上海地區深基坑圍護結構缺陷突涌治理工藝研究

王紅衛

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

上海城市核心區地下工程深度已達到60 m。從水文地質條件來看，上海地區地表以下30 m范圍內主要存有第⑤層微承壓含水層，而超過30 m將進入第⑦層承壓含水層，深度超過30 m基坑工程的施工風險要遠大于20 m左右深度的基坑工程，特別是承壓水滲漏和突涌預防治理方面，風險管控理論的研究已遠遠落后于實踐的發展需求[1-4]。據此，本文通過對常用化學注漿封堵技術進行機理分析，揭示上海地區采用化學注漿治理突涌的不足，為完善以上不足并促進注漿技術在深基坑突涌事故治理中得到更好的應用，進而提出了基于化學注漿的深基坑圍護結構缺陷突涌治理的新工藝。

1 化學注漿

1.1 封堵止水機理及分析

本文以上海地區常用的聚氨酯為例，說明化學注漿作用機理。聚氨酯漿液凝固時間從幾十秒到幾分鐘可調，經高壓泵送裝置注入地層，先以液態形式填充周圍多孔結構和裂隙，然后遇水發泡膨脹產生二次壓力，進一步把漿液壓入裂隙，使多孔結構或地層充填緊密。從發泡初凝到固結，聚氨酯都具有良好的黏結強度，能有效附著在骨料表面，減小骨料間的過水通道，在逐漸硬化形成不透水層后，實現對突水點和過水通道的有效封堵。

通過以上的機理分析，總結聚氨酯能夠產生封堵作用的關鍵因素如下：第一，聚氨酯漿液從注漿到發泡膨脹經歷2次壓力，分別是注漿壓力和膨脹壓力，2次壓力能夠在漿液固結前密實填充周圍巖土體裂隙和多孔結構；第二，聚氨酯發泡膨脹后具有較高的黏結強度，在動水條件下也能牢固附著在巖土體骨料表面；第三，聚氨酯漿液凝固時間可調，能夠適時凝固，避免隨動水流失。

1.2 工程應用中的不足

經文獻查閱可知，化學注漿封堵止水最早應用于巖質地層中的油井、礦井開挖等工程領域，后拓展到土質地層工程建設領域。在巖質地層中采用注漿堵漏，由于地層結構穩固，故即使在注漿壓力和膨脹壓力、承壓水頭等綜合作用下，巖層結構依然能夠保持穩定，封堵止水成功的概率較高。而在土質地層中采用注漿堵漏，特別是突涌點堵漏，由于土體顆粒容易隨動水流失，土層結構穩定性差，故難以具備聚氨酯等漿液產生封堵效果所需要的關鍵因素。本文以上海地區的水文地質條件加以詳細說明。

上海地區深基坑圍護結構缺陷導致的突涌事故主要發生在第⑦層，其上第⑥層是分布較廣的硬土層，主要是暗綠-草黃色黏土，不透水；其下第⑧層是分布較廣的軟土層，其中⑧1層是灰色黏性土，⑧2層是灰色粉質黏土、粉砂互層，不透水。第⑦層水文地質參數如表1所示。

表1 第⑦層水文地質參數

在第⑦層高水頭壓力下，只要基坑圍護結構存在細小通道，粉細顆粒的砂、粉土就會隨著水一起流入坑內，并在較短時間里擴大漏水涌砂通道。

在此類水文地質條件下，采用注入聚氨酯等化學漿液封堵規模較大的突涌，方案本身存在著諸多不足。首先，易隨動水流失的粉土和細砂無法為聚氨酯提供相對穩定的土體結構，無法持續為凝固過程中的聚氨酯提供用于附著的骨架支撐。其次，土體結構在動水作用下已有擾動，而注漿壓力或膨脹壓力將加速土體初始結構的破壞，加劇漏水涌砂通道的擴大。最后，持續增大的動水流速，將會導致新注聚氨酯來不及凝固就隨動水流失，而初凝后附著在土體骨料顆粒上的聚氨酯也會隨動水流失。以上3點不足容易造成注漿封堵失敗。

