水平深孔注漿在地鐵盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用

段志宏

(中鐵十三局集團(tuán)第二工程有限公司,廣東深圳 518000)

在軟土地區(qū)的盾構(gòu)施工中,端頭土體加固是施工中的重要環(huán)節(jié),也是施工控制的重點(diǎn)。端頭加固作為一項(xiàng)臨時(shí)工程,其目的就是保證盾構(gòu)機(jī)安全順利地始發(fā)或者到達(dá),因此要求加固后的土體在端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)鑿除后能有良好的自穩(wěn)性、防水性、勻質(zhì)性[1～4]。進(jìn)出洞施工的事故發(fā)生,主要是防水措施失敗導(dǎo)致。其中加固土體的防水性達(dá)不到要求,盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)易引發(fā)涌水、涌砂,導(dǎo)致事故發(fā)生。端頭井加固的方法很多,如注漿加固、深層攪拌樁加固、旋噴樁加固、凍結(jié)加固等。每種方法有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,只有根據(jù)土層和周邊環(huán)境選擇合適的加固方法,才能達(dá)到滿意效果[5～7]。目前國(guó)內(nèi)常用的端頭加固方式為在端頭地面往下施做旋噴樁的方法,本文在對(duì)端頭加固方式作適當(dāng)比選的基礎(chǔ)上,探討采用水平深孔注漿加固方式的加固效果及其實(shí)用性。

1 工程概況

以深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間施工為背景,研究富水、含砂地層中的端頭加固施工工藝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖地質(zhì),本工程車站端頭隧頂埋深 9.85m,盾構(gòu)隧道的隧頂、隧底均位于砂性地層中,其上部 1.8m處于 3-3砂層中,下部 2m范圍處于 5-2砂層中,隧道中間土層為 5-1黏土。車站端頭的地質(zhì)情況如圖1所示。

區(qū)間線路穿越段為大沙河下游入?？诙?入?？诤铀芎Ｑ蟪毕绊?漲、落潮水位差為 1～2m,河水流速受洪水和潮汐影響也較大,潮汐對(duì)河流的影響主要表現(xiàn)在潮水對(duì)河水的頂托作用,增強(qiáng)河口地區(qū)的淤積,使河口水位升高,加重了洪水和咸潮的威脅。

圖1 車站端頭地質(zhì)橫斷面

2 加固方式比選

盾構(gòu)隧道端頭加固方式的選擇是在滿足安全可靠的前提下,充分考慮施工場(chǎng)地、施工速度和施工成本,綜合比較而得出的。加固方式安全可靠的依據(jù)是,洞門破除后能有效地抵擋洞門處的水土壓力,能有效地封堵洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)的滲水和易破除加固體。

針對(duì)現(xiàn)今傳統(tǒng)加固方式的應(yīng)用情況來看,凍結(jié)法加固方式存在成本高、場(chǎng)地大等缺點(diǎn)。因此將旋噴樁加固及注漿加固作為候選方案。

2.1 旋噴樁加固

傳統(tǒng)旋噴樁是利用鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭置于樁底設(shè)計(jì)高程,將預(yù)先配制好的漿液,通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后,經(jīng)過注漿管道從一定形狀和孔徑的噴嘴中高速噴射出來,形成一股能量高度集中的液流,直接沖擊破壞土體。噴射過程中,鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升,從而使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?便在土中形成一個(gè)有一定直徑的柱狀固結(jié)體,從而使土層得到加固。

在含水較大、滲透系數(shù)較大的砂層中施工旋噴樁時(shí)漿液容易被水流帶走。在滲透系數(shù)較小的黏土層中施工時(shí)漿液不能與黏土混合,冒漿量很大,而不能與土體充分?jǐn)嚢杌旌?不能形成一個(gè)有一定直徑均勻的柱狀固結(jié)體,很難達(dá)到止水固砂的目的。

2.2 注漿加固

注漿加固是用水泥 -水玻璃雙液漿通過雙液注漿泵、注漿孔道均勻地注入土體中,以填充、滲透和擠密等方式,驅(qū)走砂層和黏土顆粒間的水分和氣體,并填充其位置,通過水泥中所含礦物與土體中的水土分別發(fā)生水解、水化反應(yīng)以及團(tuán)粒作用等,形成懸浮膠體和團(tuán)粒,硬化后形成強(qiáng)度大、壓縮性小和抗?jié)B性高、穩(wěn)定性良好的水泥土。同時(shí)雙液漿本身膠凝時(shí)間短,在處理含水較大、滲透系數(shù)較大的砂層時(shí)能更好的、及時(shí)的加固止水。

水泥土結(jié)硬后,土體的孔隙率和含水率降低,密度加大,同時(shí)由于水泥土擠壓土體,使土體變形能力增加,提高了變形模量,從而防止或減少洞門端頭土體坍塌。土體孔隙率降低后還提高了土體的抗?jié)B能力,減少地下水和周圍水系對(duì)端頭土體的水波動(dòng)壓力影響。

注漿加固可以很好地彌補(bǔ)旋噴樁在含水量大、滲透系數(shù)大的砂層中成樁困難,難以達(dá)到加固效果的缺點(diǎn),從而達(dá)到土體加固的作用。

2.3 加固方式確定

鑒于旋噴樁加固方式在富水、含砂土層中施工質(zhì)量得不到保證,選取注漿加固作為端頭加固方式,并在加固區(qū)外圍施做兩排旋噴樁作為輔助措施,提高加固區(qū)整體性及止水性。

端頭加固范圍重點(diǎn)為洞門后方土體,縱向長(zhǎng)度為8m。為提高加固施工的精度,擬采取洞內(nèi)全斷面水平深孔注漿方式。

3 水平深孔注漿設(shè)計(jì)參數(shù)及施工

3.1 注漿管布置

本工程注漿管采用 φ42mm、壁厚 3～4mm的無(wú)縫鋼管。洞門全斷面內(nèi)注漿管布置如圖2所示。

圖2 注漿管布置立面(單位:m)

