犀牛站電纜隧道盾構始發(fā)井端頭加固技術研究

張家樂 馮松寶

摘要：為了安全地進行犀牛站電纜隧道始發(fā)井施工，在對研究區(qū)工程地質和水文地質分析的基礎上，運用均布載荷模型計算了加固范圍，并且使用了三重管高壓旋噴樁法對始發(fā)井端頭進行了加固，最后對加固效果進行了檢驗。加固范圍為水平長度4 m，寬度為洞門直徑4.1 m，洞門左右各2 m共8.1 m，深度為洞門底部2 m，洞門頂部以上4 m，共10.1 m。旋噴樁間距為450 mm，造孔深度為13.5 m。旋噴作業(yè)采用隔孔作業(yè)。檢測結果顯示，5個加固體的抗壓強度都超過了質量要求的，最小的達2.3 MPa，5個水平觀察孔的總流量很小，幾乎沒有水滲出，表明此次加固效果很好，能夠很好滿足安全施工的需要。

關鍵詞：始發(fā)井；加固范圍；三重管高壓旋噴樁；加固效果

中圖分類號：TD353文獻標志碼：A[WT]文章編號：1672-1098（2014）02-0060-06

隧道嚴重滲漏水以及滲漏水對鋼結構腐蝕損壞等，為隧道的后期維護帶來了安全隱患。針對不同的地質條件和不同的工程質量要求，各個工程單位采取了相對應的加固措施。南京市中山門隧道通過裂縫補強、圍巖注漿、新增三襯、加強防排水體系等多方面進行綜合治理，使得新增三襯混凝土結構滿足了安全系數的要求[1]。

南京地鐵二號線莫愁湖至茶亭區(qū)間由于是富水性軟弱地層，采用高壓旋噴與三軸攪拌樁方法進行了加固，檢測結果能夠保證盾構機能安全的接受[2]。

坪崗2號隧道Ⅳ級圍巖淺埋段在進行開挖前，采用三重管高壓旋噴樁從地表加固洞周圍巖，開挖以后，監(jiān)測數據顯示隧道周壁任意點的相對累計位移值小于6 cm，拱頂沉降速度小于0.09 mm/d，墻腰收斂速度小于0.12 mm，達到了預期目的[3]。

為了保證犀牛站電纜隧道盾構始發(fā)井安全施工，同時又保證速度快，無滲水盲區(qū)，工程質量高，勞動強度低，材料消耗小等優(yōu)點的情況下，采用高壓三重管旋噴施工技術，加固了始發(fā)井端頭。

1研究區(qū)概況

1.1工程地質

本電纜隧道始發(fā)端位于220 kV犀牛變電站， 電纜隧道沿線地貌主要為低山丘陵與河流階地接壤地帶。 根據有關區(qū)域地質資料及本次勘探披露該段地層自上而下依次為第四系人工堆積層； 第四系沖積層； 第四系殘坡積層； 第四系殘積層； 下伏基巖為燕山晚期花崗巖為主， 始發(fā)端剖面圖如圖1所示。

1） 第四系人工堆積層。第（1-1）層雜填土：淺灰、紅褐色，稍濕，結構松散，成分主要為建筑磚石碎塊及粉質粘土，含生活垃圾。最薄處為0.70 m，最厚處為6.00 m；

第（1-2）層素填土：黃褐色、褐紅色，稍濕，松散，成分以坡殘積物粉質粘土為主，混有生活垃圾及多量碎石、碎塊。最薄處為0.80 m，最厚處為10.20 m，平均厚度為4.43 m。

2） 第四系沖積層。第（2-2）層淤泥質土：灰黑色，深灰色，飽和，流塑，含粉細砂及多量有機質、腐質殖，具腐臭味，土的粘性較好。最薄處為1.40 m，最厚處為4.00 m，平均厚度為2.70 m。第（3-1）層粉細砂：灰白、淺灰色，飽和，稍密，砂質均勻，含粘性土及少量礫石，局部夾薄層粉質粘土。最薄處為2.60 m，最厚處為2.60 m，平均厚度為2.50 m。第（4-1）層粉質粘土：青灰色，淺灰色，濕，可塑，土的粘性較好，含中細砂粒，局部含大量中粗砂粒。最薄處為1.30 m，最厚處為5.40 m，平均厚度為2.88 m。第（5-2）層中砂：灰白-褐黃色，飽和，中密，顆粒級配好，局部含石英礫石。最薄處為0.50 m，最厚處為4.90 m，平均厚度為2.56 m。第（6）層粉質粘土：褐黃色，濕，可塑，土的粘性一般，含多量石英砂礫，膠結緊密，局部呈硬塑狀。最薄處為1.60 m，最厚處為11.30 m，平均厚度為5.62 m。第（7-2）層中砂：褐黃色，淺黃色，飽和，密實，顆粒級配好，含多量粗砂粒及石英礫石，含粘性土。最薄處為0.70 m，最厚處為7.50 m，平均厚度為3.49 m。

