RJP高壓旋噴法及凍結(jié)法在盾構(gòu)接收端頭的組合運(yùn)用

陳　松

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 陜西 西安　710000)

0　引言

盾構(gòu)接收是盾構(gòu)法隧道施工的關(guān)鍵風(fēng)險點(diǎn)，端頭加固是保證盾構(gòu)安全接收的重要手段，若加固方法選擇不當(dāng)、加固效果控制不好，極易造成安全事故。端頭加固一般采用攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結(jié)法等傳統(tǒng)加固方法，但在周邊環(huán)境復(fù)雜且地質(zhì)條件差時，傳統(tǒng)的加固方法難以完全滿足工程需要。因此，有必要對復(fù)雜環(huán)境下的端頭加固技術(shù)進(jìn)行研究。

RJP工法是由日本RJP協(xié)會研發(fā)的新型高壓旋噴法[1]，于近年引入我國。田崇收[2]和朱磊[3]介紹了RJP工法在深層裙底止水帷幕施工中的應(yīng)用； 邵晶晶等[4]對RJP工法在超深基坑封底加固中的樁身質(zhì)量和環(huán)境影響進(jìn)行了試驗(yàn)評估，指出RJP工法對土體分層沉降具有良好的控制效果； 余立新[5]對RJP工法的加固機(jī)制和成樁質(zhì)量進(jìn)行了研究，指出RJP工法相比傳統(tǒng)旋噴法的優(yōu)勢。

凍結(jié)法是利用人工制冷將天然巖土變成凍土，以增強(qiáng)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的加固技術(shù)。國內(nèi)學(xué)者對凍結(jié)法在盾構(gòu)接收端頭的應(yīng)用進(jìn)行了研究。其中： 苗立新等[6]指出在凍結(jié)實(shí)施過程中應(yīng)以凍土壁溫度控制其強(qiáng)度； 王文燦[7]和趙亮等[8]在凍結(jié)法的基礎(chǔ)上分別增加了水平注漿和鋼套筒接收工藝，進(jìn)一步降低涌水、涌砂的風(fēng)險； 劉健鵬等[9]將凍結(jié)法與管棚注漿結(jié)合應(yīng)用，以管棚形成的承重壁控制敏感建筑物的沉降。

從上述研究來看，RJP工法本質(zhì)與傳統(tǒng)旋噴法相同，也屬于一種水泥土改良法，兼具成樁直徑大、加固質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，但因引入我國時間較短，RJP工法在地鐵盾構(gòu)端頭的應(yīng)用鮮見報道； 凍結(jié)法在軟弱富水地層中的加固止水效果良好，但伴隨凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹融沉對地層影響較大，因而難以控制敏感構(gòu)筑物變形。另有研究表明水泥改良土可有效抑制凍脹融沉[10]，基于此，本文研究復(fù)雜工況條件下將RJP工法及凍結(jié)法組合運(yùn)用于盾構(gòu)接收端頭的加固工藝，并獲得了凍結(jié)壁的發(fā)展規(guī)律及地表和管線的變形特征。

1　工程概況

天津地鐵5號線某車站盾構(gòu)接收端頭處上方分布有多條不可改遷的地下市政管線，其中包含1條DN700次高壓燃?xì)夤?，管底埋?.1 m，與隧道頂結(jié)構(gòu)凈距約6 m，同時隧道結(jié)構(gòu)下方規(guī)劃有10號線盾構(gòu)隧道近接下穿，結(jié)構(gòu)之間凈距約2.9 m。該處端頭加固工程需保證盾構(gòu)接收過程中管線位移不超限，并預(yù)留10號線隧道加固條件。工程平面布置見圖1。

圖1　工程平面布置

根據(jù)巖土工程勘察報告，該處工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，從上至下分布的地層主要有： ①1素填土、③1粉質(zhì)黏土、③22黏質(zhì)粉土、③24粉砂、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和③42黏質(zhì)粉土等。場地淺層地下水為第四系孔隙潛水，賦存于第Ⅱ陸相層與第Ⅴ陸相層之間的粉土、砂土層中的地下水具有微承壓性，為淺層承壓水?？辈炱陂g地下水埋深為0.40～3.60 m，主要賦存于人工堆積層、新近沉積層中的粉土、黏性土、粉砂、淤泥質(zhì)土層中。

