四川广元某地下建筑物整改灌浆试验设计与施工

孙亮  肖恩尚  姚朝铭  王黎  方英堃  李晨光  刘秀丰
(中国水电基础局有限公司  天津武清  301700)
 
摘要:对某薄壁地下建筑物进行了原位控制复合灌浆,使用了GS22型高触变抗水膏浆、GS10型高触变稠水泥浆和JX-7型低渗透可控环氧浆三种新材料,提出并实施了类砂层化学灌浆的单点控制注浆理论,成功地解决了建筑物本体保护和灌浆质量之间的内在矛盾,并最终形成了软塑粘土层和类砂层两种地层的系统处理方案。
本次复合灌浆检查采用了静水头压水和开挖检查相结合的方式,结果表明,软塑粘土层在孔距1.5m,类砂层孔距1m的情况下,灌后透水率分别达到0.40和0.661Lu。开挖检查效果良好。
关键词:原位加固;复合灌浆;水泥灌浆;化学灌浆;抬动控
 

试验目的和要求

本次帷幕灌浆试验的目的是验证复合灌浆手段对地下建筑物进行原位加固的可行性。其基本思想是在原混凝土地下建筑物外围形成一道新的防渗固结带,切断内外地下水的联系,实施中首先进行水泥灌浆,使其在化学灌浆层外围形成相对封闭层,然后进行化学灌浆,灌浆材料采用JX系列改性环氧树脂。
由于该建筑物为薄壁结构,因此,抬动控制极为关键,探讨抬动发生的规律是本次试验的重要课题。
通过帷幕灌浆处理后,试区土体压水试验透水率应小于1Lu。
 

整体施工方案

本次试验的整体方案是在地下建筑物两侧进行开挖,开挖宽度为1.5m,待开挖至地下建筑物底部后,在地下建筑物两侧和上部铺设土工膜,而后支模浇筑C15混凝土至地下建筑物上部10cm,宽度为1m ,以形成对地下建筑物的三面包围,只留下底部进行水泥灌浆、化学灌浆的复合帷幕灌浆处理。
 

地质条件

本次灌浆试验分两个试区,一试区主要是软塑粘土层,二试区是软塑粘土层和砂层共存,且该砂层是夹杂有部分骨料的回填砂层,规律性不强。
注水试验显示,四个勘探孔孔口注水后,均迅速下降,在1~2min内即渗至3m以下。压水试验显示,各勘探孔均不返水,且不能起压。

灌浆孔布置

地下建筑物两侧各布置两排灌浆孔,外侧排为水泥灌浆,内侧排为化学灌浆,外排和内排间距0.5m,水泥和化学灌浆孔距均为1.5m。一、二试区分别采用直孔和斜孔施工。
为验证砂层灌浆效果,将
 

灌浆材料

5.1  水泥基浆液

5.1.1  普通水泥浆

本次灌浆所选用的水泥为强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥,水灰比为三级,即3:1、1:1和0.5:1。

5.1.2  高触变抗水膏浆(GS-22)

(1)针对的问题
本次水泥灌浆最突出的问题之一就是串冒浆,特别是一序孔,甚至可以靠浆液的自重流入孔内。为解决这一问题,我们使用了高触变抗水膏浆,效果显著。
(2)特点
高触变抗水膏浆是GS22型外加剂和普通水泥的组合。它的主要特点有两个,一是高触变,即“一搅就稀,一停就稠”,二是具有一定的抗水能力,不易被水稀释,在软弱带中大体呈整体性推进。
(3)主要技术指标
经回浆管直接取浆,现场成型,拆模后放在水中自然养护(气温10~14℃)条件下,抗水膏浆的主要技术指标如下:
①初凝时间在10~12h,终凝时间在13~15h;
②3d抗压强度7.8~9.33MPa;
7d 抗压强度:8.7~11.87 MPa;
   28d抗压强度15.4~16.1 MPa。
③抗水性能:自来水冲击下不分散

5.1.3  稠水泥浆(GS-10)

在发生较小串冒浆,但0.5:1又结束不了时,采用了GS-10型高触变稠水泥浆。其初凝时间8:15左右,终凝时间9h左右,28d抗压强度达20MPa以上(现场取样,现场水中养护,温度约10~16℃)。