3） 第四殘坡積層。第（8-1）層粉質粘土：褐紅-褐黃色，濕，可塑，含多量石英砂礫，次棱角狀，屬坡積物。最薄處為2.00 m，最厚處為13.30 m，平均厚度為7.34 m。

4） 第四殘積層。第（9）層砂質粘性土：紅褐色，褐黃色，濕～稍濕，可～硬塑，含多量石英砂礫及母巖殘屑，為花崗巖殘積物，遇水易軟化。最薄處為2.50 m，見于最厚處為20.70 m；平均厚度為8.99 m。

5） 燕山期花崗巖。第（10-1）層為全風化花崗巖：灰褐色，原巖風化劇烈，礦物除石英外，基本風化呈土，呈堅硬土狀，含大量石英砂礫，遇水易軟化、崩解。最薄處為1.7 m，；最厚處為10.0 m，平均厚度為4.84 m。第（10-2）層強風化花崗巖：黃褐色，褐灰色，原巖風化強烈，結構較清晰，礦物部分風化呈土，呈半巖半土狀，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈土柱狀，手可捏散。局部分布，最薄處為1.20 m；最厚處為15.20 m，平均厚度為6.58 m。1.2

水文地質地下水類型主要為：第一類型（1）層為人工填土中的上層滯水，其補、排方式為大氣降水和大氣蒸發(fā)；第二類型（3-1）層、（5-2）層、（7-2）層砂層的孔隙水具有承壓性或局部承壓性，含水量較豐富，其補給排方式主要為大氣降水和地下徑流，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)和地下徑流?？辈炱陂g測得地下混合水位在1.10～12.80 m，地下水位標高在27.18～45.59 m。根據本次水質分析結果，地下水中相關指標對混凝土及混凝土中鋼筋未達到腐蝕等級，對鋼結構具弱腐蝕性。

2加固方案設計

2.1加固范圍計算

1） 水平加固長度。本次研究在計算時采用的是均布載荷模型[4]。最小水平加固長度的計算公式為D為工作井洞門直徑，t為水平加固范圍；p為作用于洞門中心處的側向水土壓力，對于砂性土，水壓力和土壓力分別計算，對于黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮；μ為加固土體的泊松比；σt為加固土體的極限抗拉強度，一般可取極限抗壓強度的10 %，即 σt=qu/10；τc為加固土體的極限抗剪強度，根據經驗取值，τc=qu/6；k1，k2為安全系數，一般取 1.5?？紤]以往工程的加固經驗以及其他研究者的加固經驗，加固區(qū)土體無側限抗壓強度不低于1.0 MPa，側向水土壓力為0.1 MPa，泊松比μ為0.3，帶入公式可得[3（3+μ）k1pD2/32σt]0.5=2.79，k2pD/4τc=0.91，此時t=2.79考慮土體滲透性要求，始發(fā)端按有水始發(fā)考慮，水平加固長度取4.0 m。

2） 加固寬度和深度范圍。隧道加固深度范圍H1=H2=K（R-D/2） （2）根據土體松動圈半徑計算公式，算得松動圈半徑為3 m，則隧道上下加固范圍，考慮盾構本身尺寸要求，

2.2 施工工藝

高壓三重管旋噴樁的工藝原理是用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動土體，同時用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時與被攪動土體混合形成固結體，通過樁間的咬合搭接最終形成防滲墻，達到止水加固的效果。其工藝流程如圖3所示。

2.3 施工方法

1） 定孔?？组g距為450 mm。布孔時，布孔誤差控制在±50 mm范圍以內，確有特殊原因時不得超過100 mm。

2） 造孔。造孔是旋噴工程必不可少的先導工序，其深度應滿足設計深度，本工程為13.5 m，其孔位偏差小于50 mm，孔底偏斜率小于1%。造孔過程應進行嚴格控制，其方法如下：① 移機就位鉆孔時鉆機移至孔位裝上鉆具，其中心對準孔位中心，立軸水平，用水平尺兩個垂直方向正反測量校準。

② 鉆進鉆孔嚴格按鉆孔施工工藝進行，嚴格控制垂直度在允許范圍之內。檢測控制方法，用水平尺兩個垂直方向靠在主動鉆桿上檢測，不許超過 5mm。個別孔斜稍有超差可在后續(xù)噴射工序適當調整參數予以彌補。施工必須分兩序孔間隔進行鉆孔，且兩序孔噴夾角方向相反。鉆孔深度一定要達到指定地層。

③ 泥漿護壁粉土和礫石地層，鉆進過程都是極易坍塌的。鉆孔完成后尚需保持一定時間完好，控制好泥漿至關重要，一般在鉆進至3 m左右的地層時，加以少量泥漿護壁。泥漿控制指標比重為1.1～1.3g/cm3 粘度18s以上，泥漿應充分循環(huán)利用，既可以降低成本又可減少環(huán)境污染。

