行, 给工程建设带来巨大的社会压力。

1) 基坑处于临江破碎带影响范围内, 破碎带内导水通道复杂, 如仅针对涌水点进行注浆处理, 则地下水会运移到周边区域, 增加基坑涌水风险, 威胁基坑结构框架的稳定性。

2) 基坑底层主要分布淤泥及粉砂层, 淤泥软弱且自流性强, 粉砂层松散且强度低, 考虑地层结构的复杂性, 普通注浆材料难以满足基坑强度提高及渗透系数降低的要求。

3) 基坑上覆盖岩土层较薄, 不具备稳定安全的止浆岩帽, 且施工现场已架设结构框架, 注浆过程中压力选择不当将导致底板隆起和支柱抬升, 严重影响支护结构的稳定性。

采用分段梯次增压复合式注浆方法, 封堵地层导水通道并加固软弱岩土体, 在多项治理原则指导下, 开展临江破碎带地层的综合治理。

1) 量测紧跟、实时监控在注浆治理前通过地球物理探测以及水文地质勘察方法获得灾害源和致灾途径的基本信息, 查明含导水构造以及破碎带工程影响区域的空间展布规律与发育特征等, 在此基础上, 提出针对性的防控治理对策。

因施工地点位于市区繁华地段, 为保证注浆过程中基坑支撑结构、地表路面以及周围建筑物的稳定性, 需加强注浆作业区及影响区域的支护和建筑物的变形监测工作, 根据量测数据变化反馈信息, 动态调整注浆参数, 将变形控制在安全范围内, 确保对涌水区域注浆处治不会引起次生灾害。

2) 同步推进、整体加固依据同步推进、整体加固的治理原则由浅及深在基坑底以下5m范围内形成隔水加固层 (止浆岩帽) , 阻断断层破碎带的导水通道。

3) 分区治理、强化注浆基坑底部地层极为松散软弱且有充足的水源补给, 注浆过程中需综合考虑浆液的扩散效果及有效加固半径, 稳步提高加固区域强度及抗渗性能。依据物探及钻探结论, 在涌水集中区域适当加密注浆治理钻孔, 减小注浆段长, 强化注浆效果, 达到对涌水区域封堵加固的目的。

依据上文提出的综合治理原则, 在上元门车站临江断层破碎带注浆治理工程中, 综合分析水文地质资料、监测资料、地质勘察资料及物探资料, 确定注浆治理区范围并依据破碎、富水情况划分治理等级, 针对不同的治理等级区域采用相应的注浆堵水设计。

为查明破碎带及影响区域的岩土体及地下水分布情况, 探明导致基坑发生涌水灾害的主要通道, 为车站基坑的安全施工提供决策依据, 综合采用跨孔电阻率CT^[11,12], 高密度电阻率^[13,14], 瞬变电磁^[15,16]的探测手段, 对工程影响区域进行全方位探查。3种物探手段成果综合解译如图5所示。

由图5可知, 曲线A1, A2和D1, D2间范围为物探解释的主要异常带, 以下简称A, D区。推断该异常带的岩体破碎或较破碎, 软弱岩土体发育, 局部存在富水区。A, D区按岩体破碎和含水程度又分3个小区域, 其中C, D区最为严重, A, B区次之, 最后是B, C区。

综合区域地质条件、水文地质条件及地球物理探测分析可知, 南京地铁3号线工程上元门车站处于F5沿江破碎带分支断层影响范围内, 断层破碎带岩体破碎且有大量泥质充填, 在基坑底部以下存在含水层。此外岩体基岩面起伏较大, 岩溶裂隙发育, 导水构造较发育。

由于基坑开挖形成区域降水漏斗, 地下水在水力梯度作用下进入基坑, 考虑地下连续墙, 表土层孔隙水向基坑内补给路径基本被切断, 基坑内涌水来源主要依赖破碎带水平补给及自身的垂直补给, 以水平补给为主, 随着基坑开挖深入, 承压水突破其上覆盖的表土层进入基坑, 形成基坑涌水。