5.1.4  高触变抗水膏浆和稠水泥浆的基本特性:内聚力可变

高触变抗水膏浆和稠浆是通过加入一套特殊设计的外加剂组合实现的。该外加剂的的组分有六种,其中关键组分有两种,一是兼具增粘和润滑作用的生物胶类增粘剂,二是改性后的固体超塑化剂,其他尚有激发剂、早强剂、促凝剂、保水剂等。
从本次试验看,这两种浆液的特点是内聚力可变,即搅拌速度越高,浆液内聚力越低,一旦失去外部动力,其内聚力仍会恢复,但恢复不到最初的状态,即内聚力呈螺旋式下降。这种特性决定了抗水膏浆的粘度无法用旋转粘度计准确测定。在现场,我们是用泵压、进浆压力和回浆压力三者的变化来定性表征抗水膏浆和稠浆内聚力的大小的。表6-1给出了施工现场随机观测到的几个有代表性的实际数据。
 
6-1                       内聚力的表征与三个压力的变化
浆液类型
泵压(MPa)
进浆压力(MPa)
回浆压力(MPa)
1:1纯水泥浆
0.12
0.09
0.04
0.5:1纯水泥浆
0.16
0.12
0.04
稠水泥浆(GS10)
0.33
0.17
0.08
抗水膏浆(GS22)
0.42
0.24
0.12
 
由表6-1可以看出,抗水膏浆和稠浆的压力变化远比普通水泥浆剧烈,说明其内聚力比0.5:1水泥浆更大。
概括地讲,抗水膏浆和稠水泥浆具有 “一搅就稀,一停就稠”的特点,它一旦进入地层之后,随着流速的降低,其粘度迅速升高,而且在软塑粘土层的薄弱带大致呈整体性推进,因此自然形成了扩散范围的控制。另外,GS22抗水膏浆抗水能力较强,GS10也有一定的抗水能力,软塑粘土层中的水对它们的稀释作用较小,因而提高了整体效果。由此可见,抗水膏浆和稠水泥浆对于软塑粘土层的串冒浆控制具有较好的适应性。
 

5.2  化学浆液

5.2.1高渗透性环氧浆液(JX-5

JX-5型高渗透性环氧浆液是一种常规环氧浆材。其主要性能指标符合《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆》(JC/T 1041-2007)的要求。

 低渗透性环氧浆液(JX-7)

JX-7型低渗透性环氧浆液是为适应类砂层控制灌浆的特殊需要而设计。其起始粘度不小于30mPa·s,可灌时间以自重条件下缓慢渗入地层为据4h左右,固化时间12~16h,7d抗压强度不小于25MPa。

施工工艺

普通水泥浆采用孔口封闭、孔内循环灌浆,GS22型抗水膏浆和GS10稠水泥浆可采用孔口循环式或纯压式灌浆,化学灌浆则采用纯压式灌浆。

水泥灌浆

7.1  段长

本次试验中,灌浆段长最长仅2.73m,多数采用整孔灌浆,部分钻孔因抬动频繁,故分两段灌浆,效果较好。

7.2  压力

本次试验中,压力压力按如下原则进行控制:一般情况下,按0.15MPa进行控制,如发生抬动,则可以在0.1MPa甚至更低的压力下结束。

7.3  注入率

在灌浆过程中,为防止抬动,对流量进行了严格控制。对于普通水泥浆而言,流量一般控制在10~15L/min之间,但GS22型高触变抗水膏浆和GS10型高触变稠水泥浆因内聚力大、流动性差,限制注入率在实施中很难做到,故不控制流量。

7.4  浆液及浆量控制

本次试验中水泥灌浆分为五个比级,其中普通水泥浆三级(3:1、1:1、0.5:1),特种浆材两级(GS10稠浆、GS22膏浆)。
在Ⅰ序孔灌浆过程中,均采用了3:1~1:1~0.5:1~GS22抗水膏浆四级变换,必要时越级的操作模式。但是,大部分孔段在早期灌注过程中出现了冒浆现象,实际上起作用的只有GS22膏浆,前三个比级的浆液作用不太明显,低效注入量较大,材料消耗增加。由此可见,一般情况下开灌水灰比宜改用1:1,必要时则可直接采用0.5:1或GS-22,同时变浆宜加快。
在Ⅱ序孔灌浆过程中,大量冒浆的情况明显减少,但小的冒浆仍然比较普遍,因此采用了3:1~1:1~0.5:1~GS10稠浆四个比级进行灌注的方法,总体效果比Ⅰ序孔要好,存在的问题也类似,说明这种控制模式有待改进。
Ⅲ序孔灌浆过程中,虽然冒浆依然时有发生,但常规水泥浆已可占据主导地位,说明在前两序孔灌浆结束后,地层状况已有明显改善,从而为化灌创造了条件。
根据GS10和GS22整体性好但泌水多的特点,规定稠浆或膏浆灌注后必须进行待凝,而后复灌,最终必须以常规水泥浆结束,不得以稠浆或膏浆结束,以保证水泥灌浆的整体效果。