注漿管埋設(shè)長(zhǎng)度、角度如表1、圖3所示。

表1 注漿管參數(shù)

圖3 注漿管角度布置(單位:m)

3.2 漿液配比

水平深孔注漿采用水泥-水玻璃雙液漿。水泥漿配比為 1∶0.75,水玻璃濃度 30～35Be′。水泥和水玻璃的體積比為 3∶1,具體配比根據(jù)注漿時(shí)的具體地質(zhì)狀況調(diào)節(jié)。

3.3 注漿壓力

注漿壓力與地層的密度、強(qiáng)度和初始應(yīng)力、鉆孔深度、位置及注漿次序等因素有關(guān)。由于端頭位置處于砂性地層,主要為粉細(xì)砂及中砂,根據(jù)深圳地區(qū)粉細(xì)砂地層雙液漿注漿經(jīng)驗(yàn),考慮到注漿管壓力損失,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,注漿壓力控制在 1.0～2.0MPa,容許注漿壓力為 2.7～3MPa。

3.4 施工機(jī)具

主要機(jī)具包括 YT-24～28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、ZTGZ-120/150型注漿泵、管路、儲(chǔ)漿桶以及應(yīng)急材料等。

3.5 施工工藝流程

(1)導(dǎo)向管、止?jié){墻施工

注漿工作開始之前,按注漿角度和位置布設(shè)圖,在連續(xù)墻上進(jìn)行導(dǎo)向管開孔施工。開孔直徑 120mm,采用鉆孔取芯機(jī)進(jìn)行施工,鉆孔深度 30cm。用快干水泥植入導(dǎo)向管,待快干水泥凝固后,在連續(xù)墻外側(cè)立模,澆筑 30cm厚的 C30混凝土作為止?jié){墻。

(2)鉆孔

采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)從止?jié){墻上埋設(shè)的導(dǎo)向管進(jìn)行鉆孔,成孔直徑 50mm。

鉆孔過程中若遇涌水、涌砂現(xiàn)象,則立即將注漿軟管與盲板連接,用螺栓與導(dǎo)向管法蘭盤連接后注入水泥水玻璃雙液漿。如未出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象,則鉆深 8 m后進(jìn)行注漿。鉆桿頂進(jìn)時(shí),注意保護(hù)管口不受損、變形,以便與注漿管路連接。

(3)注漿

注漿時(shí),采取低壓力中流量注入,注漿過程中壓力逐步上升,流量逐漸減少,當(dāng)壓力升至注漿終壓時(shí),繼續(xù)壓注 5min,即可結(jié)束注漿。注漿時(shí)通過控制注漿壓力控制注漿量。當(dāng)注漿壓力較小而注漿量較大時(shí),增大水泥漿的濃度,直至終壓達(dá)到 3MPa,持續(xù)注漿至設(shè)計(jì)孔位深度。最終注漿控制以注漿壓力為控制標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到容許注漿壓力即停止注漿。

(4)施工記錄(表2)

以 12號(hào)、14號(hào)、15號(hào)孔為例,記錄施工時(shí)鉆孔及注漿情況,即鉆孔過程中的地質(zhì)變化情況、注漿量、注漿壓力。

表2 施工記錄

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為檢驗(yàn)水平深孔注漿加固效果,采取豎向取芯及洞門內(nèi)水平取芯進(jìn)行檢測(cè)。

(1)豎向取芯檢測(cè)

在砂層中,特別要注意加固體連續(xù)性和整體性是否良好,故根據(jù)加固體抽芯情況,目測(cè)判斷加固體是否連續(xù)、強(qiáng)度可否滿足設(shè)計(jì)要求,圖4為取芯樣品。通過試驗(yàn)判斷加固體強(qiáng)度、抗?jié)B性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 取芯樣品

(2)水平取芯檢測(cè)

沿洞門內(nèi)加固體范圍內(nèi)打 4個(gè)水平探孔,觀察滲水情況。同時(shí)將 28、29、30、31號(hào)孔作為檢查孔。結(jié)果表明,探孔及檢查孔并無(wú)滲水情況,加固質(zhì)量可靠。

(3)端頭鋼筋破除后掌子面情況

圖5為端頭鋼筋破除后掌子面情況。從剝離后洞門掌子面情況明顯看出,整個(gè)洞門掌子面已經(jīng)被雙液漿充填,砂層部位也被雙液漿擠壓密實(shí),注漿取得了圓滿成功。

圖5 端頭鋼筋破除后掌子面情況

(4)施工重難點(diǎn)分析

結(jié)合本工程的實(shí)踐,施工重點(diǎn)控制為加固的均勻性、保證加固效果,避免盾構(gòu)始發(fā)過程中的漏水流砂事件的發(fā)生。難點(diǎn)為注漿的控制,包括漿液配比的調(diào)試、注漿壓力、注漿量的控制。

5 結(jié)語(yǔ)

通過水平深孔注漿施工,成功對(duì)洞門后方土體進(jìn)行加固,并成功出洞。通過本端頭加固工程的實(shí)施,主要得到以下結(jié)論。

(1)通過工程實(shí)踐表明,水平深孔注漿加固方式可應(yīng)用于富水、含砂土層的加固,并取得了較好的效果。

(2)水平深孔注漿加固采用水泥 -水玻璃雙液漿,漿液凝結(jié)時(shí)間短,且凝結(jié)性能好,使得加固土體有較好止水性。

(3)該注漿加固方式特別適應(yīng)于地表不具備注漿條件及存在地下管線的情況。

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