1) 依据补勘资料钻孔编录、物探成果、监测数据等信息确定重点治理区域。探测结果显示漏浆严重且漏浆段在地表27m以内的区域、破碎带区域及29m以内的明显富水区域。

2) 根据分析基坑涌水量、水文孔水位变化与建筑物沉降间的关系结果, 在建筑物与基坑水力联系通道区域内、基坑外侧围挡区域设置截流加固孔, 切断或减弱建筑物与基坑地下水的联系。

钻孔分为4序次设计施工, 第1序钻孔起验证水文地质分析和注浆的作用, 第2序钻孔起检查注浆效果和补充注浆的作用, 第3序钻孔起关键涌水点封堵注浆作用, 第4序钻孔为最终检验钻孔, 其中1序钻孔106个, 2序钻孔56个, 3序钻孔58个, 布设不少于总钻孔量5%的检查孔, 如检查孔检验效果不理想, 可根据检查孔反映的信息适当增加钻孔进行补充注浆, 其中1～4序钻孔开孔直径108mm、深12m。

第1钻孔布置间距为3m, 由于施工场地的限制, 钻孔间距可根据实际情况进行调整。2序钻孔根据1序钻孔的布置点位将内插布置, 注浆孔最终间距为1.5m。

以车站基坑底部为施工参照水平, 钻孔设计深7～12m。自涌水治理区域两侧逐渐向中部收拢施工钻孔并依次注浆, 首先治理基坑内涌水点周边区域, 阻断地下水导水通道和水源补给, 随后处理基坑底部的集中涌水点区域, 采用隔距跳孔法注浆, 如图6所示。

考虑基坑地层条件复杂、岩体软弱破碎及富水的特点, 综合采用普通硅酸盐水泥浆液、硫铝酸盐水泥浆液、水泥-水玻璃双液及水泥-GT-1双液^[17]开展注浆加固工程。所选择配合比参数综合考虑浆液凝结速率、稠度、流动性等因素, 且根据室内试验进行配合比参数设计 (见表2) 。

注浆加固工程中, 根据被注岩体特征确定岩体注浆主导加固模式, 综合考虑注浆加固范围、注浆加固体强度、材料与被注岩体和易性等特征, 确定注浆加固材料。施工中依据技术可行, 经济合理及适应地层的注浆材料选用原则。

1) 首先选用水泥单液进行封堵加固, 若单液注入1m³后跑浆严重或压力迅速增长, 则换用双液速凝类浆液进行跑浆封堵及封孔处理。

2) 注浆中遇到特殊情况孔口需要速凝封闭或注浆过程中使用普通水泥单液仅发生轻微跑浆时, 换用硫铝酸盐水泥单液。

3) 存在少量涌水的区域, 采用水泥-水玻璃双液注浆, 若性质无法满足分段式注浆工艺要求、无法实现动水封堵时, 换用性质更优的水泥-GT双液注浆。水泥-GT-1浆液配合比及试验结果如表3所示。

4) 若注入双液浆后压力增长较快, 则调整为单液浆, 并根据地层进浆反馈情况调整单双液注入时间。

综上所述, 浆液类型的转换应根据注浆压力、注浆速率、注浆材料的不同适时调整, 使注浆加固封堵效果达到最佳状态, 同时兼顾安全性、环保性以及经济性。

断层破碎带内岩土体软弱破碎、稳定性差, 钻孔过程中极易发生坍塌和卡钻事故, 不适宜施作长距离钻孔, 为控制浆液扩散范围, 提高注浆加固效果, 采用分段注浆梯次增压注浆工艺, 具体设计原则如上所述。

综合考虑实际工程条件以及施工经验, 确定注浆分段长2m, 注浆分段3次。注浆压力采用梯次设计原则, 第1段注浆压力设计为0.5MPa, 第2段为0.75MPa, 第3段设计为1.0MPa。每段注浆速率也采用梯次设计原则, 初始注浆速率设计为40L/min, 当达到设计注浆压力后调整至25L/min, 当第2次达到设计注浆压力后调整至10L/min, 直至第3次达到设计注浆压力时注浆结束。