綜合以上分析，上海地區土質地層采用化學注漿進行突涌治理時，還應加強理論研究，充分考慮注漿壓力和膨脹壓力、水流速度、水力梯度等對地層擾動和土體流失的影響，應制定合理的工藝流程以從根本上減少突涌治理的盲目性。

2 突涌治理新工藝

2.1 工藝流程

上海地區深基坑工程通常采用地下連續墻加支撐梁的支撐圍護體系，基坑開挖過程中，地下連續墻所承受的荷載處于動態變化之中，接頭處往往是地下連續墻的薄弱環節，而處于粉土和細砂層的接頭更是容易產生缺陷并發生突涌的位置。為此，本文提出了深基坑圍護結構缺陷承壓水突涌治理新工藝，具體工藝流程如下：

1）依據坑內突涌水中的土體流失量，判斷坑外地層中因土體流失所形成的空洞范圍及其增大的速度。根據突涌的單位時間流量、持續時間和單位體積土顆粒含量，估算土體流失的體積，結合水文地質條件，判斷坑外地層中的空洞范圍及其擴大的速度。

2）計算空洞范圍外初始地層中承壓水的滲流速度和水力梯度。根據突涌水單位時間內的流量和水文地質條件，判斷空洞范圍外部土體中承壓水的滲流速度和水力梯度。

3）計算化學注漿的固結范圍及其增大速度。根據初始地層承壓水的滲流速度、單注漿孔中的注漿范圍、注漿速度、漿液凝固時間等，判斷單注漿孔的固結范圍及其增大的速度。

4）以形成封閉的不透水固結層為前提，比較單注漿孔控制區域內空洞范圍增長速度和固結范圍增長速度，判斷化學注漿對空洞范圍的影響。根據注漿壓力和膨脹壓力、凝固時間、注漿速度等參數，以及初始狀態土體中的水力梯度，估算注漿壓力、漿液的擴散距離及二次壓力對空洞周圍地層的擾動程度。

5）根據化學注漿對空洞范圍的影響，制定封堵方案。選擇封堵方案時應依據以下2個判斷條件：首先，化學注漿的注漿壓力或膨脹壓力未加劇空洞范圍及其增速的擴大；其次，單注漿孔控制區域內，漿液固結范圍的增大速度應大于空洞范圍的增大速度。滿足以上2個判斷條件的，采用第6步的封堵方案；反之，則采用第7步的封堵方案。

6）根據突涌點位置、注漿對空洞的影響、空洞范圍及其增速、漿液固結范圍及其增速，確定注漿孔位置及數量，成孔后泵送注漿封堵。

7）根據突涌點位置，在坑外圍護結構缺陷處實施兩步封堵措施，具體方法如下：第1步，突涌點封堵。從坑外地面鉆出操作孔和灌砂孔，操作孔緊鄰突涌點，灌砂孔數量和位置根據空洞范圍以便于灌砂為準進行確定。先通過操作孔塞入柔性布狀封堵材料，如棉布等，柔性布狀材料在水流壓力作用下堵塞突涌點，過濾土顆粒；坑內涌水速度明顯降低后，通過灌砂孔持續灌入細砂和黏土球，填充土體流失留下的空洞。第2步，水流通道封堵。根據注漿對空洞的影響、空洞范圍及其增速、漿液固結范圍及其增速，確定注漿孔位置及數量，成孔后泵送注漿至封堵止水成功，并對操作孔和灌砂孔封孔。

深基坑圍護結構缺陷突涌治理新工藝流程如圖1所示。

圖1 突涌治理新工藝流程

2.2 新工藝優點

1）理論分析邏輯清晰。通過分析突涌水中的土體流失量，計算坑外突涌所形成的空洞體積及其增長速度、空洞外圍初始地層中的滲流速度和水力梯度；依據滲流速度和單注漿孔的固結范圍及其增長速度，判斷注漿對空洞范圍的合圍速度；依據注漿壓力或二次壓力，判斷注漿對空洞及地層的影響。最后，根據不同的影響采取相應的注漿封堵措施，較大程度上減少了制定封堵措施時的盲目性。

