含水疏松沙層隧洞地層加固方法對(duì)比

牛 軍

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730000)

含水疏松沙層隧洞地層加固方法對(duì)比

牛 軍

(甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，甘肅 蘭州 730000)

引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞在樁號(hào)60+931.0～改60+875.6段為含水疏松粉細(xì)沙層段，先后分段采用了帷幕灌漿、水平旋噴樁、水平凍結(jié)法等地層加固方法，對(duì)此地層三種加固方法結(jié)合實(shí)際施工情況，分別從施工技術(shù)、施工方案、施工過程及施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)這四個(gè)方向進(jìn)行介紹，并進(jìn)行相關(guān)對(duì)比。

隧洞,含水疏松沙層,帷幕灌漿,水平旋噴樁,水平凍結(jié)法,分析,對(duì)比

引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞設(shè)計(jì)縱坡i=1/1 650，圓形斷面，開挖直徑5.75 m，襯砌后凈直徑4.96 m。設(shè)計(jì)采用1臺(tái)單護(hù)盾TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)及C45鋼筋混凝土管片拼裝襯砌的施工。TBM從出口掘進(jìn)至樁號(hào)60+931.0位置進(jìn)入含水疏松沙地層，掌子面和已襯砌部分管片出現(xiàn)具承壓的涌水涌沙，泥沙陸續(xù)涌入盾體內(nèi)造成TBM主機(jī)部分約3/4的部位被埋。由于施工遇到了難以預(yù)知和難以攻克的地質(zhì)問題，在采取各種措施脫困后TBM仍無法恢復(fù)掘進(jìn)，出口工作面遂停止TBM掘進(jìn)施工。樁號(hào)60+931.0～改60+875.6段為含水疏松沙層，施工區(qū)域埋深約240 m。疏松砂層自穩(wěn)性差，成洞困難，開挖后極不穩(wěn)定，坍塌嚴(yán)重，掌子面極易涌水涌砂。為此，先后分段采用了帷幕灌漿、水平旋噴樁加固、水平凍結(jié)加固等地層加固方法?，F(xiàn)就此三種地層加固方法結(jié)合實(shí)際施工進(jìn)行對(duì)比。

1 帷幕灌漿

1.1帷幕灌漿施工技術(shù)

帷幕灌漿施工是將漿液灌入地層的裂隙、孔隙，在地層中形成連續(xù)的隔水帷幕，減小水在地層中流動(dòng)性，達(dá)到加固地層目的，以保證開挖和構(gòu)筑施工的安全。

1.2總體施工方案

第一步：對(duì)前方地層進(jìn)行帷幕灌漿加固。首先在樁號(hào)60+931.0處設(shè)置止?jié){墻(厚約2 m)，傾角為65°(往進(jìn)口方向傾斜)。注漿孔布置和注漿預(yù)測(cè)效果見圖1。本循環(huán)灌漿縱向長(zhǎng)度為15 m，有效加固長(zhǎng)度扣除2 m厚止?jié){墻后為13 m，徑向加固范圍為開挖輪廓線外5 m。完成本循環(huán)灌漿后預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)開挖8 m。

第二步：在灌漿效果檢查完畢并合格以后，在拱頂180°范圍布設(shè)管棚，布設(shè)完成后拆除止?jié){墻并向前開挖。

1.3施工過程

灌漿材料采用普通硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，輔助普通水泥—水玻璃雙液漿。灌漿施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿情況對(duì)灌漿材料進(jìn)行合理選擇，同時(shí)對(duì)漿液配比進(jìn)行調(diào)整。

灌漿順序按照“由外到內(nèi)、間隔跳孔”的原則進(jìn)行，以達(dá)到控域灌漿、擠密加固的目的；灌漿過程中可在灌漿工作面選取5個(gè)～6個(gè)灌漿孔，鉆至設(shè)計(jì)深度，不灌漿退鉆，作為排水、排砂孔，以提高地層可灌性的目的。

設(shè)計(jì)單孔灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：灌漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到5 MPa～7 MPa時(shí)，即可結(jié)束該孔灌漿，或當(dāng)灌漿量達(dá)到2.0 m3/m、壓力仍不上升時(shí)，要調(diào)整漿液凝固時(shí)間，同時(shí)采取小量多次原則，以保證注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，方可停止該孔灌漿。

實(shí)際灌漿過程中，灌漿壓力迅速上升，流量急劇下降，灌漿壓力很快達(dá)到5 MPa～7 MPa后，灌漿壓力仍持續(xù)上升，最大達(dá)到30 MPa，單孔平均灌漿量仍不足0.5 m3/m。地層隨著注漿量的增加，導(dǎo)致注漿壓力達(dá)到較高壓力，注漿量都很小，最終不得不終止所有孔灌漿。

1.4分析

該含水疏松沙層中主要為粉細(xì)砂，漿液在地層中流動(dòng)性較差，在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，通過灌漿很難達(dá)到理想的阻水帷幕。

2 水平旋噴樁加固

2.1水平旋噴樁施工技術(shù)

噴射注漿法又稱旋噴法注漿，簡(jiǎn)稱旋噴樁。水平旋噴是以高壓泵為動(dòng)力源，通過水平鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、噴嘴把配制好的漿液噴射到土層中。在噴嘴作緩慢進(jìn)退和旋轉(zhuǎn)的過程中，噴射出的漿液把一定范圍內(nèi)的土層切削、摧毀，與漿液在原位充分?jǐn)嚢杌旌?，形成大致水平的柱狀水和泥土的固結(jié)體，即水平旋噴樁；當(dāng)多個(gè)旋噴樁相互咬合后，在隧洞開挖區(qū)域周圍形成封閉的帷幕，防止地層中水滲透的同時(shí)，還起到一定的支護(hù)作用。