7.5  结束标准

一般情况下,水泥灌浆采用了如下结束标准:
(1)Ⅰ、Ⅱ序孔在设计压力下,注入率不大于3L/min持续灌注10min后结束;
(2)Ⅲ序孔在设计压力下,注入率不大于1L/min持续灌注10min后结束。
此外,如果发生1mm以上的抬动,则直接结束。

塑粘土层化学灌浆

8.1  段长

在试验施工初期,我们进行了分段和整孔灌浆的比对。分段方式为第一段段长为40cm(比水泥灌浆孔第一段浅10~20cm)。结果表明,分段灌浆和全孔灌浆均能达到比较好的灌浆效果。从加快进度和环保角度看,全孔一次性灌浆更加有利,因此最终确定软塑粘土层化学灌浆均采用全孔一次灌浆方式。

8.2  压力

一序孔化学灌浆压力为0.06MPa,二序孔为0.06~0.08MPa,三序孔为0.08~0.1 MPa。

8.3  排水与灌前孔内浆液填充

化学灌浆前均进行了压缩空气排水,压力不大于0.05MPa,而后将孔内充浆后卡塞并开始灌浆。

8.4  注入率

软塑粘土层化学浆液主要是高渗透性的JX-5,其可灌时间长,渗透性好,但可控性差,易造成浆液的流失,因此将注入率控制在0.15~0.20kg/(min·m)之间。

8.5  结束标准

当灌浆满足下列条件之一时,即可结束灌浆:
(1)设计灌浆压力下,注入率不大于0.02kg/(min·m)后持续灌浆1h;
(2)在设计灌浆压力下,注入率不大于0.04kg/(min·m)后持续灌浆4h;
(3)孔段注入量达到120kg/m。
试验结果表明,上述三条结束标准基本涵盖了软塑粘土层灌浆的所有孔段。

砂层化学灌浆

9.1  砂层特点分析及单点控制注浆法的提出

砂层的特点是水泥灌浆基本无效,但水却可以自由通行,即“吃水不吃浆”,是困扰灌浆界几十年来的老大难问题。在以往工程中,多采用高压劈裂和(或)高渗透性化学材料灌浆等进行处理。但本次试验中由于抬动问题突出,通过高压劈裂没有可能,高渗透性化学灌浆又由于浆液的渗透性较强,粘度增长较慢,凝结时间较长,因此在自身重力作用下,浆液在粘度增长到在砂层中不再自由下沉之前的时间段内会持续向下渗漏,使地下建筑物下部接触带的灌浆效果受到较大影响,同时又造成注浆范围的失控而极大提高工程成本。因此,寻找新的系统解决方案势在必行。
经过分析,我们认为,砂层的控制灌浆的关键在于一种渗透性较低、粘度增长较快、凝结时间较短的新型改性环氧材料,它在靠自重在砂层中扩散比较缓慢,但在有压情况下能够较好渗透。这样,如果控制钻孔段长使之位于刚刚穿透砂层的位置,形成点状扩散源,再佐以相对高的灌浆压力,则在类砂层比较均一的情况下,浆液将会形成一个以孔底为中心,轴向、径向和垂直方向三向基本相当,最终形成类似半球状的扩散面,自重渗透的量相对会变少,从而使砂层的可控灌浆成为可能。我们将其称为“单点控制注浆法”。

9.2  单点控制注浆法的三个要点

(1)段长加以严格限制,只要能够进入类砂层10~30cm即可,最多不超过40cm,卡塞位置则放在灌浆段上方10~20cm,以使浆液在类砂层上部形成一个点状注浆源,尽量减少浆液向下扩散;
(2)灌浆材料采用低渗透性环氧浆液JX-7,该浆渗透性差,可控性好,在自身重量作用下向下渗透的速度较慢,渗透距离较短,因此相对提高了浆液在轴向和径向的扩散,从而有利于保证接触带的灌浆质量;
(3)灌浆过程中,采用较大流量灌注,以使浆液重力下沉的比例相对降低,从而提高单点挤压,三面扩散的效果。

