復(fù)雜場地條件下盾構(gòu)進洞端頭井加固技術(shù)

房安民,錢 新,王 巖

(1.北京中鐵誠業(yè)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,北京 100055； 2.北京住總集團市政工程公司,北京 100029)

盾構(gòu)法隧道施工中,端頭井土體加固是盾構(gòu)機始發(fā)、到達技術(shù)的一個重要組成部分,也是盾構(gòu)機始發(fā)、到達事故多發(fā)地帶,即端頭井土體加固的成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)機能否安全始發(fā)、到達。因此,合理選擇端頭井加固施工工法和必要的加固措施,是保證盾構(gòu)法隧道順利施工的非常重要的環(huán)節(jié)。北京市軌道交通大興線黃村火車站—義和莊站區(qū)間,右線盾構(gòu)于2009年10月9日到達接收井,盾構(gòu)到達前3個月對端頭井進行了加固。由于端頭井范圍內(nèi)存在雨水、污水、電信3條管線(圖1)且端頭井管線改移后回填土及地質(zhì)條件極差,致使在盾構(gòu)進洞時地表沉降過大及污水管線斷裂,洞門發(fā)生了涌水涌砂,不僅耗費了大量的人力、物力、財力,而且工期也受到影響；左線盾構(gòu)在總結(jié)右線進洞的基礎(chǔ)上,并結(jié)合現(xiàn)場實際情況對端頭井采取了小管棚注漿的加固方法,于2009年10月29日順利實現(xiàn)了接收。

1 工程概況

北京市軌道交通大興線01標段黃村火車站—義和莊站區(qū)間起止樁里程：DK14+874.500～DK16+746.9,區(qū)間左線長度1 863.462 m,區(qū)間右線長度1 872.057 m,總長度共計為3 735.519 m。黃村火車站—義和莊站區(qū)間工程采用2臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機施工,右線先從義和莊站始發(fā),左線隨后平行施工。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)詳勘報告,黃村火車站接收井土質(zhì)從上至下分別為：①素填土①1層、雜填土①2層；②粉土②層、粉質(zhì)黏土②1層、粉細砂②2層,土層厚度0.8～6.7 m；③粉質(zhì)黏土③層、粉土③1層、粉細砂③2層、黏土③3層,土層厚度12.9～19.3 m；④粉細砂④1層、粉土④2層,土層厚度1.2～9.3 m；⑤粉土⑤1層,土層厚度1.5 m；⑥圓礫⑥層、粉細砂⑥1層,粉質(zhì)黏土⑥3層,土層厚度2.0～14.5 m；⑦粉質(zhì)黏土⑦層、細砂⑦1層、圓礫⑦2層,土層厚度2.1～7.8 m。

盾構(gòu)隧道洞頂位于粉細砂③2,隧道結(jié)構(gòu)主體地基持力層主要為③層粉質(zhì)黏土和③1層粉土及③2層粉細砂,屬中壓縮性土。

根據(jù)詳勘報告,黃—義區(qū)間地下水主要為上層滯水、潛水和層間潛水,上層滯水主要為農(nóng)田灌溉所致,無穩(wěn)定水位；由于層間潛水受大氣降水影響較大,水位有一定的變化,變化幅度一般在2～3 m。

本區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)在地下穩(wěn)定水位以上。

3 場地環(huán)境

盾構(gòu)左右線端頭井加固范圍內(nèi)有3條管線：φ300 mm污水管道、2.0 m×1.2 m雨水管溝、6孔電信管道,且污水、雨水管線均含有水,管線具體位置如圖1所示。

4 盾構(gòu)進洞技術(shù)難點

(1)現(xiàn)場管線復(fù)雜,端頭井加固難度大,效果差。右線盾構(gòu)進洞原設(shè)計方案為垂直旋噴樁加固,由于場地管線復(fù)雜,該加固無法正常實施,結(jié)合現(xiàn)場情況改為斜向單孔注漿并對管線進行保護,旋噴機器跳開管線進行加固。該加固方法旋噴樁不能咬合,管線周圍存在加固盲點,漿液擴散半徑小,加固效果差；