1) 采用取芯钻头 (75) 施工4～5m钻孔, 安装孔口管及止水装置, 孔口管与孔壁空隙灌注速凝类浆液, 以快速封固孔口管。

2) 孔口封固后, 换用小孔径钻头 (45) 继续钻进, 当钻孔进尺超过孔口管3m时完成钻进工作, 根据设计注浆参数开展第1段注浆, 待浆液初步凝固后逐次扫孔钻进完成后续段次的注浆。注浆工艺如图7所示。

注浆加固体稳定性及治理区涌水量是衡量注浆加固效果的关键指标。因此, 上元门车站临江破碎带注浆工程结束后, 综合采用检查孔取芯、开挖揭露、监测基坑立柱位移及涌水量监测法, 对本工程注浆加固效果进行评价。

注浆加固过程中的监测项目如表4所示。

根据地表沉降控制要求, 注浆施工过程中监测基坑内立柱位移变形。通过监测立柱变形量变化, 分析注浆压力对地表沉降的影响, 为注浆参数动态调整提供依据, 确保周边建筑物及设计的安全, 立柱监测点位置及编号如图8所示。

立柱监测点共计18个, 选取位于注浆核心区域的3根立柱 (l Z10, LZ11, LZ12) 进行监测, 获取注浆过程中立柱水平位移及沉降的变化曲线 (见图9) 。南北方向和东西方向的水平位移均<15mm, 垂直方向位移除LZ10立柱上升达45mm外, 其余立柱上升均<10mm, 达到立柱稳定的安全标准, 整个注浆过程中, 注浆压力得到有效控制, 对基坑水平和垂直方向扰动较小。

治理区域的涌水量变化直接反应注浆加固的堵水效果, 采用围岩测定法对治理区域的涌水量进行监测, 变化曲线如图10所示。

由图10可知:随着注浆工程的进行, 涌水量由最初的94m³/h逐渐减小到4m³/h, 整体呈显著下降趋势, 且前期涌水量减小速率较大, 后期涌水量减小速率趋于平缓, 减水率达96%, 达到预期的堵水效果。

注浆治理后施作检查孔检验地层的注浆加固效果, 取样过程中, 钻孔成孔完整, 岩芯为不连续固结体, 取芯率75%～80%。部分段落偶见渗水, 静置一段时间后钻孔无塌孔现象, 岩芯以水泥结石体、基岩与水泥浆胶结体、硬塑状断层软黏土为主, 取芯试样局部可见浆脉与岩土体胶结致密, 浆脉劈裂压密效果显著。

注浆结束后的开挖揭露是评价注浆加固效果最直观的方法, 开挖过程中注浆治理区域揭露大量由压密及劈裂作用形成的浆脉。分析浆脉的空间展布状态可知:分段梯次增压注浆方法对软弱充填介质适用性较强, 注浆过程中压密、劈裂作用显著, 对软弱岩土体起到良好的压密固结骨架支撑作用, 基坑在注浆治理后处于稳定状态, 从而达到加固目的。

1) 提出分段梯次增压复合式注浆的原理及设计方法, 在软弱充填介质注浆过程中, 通过控制注浆段长、注浆压力、注浆速率及注浆材料, 能够控制注浆有效扩散范围, 降低注浆压力耗散, 提高注浆加固效果。

2) 依托南京地铁上元门车站临江破碎带治理工程, 开展现场试验, 详细分析了工程地质及水文地质条件, 综合运用多种地球物理探测手段, 获取断层软弱破碎带的范围。在此基础上, 科学合理地布置钻孔位置, 优选注浆材料, 采用分段梯次增压复合式注浆方法, 对临江破碎带进行了注浆治理。

3) 综合运用基坑立柱稳定性、涌水量变化、检查孔检验及开挖揭露等方法, 对注浆加固效果进行评价, 取得了良好的堵水和加固效果。