3） 旋噴作業(yè)。旋噴作業(yè)時采用隔孔作業(yè)，即跳過相鄰孔對下一孔進行噴射。然后再對剩下的樁進行噴射。① 水、氣、水泥漿的主要參數。水壓：30～35 MPa，漿壓：0.5～2.0 MPa，氣壓：0.6～0.7 MPa；漿液水灰比：1∶1～1∶1.5，比重1.6～1.7 g/cm3；流量： 水： 60～80 L/min， 漿： 80～120 L/min，氣：3～6 m3/min； 水泥用量： 320～350 kg/m（普通硅酸鹽水泥）。② 提管旋噴。當噴射管達到預定地層后，先送空氣、高壓水，再將水泥漿送入孔中靜噴少頃，待孔口回漿的比重>1.3 g/cm3開始提管，連續(xù)進行；若孔口回漿的比重<1.3 g/cm3時，應降低提速或停止提管。在噴射過程中，應注意觀察回漿情況，以了解土層情況、噴射注漿的大致效果以及技術參數是否合理，噴射加固沙層時，應多次反復噴射?；貪{量為注漿量的20%左右為正常現象，若回漿量過大，可采取減少注漿量、加快提升及提高噴射壓力等措施。為確保旋噴樁質量，旋轉速度控制在8～12 rpm，提升速度控制在6～12 cm/min，并同步作好施工記錄。當旋噴注漿管作業(yè)提升到設計標高時，旋噴作業(yè)即告結束?？紤]到漿液凝固收縮，停漿位置應提高0.5～1.0 m；在發(fā)現孔口漿下降后進行回灌補漿或第2次注漿。

4） 循環(huán)利用。在鉆進和旋噴過程中，充分循環(huán)利用返出的漿液。首先在端頭北側設有沉淀池，然后通過溝渠或排污泵將返出的漿液引進沉淀池，待漿液沉淀后，再利用水泵將上層清水泵送到攪拌池進行二次利用。

5） 最后清理施工現場，施工完成28 d后對加固體進行抽芯檢查，發(fā)現有斷樁、空樁和結合不嚴密等情況要針對性補漿。

3加固效果檢測

3.1 加固質量要求

施工完畢后，對旋噴樁加固體進行鉆芯取樣檢驗，旋噴樁不得小于2.0 MPa，檢測數量不得小于1%且不得少于5根，本工程三重管旋噴樁162根，計劃對旋噴樁檢測5根。若達不到設計要求，或發(fā)現有斷樁、空樁和結合不嚴密等情況，應及時采取注漿或復噴的方式補強。水平探孔擬在洞門處上、中、下、左、右均布五個水平探孔，鉆進深度約3 m，以探明加固體止水效果，如出現涌水涌泥等情況，應及時采取注漿或復噴的方式補強。

3.2 檢測結果分析

在注漿完成28 d后進行加固效果檢查，一方面在加固范圍內取芯，分別在兩個旋噴樁芯，離樁芯分別為10 cm、20 cm、35 cm的地方，進行全取芯鉆孔如圖4a所示。取樣主要觀察巖芯，檢測加固體的連續(xù)性及強度。檢測結果如表2所示。

分析表2可知：所取的五個巖心試件抗壓強度值最小的11-（3-4）號試件也達到了2.3 MPa，最大達到21.5 MPa，檢測結果滿足要求。另一方面在洞門連續(xù)墻上打5個3.0 m深的水平觀測孔（見圖4b），在觀測孔上安裝球閥，每天對觀測孔進行觀察，5孔總出水量<30 L/h，且不得有砂土流出。若出水量較大，則進行有針對性的補漿，最終達到止水效果。觀測孔檢測表明，5個孔均未出現滲水、漏水現象，滿足設計要求。

4 結論

1） 結合犀牛端端頭的工程地質和水文地質條件，計算了犀牛站端頭始發(fā)井的加固范圍，水平加固長度為4.0 m，加固寬度為洞門直徑左右各2 m，共8.1 m，加固深度為洞門底部以下2 m，至洞門頂部以上4 m。

2） 三重管高壓旋噴注漿技術對犀牛站端頭始發(fā)井的加固是一種很好的選擇。經過本次加固，盾構安全通過始發(fā)井，沒有出現滲水、漏水現象，旋噴樁加固體的抗壓強度高，可以滿足安全需要，符合端頭加固的要求，且效果非常好。

參考文獻：

[1]徐建明.隧道加固和綜合改造設計[J].山西建筑，2011，37（29）：150-151.

[2]趙立鋒，付黎龍. 富水軟弱地層盾構隧道施工端頭加固技術研究[J].隧道/地下工程，2008（9）：83-85.

[3]闕壽洪. 高壓旋噴樁在隧道圍巖加固中的應用[J].公路交通技術，2009（2）：130-133.[4]裴書鋒，李倩倩，郭 朝，等. 電力盾構隧道端頭加固范圍計算及始發(fā)模擬[J].隧道建設，2012，32（6）：832-837.

（責任編輯：李麗 范君）