(2)隧道頂部及斷面內(nèi)粉細砂層較厚,密實且自穩(wěn)性極差,動荷載作用下極易塌落；

(3)對右線地表塌方現(xiàn)場查看,端頭井管線改移后回填土多為生活垃圾,穩(wěn)定性極差；

(4)右線端頭井失效導(dǎo)致左線端頭井土質(zhì)擾動極大,二次沉降風(fēng)險較大；

(5)右線端頭井污水管斷裂,致使左線端頭井范圍存在水源,易導(dǎo)致洞口涌水、涌砂事故。

為了確保左線盾構(gòu)順利接收,綜合考慮現(xiàn)場情況后,對左線盾構(gòu)進洞端頭井加固采用封閉洞門后在其掌子面內(nèi)實施小管棚注漿方法。

5 左線盾構(gòu)進洞加固方案

5.1 加固機理

在封閉的洞門圈內(nèi)鉆孔并插入導(dǎo)管,用速凝干水泥粉封堵鉆孔孔口,待水泥凝結(jié)后利用注漿設(shè)備與小導(dǎo)管密封連接進行注漿,漿液在壓力作用下充填導(dǎo)管、導(dǎo)管與鉆孔間空隙、周圍土層,漿液擴散半徑為1.5～2 m。

導(dǎo)管既可以加固土體、對隧道頂部土體起到棚護作用,還可以防止在洞門鑿除后隧道頂部粉細砂由于盾構(gòu)動荷載作用下沿洞口與盾殼、圍護結(jié)構(gòu)與土體之間空隙流入接收井內(nèi),造成地表沉降較大而致使地面塌方；小導(dǎo)管注漿,漿液通過導(dǎo)管孔口進入封閉狀態(tài)的被注地層(粉質(zhì)黏土層、粉細砂層等),使?jié){液在被注地層中向四周擴散,達到充填、擠壓、密實并增強土體穩(wěn)定性作用；同時還可以利用小導(dǎo)管、漿液、土層三者間的粘結(jié)作用,更好地增強管棚的作用。

端頭井加固完成后,盾構(gòu)開始掘進,在盾構(gòu)刀盤到達圍護樁前,先不進行破洞,盾構(gòu)機帶壓推進,待到盾構(gòu)刀盤抵達洞門圍護樁時,停止掘進,開始破除洞門,盾構(gòu)進洞。

通過管棚及注漿的作用,可以減少拆除圍護結(jié)構(gòu)時振動對洞門周圍土體的影響，確保在盾構(gòu)進洞前圍護樁破除后掌子面土體暴露狀時間內(nèi)(1～2 d)地層穩(wěn)定；減小土體的滲透性,阻止盾構(gòu)進洞前洞門與盾構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)與加固土體間發(fā)生涌水、涌砂等事故；防止盾構(gòu)土壓建立困難造成洞門周邊地層下沉、管線及掌子面坍塌等；同時要滿足盾構(gòu)大件吊裝作業(yè)時地基承載力要求。

5.2 加固實施方案

(1)加固范圍

端頭井縱向加固長度沿隧道軸線方向6 m,地層土體加固深度為洞門圈周邊向外約2～3 m。

(2)導(dǎo)管布置

在洞門圈水平中心線向上1 m、沿洞門圈周邊布孔,鉆孔間距25 cm,直徑50 mm,角度向上8°～15°；利用鉆機鉆孔后插入小導(dǎo)管,小導(dǎo)管直徑42 mm,長6 m,入土深度約5.8 m,露出約0.2 m與洞門圈焊接；共計32個導(dǎo)管。如圖2、圖3所示。

圖2 小管棚注漿加固平面(單位：m)

圖3 小管棚注漿法加固剖面(單位：m)

(3)施工材料

①加固設(shè)備：鉆機、攪拌機、空壓機、注漿泵、管線、儲漿桶及各種材料；

②導(dǎo)向管：導(dǎo)向管長度6 m,外徑42 mm,壁厚3.5 mm鋼管,一端焊接內(nèi)徑25 mm的外絲。

(4)鉆孔注漿順序

在完成所有鉆孔、導(dǎo)管插入鉆孔及孔口封堵完成后,根據(jù)地質(zhì)情況采用先上后下、由內(nèi)至外、跳孔注漿的加固原則對每個導(dǎo)管注漿。

(5)注漿壓力

注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa,注漿時要嚴格控制注漿壓力,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整,防止地層隆起破壞管線。

(6)注漿參數(shù)

注漿漿液的水泥漿水灰比為0.5∶1,水玻璃濃度為20～25 Be′,水泥漿和水玻璃體積比為3∶1。實際注漿過程中根據(jù)注漿量及壓力的變化可適當調(diào)濃度,以確保施工質(zhì)量,同時施工過程中做好施工記錄。

(7)注漿結(jié)束標準

按設(shè)計達到注漿壓力,在注漿設(shè)計終壓下持續(xù)30 min,且進漿量明顯減少。

(8)注漿孔檢測

注漿結(jié)束后,按設(shè)計要求打設(shè)檢查孔進行檢測,沿洞門加固體范圍內(nèi)打設(shè)水平探孔,孔深5 m,觀察分析加固效果,經(jīng)檢查注漿效果達到設(shè)計要求后即可鑿除洞門,盾構(gòu)開始進洞。