9.3  JX-7型低渗透改性环氧浆液现场试验

在室内研究成果的基础上,我们在现场进行了JX-7低渗透浆材补充试验。结果表明,JX-7型浆材虽然能够形成结石,但是比较松散,阻水效果较差。由此我们认识到两点,一是JX-7灌浆过程中的压力应适当提高,二是应和JX-5形成组合,即先灌JX-7,当注入率稳步下降到一定程度时,再进行换浆,用渗透性较好的JX-5进行补充,方可取得良好效果。试验结果也证实了这一点。

9.4  开灌浆液选择及两种浆液的组合使用

本次试验中对JX-5和JX-7组合使用规定了以下原则:
(1)开灌时可根据钻孔时孔口返水情况选择浆液配比,如孔口返水量小则采用JX-7低渗透浆液灌注,反之则采用JX-5高渗透浆灌注,如不能明确判定时可先灌注20~30kg的JX-5,而后视情况确定是否改灌JX-7;
(2)对于渗透性强的孔段,应先灌注JX-7,压力应控制在0.2MPa左右,流量应控制在0.4~0.9kg/min之间,当注入率降至0.15kg/min以下并稳定30~60min后可改灌JX-5高渗透浆液至结束,灌浆压力仍应保持在0.2MPa左右,不可降低;
(3)对于注入率不是很大,但采用JX-5高渗透浆液迟迟达不到标准的孔段,可采用间歇性灌入JX-7高渗透浆液20~40kg的方法,以缩短灌浆施工进程。

9.5  结束标准

为保证浆液在类砂层中的扩散范围,结合各灌浆孔段的实际情况,确定灌浆结束时的浆液必须是JX-5,而不允许在JX-7浆液条件下结束。当达到以下两条标准之一时,可以结束灌浆:
(1)设计灌浆压力下,注入率不大于0.02kg/min后持续灌浆1h;
(2)在设计灌浆压力下,注入率不大于0.04kg/min后持续灌浆4h。
 

10  抬动安装、观测及对灌浆的影响

10.1  基本做法

根据业主要求,保证地下建筑物的完整性是项目的首要前提。为此,我们在项目区15.5m范围内布置了三个抬动观测点,在灌浆过程中,各派专人同步跟踪进行,如抬动超过1mm示警,如继续上涨则停止注浆。

10.2  抬动情况综述

总的来看,混凝土盖板和地下建筑物整体状况良好,未发现破坏性抬动痕迹,说明本次试验抬动控制是比较有效的。主要情况如下:
(1)      软塑粘土层中抬动发生的概率高于类砂层;
(2)      抬动发生过程中,各比级浆液均有出现,但以0.5:1为最多,且复灌过程中抬动发生率更高,说明地下建筑物抬动主要是在浆液挤密过程中发生的;
(3)      大部分抬动系缓慢发生,处于可控的弹性状态,但也有少数孔段突发2mm以上较大抬动;
(4)      相关性分析表明,抬动的发生和灌浆过程中的压力、流量以及灌浆强度值的相关性都很差;
(5)      由上可见,地下建筑物在灌浆过程中的抬动并无明确规律,因此必须加强实时监测和控制。
 

11  灌浆效果检查与分析

本次试验灌浆效果检查分析的主要包括三个方面的内容,一是灌浆成果的检查与分析,二是检查孔压水试验成果分析,三是开挖目测成果分析。

11.1  灌浆成果的检查与分析

Ⅰ  试区

(1)水泥灌浆
Ⅰ序孔单位注入量为3158.16kg/m,Ⅱ序孔单位注入量为1955.56kg/m,Ⅲ序孔的单位注入量为1429.03kg/m。Ⅱ序孔单位注入量比Ⅰ序孔递减38.08%,Ⅲ序孔比Ⅱ序孔递减26.92%,符合灌浆的一般规律。
(2)化学灌浆
Ⅰ序孔单位注入量为85.87kg/m,Ⅱ序孔单位注入量为66.52kg/m,Ⅲ序孔的单位注入量为54.93kg/m。Ⅱ序孔单位注入量比Ⅰ序孔递减29.09%,Ⅲ序孔比Ⅱ序孔递减21.10%,这与软塑粘土层在水泥灌浆后地层相对均一相吻合。