2　端頭加固方案

2.1　加固工法比選

端頭加固常用方法有攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結(jié)法以及新型高壓旋噴法(RJP工法和MJS工法)。這些工法各具優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，在選擇時應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、安全性及經(jīng)濟(jì)性等因素。針對本工程，各加固方法適用性對比見表1。

表1　加固方法對比表

由于需預(yù)留10號線下穿條件，端頭場地雖然有管線限制，但也必須進(jìn)行地面垂直加固。由于工藝的限制，攪拌樁及旋噴樁工法一般主要用于普通場地； 凍結(jié)法會使土體產(chǎn)生凍脹、融沉，如果控制不當(dāng)將對上部燃?xì)夤芫€形成較大的安全隱患； RJP工法及MJS工法單孔成樁直徑大，可避開管線進(jìn)行地面垂直加固，但在本工程的場地條件下，成樁不能咬合，在止水上存在不足。經(jīng)過綜合分析，RJP工法+凍結(jié)法與MJS工法+凍結(jié)法2組工法組合均適用于本工程，但考慮到MJS工法施工工藝復(fù)雜、施工效率低、成本較高[11]，最終確定采用RJP工法+凍結(jié)法的組合加固方式。

2.2　加固范圍的確定

在設(shè)計時考慮了2種工法在加固工程中所起的作用，其中，凍結(jié)法側(cè)重于在5號線盾構(gòu)接收期間保證端頭土體穩(wěn)定及止水。RJP工法側(cè)重于： 1)改良土體，減小凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹及融沉對上部管線的影響; 2)增加土體強(qiáng)度，減小地層損失后的固結(jié)沉降； 3)預(yù)留10號線左線下穿條件。加固范圍分別依據(jù)2種工法的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行布置。

在端頭縱向加固長度理論計算方面，目前較認(rèn)可的是《地下鐵道設(shè)計與施工》[12]中推薦的強(qiáng)度及整體穩(wěn)定性2種驗(yàn)算方法。本工程參考并采用了較為直觀的基于土體強(qiáng)度的驗(yàn)算公式:

(1)

式(1)中參數(shù)取值見表2。計算得出端頭縱向加固長度L≥3.04 m，工程中取修正值3.5 m。橫向加固范圍主要以經(jīng)驗(yàn)取值為主，一般取到盾殼外1.5～3.0 m。

表2　強(qiáng)度驗(yàn)算參數(shù)表

在富水軟弱地層，為防止隧道洞周水土沿盾殼與巖土之間的空隙進(jìn)入接收井而造成地層流失及地表沉降，須保證盾尾在盾構(gòu)刀盤破壁進(jìn)入接收井時仍處于止水區(qū)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[13-15]及天津地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，端頭縱向加固長度取為11.5 m(計算加固長度修正值3.5 m+盾構(gòu)主機(jī)長度8 m)，車站端頭前3.5 m為主凍結(jié)區(qū)，采用全斷面凍結(jié)，其余8 m為次凍結(jié)區(qū)，采用環(huán)形斷面凍結(jié)。全斷面凍結(jié)區(qū)凍結(jié)至盾構(gòu)隧道外輪廓1.6 m(圓面，半徑4.7 m),環(huán)形加固區(qū)凍結(jié)至隧道輪廓外1.0 m(空心圓面，外徑4.1 m、內(nèi)徑3.1 m)。

根據(jù)10號線與5號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向的位置關(guān)系，RJP工法平面加固范圍為區(qū)間隧道外輪廓2.6 m范圍內(nèi)，豎向加固范圍為5號線隧道上方 3 m向下至10號線隧道上半斷面。盾構(gòu)接收端頭RJP工法及凍結(jié)法加固范圍見圖2。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

3　端頭加固施工

3.1　RJP工法施工及其參數(shù)

施工現(xiàn)場采用地質(zhì)雷達(dá)(GPR)對管線位置進(jìn)行精確探查，并結(jié)合圖2所示的設(shè)計樁位，對鉆孔位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。為保證成樁垂直度，防止RJP工法施工過程中鉆桿被土體抱死而產(chǎn)生埋鉆事故，在進(jìn)行加固施工之前進(jìn)行引孔施工，引孔直徑為180 mm，鉆孔至設(shè)計深度后(引孔垂直度誤差嚴(yán)格控制在1/200內(nèi))，孔內(nèi)下入套管，套管內(nèi)再下入RJP工法鉆桿，到位后噴漿成樁。RJP工法現(xiàn)場成樁32根，單樁實(shí)樁長度為15.2 m。施工前進(jìn)行現(xiàn)場試樁，根據(jù)試樁結(jié)果擬定RJP工藝主要參數(shù)(見表3)。