(9)注意事項

①機械鉆孔外插角必須嚴格按照技術(shù)交底施工,保證注漿管外插角度；

②洞門圈內(nèi)掛網(wǎng)噴混凝土厚度必須滿足要求,使其成為止?jié){墻封閉注漿的漿液以防漏漿；

③各孔注漿時應(yīng)間隔跳孔進行,以保證漿液擴散效果；

④嚴格控制注漿量和注漿壓力,在注漿時加強地面、管線監(jiān)測,防止地表及管線沉降或隆起超標。

5.3 加固效果

通過對左線端頭井實施小管棚注漿法的地層加固措施,并在施工中切實落實各項保障措施,地表最大沉降控制為9.14 mm,管線最大沉降為4.48 mm,遠小于設(shè)計控制的沉降量：地面沉降/隆起30 mm,管線沉降/隆起20 mm。

6 小管棚注漿法施工相應(yīng)保證措施

6.1 安全質(zhì)量保證措施

(1)工程施工前,認真做好技術(shù)交底并對施工管理及操作人員培訓(xùn)；

(2)注漿泵應(yīng)全面檢查和清洗干凈,防止泵體的殘渣和鐵屑存在,各密封圈完整無泄漏,安全閥中的安全銷要進行試壓檢驗,確保能在額定最高壓力時斷銷卸壓；

(3)壓力表應(yīng)多次檢查,保證正常使用,并要求將壓力表檢測證書送項目部試驗室；

(4)司鉆人員需熟練操作技能,了解注漿全過程及鉆機注漿作用；

(5)嚴格控制注漿量和注漿壓力,地表要埋設(shè)觀測點,在注漿時加強地面和管線的監(jiān)測,防止地表隆起影響路面及上部管線等；

(6)做好施工記錄,操作人員嚴格按照技術(shù)交底施工。

6.2 應(yīng)急處理預(yù)案

(1)施工前詳細了解施工場地情況,查明各管線的詳細資料,詳細記錄鉆孔過程中導(dǎo)管穿越的地層,并做好相應(yīng)的應(yīng)急措施；

(2)準備好應(yīng)急物資,包括：水泥2 t,砂5 t,速凝劑,碎石10 t,4寸污泥泵4臺,2寸污泥泵2臺,鐵鍬20把,蛇皮帶500個,木板,鋼管支撐若干,錨噴機,風(fēng)炮,空壓機,注漿泵,照明燈等；

(3)成立風(fēng)險管理及應(yīng)急事件處理機構(gòu),從組織、方案、人員、設(shè)備物資等全方位予以保證,確保其處于受控狀態(tài)。在發(fā)生問題時各相關(guān)單位及人員能夠及時有效的進行處理,將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。

7 結(jié)論及展望

本工程盾構(gòu)左線在施工場地條件復(fù)雜、采取常規(guī)加固方法(注漿加固、深層攪拌樁、旋噴樁)效果達不到設(shè)計要求下,在洞門掌子面內(nèi)采取小管棚注漿法,與盾構(gòu)右線相比,有如下優(yōu)點。

(1)施工工期

盾構(gòu)左線小管棚注漿法從2009年10月20日開始施工,截止到2009年10月29日,左線盾構(gòu)安全順利進洞,相比盾構(gòu)右線采用的旋噴樁及斜向單孔注漿加固節(jié)省了5 d工期。

(2)工程成本

與盾構(gòu)右線端頭井采用旋噴樁及斜向單孔注漿加固相比,盾構(gòu)左線小管棚注漿法方案節(jié)約工程成本40%左右。

(3)施工效果

盾構(gòu)左線端頭井小管棚注漿法在場地特殊情況下的加固,有效地控制了地面及管線的沉降,并確保了盾構(gòu)安全順利的接收,為今后類似工程提供了寶貴借鑒。

左線盾構(gòu)進洞期間,部分粉細砂從洞門與盾殼、圍護結(jié)構(gòu)與土體間空隙進入接收井,后在管棚上用沙袋及木板封堵,確保了盾構(gòu)安全進洞?？偨Y(jié)左右線盾構(gòu)接收經(jīng)驗,盾構(gòu)進洞洞門與盾殼應(yīng)采用由橡膠簾布、折形壓板、墊片和螺栓等臨時密封裝置封堵；圍護結(jié)構(gòu)與加固土體間應(yīng)加強旋噴樁加固,確保界面的密貼,保證土體的穩(wěn)定性。

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