Ⅱ  试区

(1)水泥灌浆
水泥灌浆外排和内排单位注入量分别为1464.50kg/m和494.42kg/m,递减率达66.24%;外排三个序次的单位注入率分别为1941.12kg/m、1062.44 kg/m和1184.49kg/m。表面上看,排次间似乎符合灌浆的一般规律,外排各次序孔间则不符合。但实际上,由于该试区包括软塑粘土层和类砂层两种地层,因此这种比较的实际意义并不明确,灌浆效果更多地依赖于其他手段。
(2)化学灌浆
Ⅱ试区三个次序孔的单位注入量分别为87.30kg/m、79.41kg/m和99.46kg/m,没有明确的规律,这显然也是由Ⅱ试区存在部分类砂层引起的。

11.2  检查孔静压水试验成果

11.2.1  概述

本次试验中,共布置有7个检查孔,其中直孔三个,位于一试区,深度为地下建筑物以下0.8m,斜孔四个,位于二试区,深入地下建筑物以下2.3m。
地层透水率变化采用静水头压水法。静压水头为5m,灌浆塞卡在混凝土盖板底部,塞底位置约1.3m,并保持不变。
静压水头法的成果计算:第一段透水率系试验直接得到的数据,第二、三段系根据全孔压水和前一段压水数据计算的结果,步骤如下:
(1)注入率相减,即第二段注入率=全孔注入率-第一段注入率
(2)第二段压力按规范计算,零线取该段的中线位置;
(3)将第二段的注入率和压力代入,按规范规定计算第二段透水率。

11.2.2  静压水试验成果及分析

(1)对于软塑粘土层而言,各段透水率均在1Lu以下,平均值为0.40Lu;
(2)对于类砂层而言,孔距1.5m、1.25m和1.0m间检查孔第一段的透水率分别为2.63Lu、1.36Lu和0.66Lu,说明对于类砂层而言,在化学灌浆孔孔距1m的情况下,可以达到透水率小于1Lu。

11.3  开挖检查

11.3.1  目的

开挖检查是静压水试验的直观检查手段,软塑粘土层和类砂层的目的有所不同。
针对软塑粘土层而言,主要目的是检查灌浆后地层整体在轴向、径向和垂直方向的状况,并结合试验过程,对设计参数进行优化。
针对类砂层而言,最重要的目的是检验各种施工工艺条件下浆液的扩散状况及范围,以实现和静压水试验结果的比对,为后续工程提供依据。

11.3.2  主要成果

(1)软塑粘土层在灌浆后整体密实度大大提高,在轴向、径向和垂向形成了对软塑粘土层的网状分割,且分割后的各个小区粘土均较密实,说明整体灌浆效果良好;
(2)对类砂层而言,以单点控制注浆法的Z2-9孔第一段在混凝土盖板以下形成一道连续的环氧胶结体,说明单点控制化学灌浆法对提高地下建筑物近下端部位的灌浆效果是有效的(图1)。
  
图1  单点控制注浆法对地下建筑物近下端的灌浆效果

12  结论

(1)在严格控制抬动的情况下,采用复合灌浆手段对薄壁地下建筑物进行原位加固是可行的;
(2)对于软塑粘土层而言,采用重复进行水泥灌浆直至达到0.15MPa的压力或至抬动发生为止,而后以高渗透性环氧浆材进行化学灌浆,可以做到透水率小于1Lu;
(3)对于类砂层而言,可先进行水泥灌浆,而后采用单点控制注浆法进行化学灌浆,在灌浆压力0.2MPa、注入率达到0.02L/(min·m)的情况下,可以做到地下建筑物近下端类砂层的局部胶结,透水率可以达到1Lu以下。
 
致谢
 
我公司夏可风、张良秀、胡迪煜三位老专家在本次试验过程中给予了精心指导,特此致谢。
 
参考文献
 
[1]四川广元某地下建筑物整改工程帷幕灌浆试验报告.中国水电基础局有限公司内部资料,2009年12月.
[2]孙钊著.大坝基岩灌浆.水利电力出版社,2003.
[3] GS系列高触变抗水膏浆室内试验报告.中国水电基础局有限公司内部资料,2009年7月.
 

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