2.2總體施工方案

從樁號(hào)改60+875.6處設(shè)置止?jié){墻(厚約2 m)，傾角為65°(往出口方向傾斜)。在止?jié){墻向外100 mm處設(shè)置一圈水平旋噴樁，樁徑為550 mm，樁間距為400 mm，旋噴樁長(zhǎng)度18 m，傾角1°，共計(jì)49根(見圖2)，環(huán)間搭接約5 m，實(shí)際開挖約13 m。

2.3施工過程

根據(jù)設(shè)計(jì)先打設(shè)中間孔，再打設(shè)外圍孔。采用水平定向鉆機(jī)打設(shè)水平孔。鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，拔出鉆桿，通過水平鉆機(jī)、鉆桿、噴嘴以35 MPa～40 MPa的壓力把配制好的漿液噴射到土層內(nèi),借助流體的沖擊力切削土層，同時(shí)鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉(zhuǎn)，一面低速(15 cm/min～30 cm/min)緩慢外拔，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌?，膠結(jié)硬化后形成直徑比較均勻，具有一定強(qiáng)度(因地質(zhì)情況不同強(qiáng)度為1.0 MPa～8.0 MPa)的樁體，從而使地層得到加固。

當(dāng)所有旋噴樁施工完成后，通過取芯，旋噴樁之間相互咬接較差，部分樁間取芯發(fā)現(xiàn)樁間沒有咬接，同時(shí)旋噴的均勻性較差、斷樁較多，無法滿足開挖施工需要。

2.4分析

水平定向鉆機(jī)在打設(shè)水平孔過程中，鉆桿受重力影響，向下偏并有一定弧度；同時(shí)，受地層、操作等影響，水平鉆孔自身有一定的誤差，從而導(dǎo)致各樁間的方位角偏差較大，造成旋噴樁之間相互咬接較差，部分樁間沒有咬接。

由于所施工地層為含水粉細(xì)沙層，水平高壓旋噴過程中，旋噴速度、拔鉆速度、噴漿壓力、單位時(shí)間噴漿量等技術(shù)參數(shù)不易控制，從而導(dǎo)致形成的旋噴樁均勻性較差，有部分?jǐn)鄻冻霈F(xiàn)。

3 水平凍結(jié)法加固

3.1水平凍結(jié)法施工技術(shù)

凍結(jié)法是利用人工制冷設(shè)備，把地層中的水和土膠結(jié)成凍土，并有一定厚度和強(qiáng)度，以隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工。

3.2總體施工方案

在帷幕灌漿和水平旋噴樁加固均未成功之后，先對(duì)帷幕灌漿段從樁號(hào)60+931處向進(jìn)口方向進(jìn)行全斷面水平凍結(jié)加固地層，然后進(jìn)行礦山法暗挖并一次支護(hù)至60+909.6處，接著從水平旋噴樁段改60+875.6和60+909.6處相向同時(shí)水平凍結(jié)加固地層。

設(shè)計(jì)從樁號(hào)60+931處向進(jìn)口方向水平凍結(jié)長(zhǎng)度25 m，開挖并支護(hù)21.4 m；設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚2.5 m，凍結(jié)孔64個(gè)(凍結(jié)孔布置平剖面圖見圖3)，積極凍結(jié)50 d，凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行開挖支護(hù)施工。

從樁號(hào)改60+875.6和60+909.6處相向同時(shí)水平凍結(jié)加固地層，設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚2.5 m，兩個(gè)斷面共布置凍結(jié)孔69個(gè)(凍結(jié)孔布置平剖面圖見圖4)，積極凍結(jié)60 d，凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行開挖支護(hù)施工。

3.3施工過程

在實(shí)際施工過程中，先進(jìn)行凍結(jié)孔水平鉆孔和凍結(jié)機(jī)房安裝施工，然后進(jìn)行積極凍結(jié)施工，在凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，最后進(jìn)行開挖和構(gòu)筑施工。兩段凍結(jié)均按原計(jì)劃工期，安全順利的完成開挖及構(gòu)筑施工。

3.4分析

地層水平凍結(jié)法加固施工是把天然巖土變成有一定厚度和強(qiáng)度的凍結(jié)帷幕，開挖和構(gòu)筑施工在凍結(jié)內(nèi)幕內(nèi)進(jìn)行。其在地基加固方面，適用范圍廣，成功率可達(dá)100%，在安全、工期和造價(jià)方面均可控。

4 結(jié)語(yǔ)

在同一程種地層中，使用三種地層加固工法，通過對(duì)三種工法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)帷幕灌漿和水平旋噴樁加固地層有一定的局限性，適用性差，成功率低，在安全、工期及造價(jià)方面，均不可控；而凍結(jié)法施工適用性強(qiáng)，在其他加固工法不成功的條件下，可以有效完成地層凍結(jié)加固施工，保證工程安全順利完成。

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Comparisonofstrengtheningmethodsforwater-drawingsand-layertunnel

NiuJun

(GansuProvinceYintaoProjectConstructionManagementBureau,Lanzhou730000,China)

Main channel Yintao water supply project of No. 7 tunnel in pile No. 60+931.0 to 60+875.6(changed) segment for water bearing loose silt sand, has adopted in different sections of curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing reinforcement method of formation. The formation of three reinforcement methods combined with the actual construction situation, respectively from the construction technology, construction scheme, construction process and construction experience of the four directions are introduced, and the related comparison.

tunnel, waterborne loose sand layer, curtain grouting, horizontal jet grouting pile, horizontal freezing method, analysis, contrast

1009-6825(2017)28-0163-02

2017-07-26

牛 軍(1964- )，男，高級(jí)工程師

U455

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