2）兩步封堵措施目標明確。柔性布狀材料用于突涌點封堵，充分利用了圍護結構的支撐，能夠迅速降低突涌的流速和流量，相對于坑內堆載或坑內回灌，具有治理目標明確、實施規模小、見效快等優點；灌注砂和黏土球用于減少空洞體積，補充土體流失，有利于降低突涌對深基坑周邊環境的影響，減少漿液的消耗量；注漿用于水流通道封堵止水。

3 突涌治理新工藝與常規工藝比較

3.1 常規工藝

總結上海市深基坑圍護結構缺陷突涌治理常規工藝流程如圖2所示。

圖2 突涌治理常規工藝流程

突涌治理常規工藝的具體步驟如下：

1）根據突涌的規模狀況及相應的治理經驗，確定注漿孔的位置和數量，然后鉆孔至封堵地層，持續泵送注入聚氨酯等化學漿液。

2）持續注漿條件下，如果坑內突涌流速和流量明顯減少，則表明封堵工藝及措施合理，應維持注漿現狀直至封堵成功。

3）持續注漿條件下，如果坑內突涌流速和流量維持不變或逐漸變大，同時出現初凝漿液隨水流流出，則表明封堵工藝及措施不合理，此時僅保持注漿已不能成功止水。為降低突涌的流速流量，再采取坑內圍堰堆載甚至回灌等措施，同時保持注漿，直至封堵成功。

3.2 新工藝與常規工藝比較

1）在事前量化評估環節，突涌治理新工藝較常規工藝更充分和合理。常規工藝確定注漿孔位置及數量時，雖然考慮了突涌所形成的空洞范圍、漿液滲流速度、固結范圍等因素，但缺少系統性的考慮，不能對影響因素的綜合作用進行量化評估，存在加劇土體流失、促進突涌不良發育的隱患。新工藝充分考慮了空洞范圍及增長速度、滲流速度和水力梯度、固結范圍及增長速度，量化評估了化學注漿和滲流對地層和空洞范圍的擾動影響，依據不同的影響程度，進而采取不同的封堵措施，很大程度上避免了突涌治理的盲目性和過度依靠經驗。

2）在大流量高流速突涌封堵環節，突涌治理新工藝較常規工藝層次更清晰、目標更明確。常規工藝采用先行注漿的方式，效果不達預期后，再在坑內圍堰堆載或回灌。該方法存在如下幾點不足：首先，漿液流出間接說明注漿已影響到空洞范圍，加劇了突涌不良發育，增加了后續治理措施的難度。其次，施工現場狹小，并非每個項目都能足量配備圍堰材料；坑內回灌成本高，且困難在于要有水可灌。最后，漿液消耗過多，治理成本高。而新工藝采取先直接封堵突涌點、其次灌入砂和黏土球、后封堵水流通道的方法，具有直接降低突涌規模、濾下土體顆粒、填充空洞體積、減少漿液消耗量等多項優勢。

4 結語

化學注漿已是解決巖土問題的重要技術之一，但由于注漿與土質地層的相互影響不同于巖質地層，故在諸如上海地區的土質地層中用于深基坑圍護結構缺陷突涌治理時，還需要在理論和工藝等方面進行更深層次的研究。

本文充分考慮了突涌所形成的空洞范圍及其增大的速度、單注漿孔固結范圍及其增大的速度、注漿及水力梯度對空洞范圍的影響等諸多因素，提出了兩項判斷條件，并依據判斷條件所得結果相應采取不同的封堵措施，最終形成了深基坑圍護結構缺陷突涌治理的新工藝。通過比較，該工藝較常規工藝具有理論依據充分、量化評估準確、封堵措施層次清晰等優點。