表3　RJP工藝技術(shù)參數(shù)表

3.2　凍結(jié)施工及參數(shù)

凍結(jié)法采用水平杯型凍結(jié)，在車站端頭井內(nèi)沿隧道面分4圈布置水平凍結(jié)孔，最外圈凍結(jié)孔長度為11.5 m，內(nèi)3圈凍結(jié)孔長度為3.5 m。凍結(jié)孔最大允許偏斜為150 mm,最大允許間距為1 000 mm。每側(cè)單洞布置58個凍結(jié)孔，12個測溫孔，2個卸壓孔，如圖3所示。凍結(jié)管采用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管，耐壓不低于0.8 MPa。

圖3　凍結(jié)孔布置圖(單位: mm)

設(shè)計積極凍結(jié)時間為30 d,在積極凍結(jié)7 d后，鹽水溫度應(yīng)降至-18 ℃以下； 在積極凍結(jié)15 d后，鹽水溫度應(yīng)降至-24 ℃以下； 在盾構(gòu)接收施工前應(yīng)達(dá)到以下要求： 1)鹽水溫度控制在-28～-30 ℃； 2)去、回路鹽水溫差不大于2 ℃； 3)凍土平均溫度不大于-10 ℃，車站端頭界面處凍土平均溫度不大于-5 ℃； 4)凍結(jié)孔單孔流量不大于5 m3/h。

盾構(gòu)接收完成后停止凍結(jié)，對最外圈凍結(jié)孔進(jìn)行充填注漿，并用鋼板封閉孔口。凍土采用自然解凍方式，解凍過程中利用管片注漿孔(每環(huán)16個注漿孔)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

4　施工監(jiān)測分析

4.1　凍結(jié)測溫分析

凍結(jié)監(jiān)測自凍結(jié)開機(jī)開始，至停機(jī)結(jié)束，共50 d。其中，內(nèi)圈測溫孔因洞門破除施工于第40天結(jié)束。

4.1.1干管鹽水溫度分析

干管鹽水時間-溫度曲線見圖4。由圖4可知：干管去、回路鹽水溫度隨時間的變化趨勢基本一致。在積極凍結(jié)初期，管路鹽水溫度迅速下降，這是因?yàn)榇藭r土體與凍結(jié)管鹽水溫度溫差較大，兩者熱交換劇烈。在維護(hù)凍結(jié)期，去、回路鹽水溫度總體保持穩(wěn)定，這是由于此階段冷量補(bǔ)給與土體冷量損失達(dá)到平衡。

圖4　干管鹽水時間-溫度曲線

4.1.2測溫孔溫度分析

4.1.2.1同一測溫孔不同深度溫度分析

T1測溫孔位于外圈凍結(jié)孔外側(cè)，為控制性測溫孔，其溫度隨時間變化曲線見圖5。由圖5可知： 在積極凍結(jié)期，孔內(nèi)各測點(diǎn)溫度持續(xù)下降。在維護(hù)凍結(jié)期，各測點(diǎn)溫度基本保持穩(wěn)定，其中測溫孔近、遠(yuǎn)端測點(diǎn)溫度較高，測溫孔中間測點(diǎn)溫度較低，最大溫差約9 ℃，其原因一是由于凍結(jié)區(qū)邊緣處凍土與外界熱交換量大，二是由于干管鹽水輸送途中冷量衰減。

界面指端頭地下連續(xù)墻外側(cè)面，下同。

圖5T1測溫孔時間-溫度曲線

Fig. 5Time-temperature curves of thermometer hole T1

4.1.2.2不同測溫孔同一深度溫度分析

選取不同圈徑處測溫孔T2、T3、T4、T6溫度進(jìn)行分析，各孔界面處溫度隨時間變化曲線見圖6。由圖6可知： 在整個凍結(jié)期間，所有測溫孔溫度下降速度均由快變慢最后趨于穩(wěn)定。其中，在積極凍結(jié)期，T4孔率先降至0 ℃，其后依次是T3、T2、T6孔，說明凍結(jié)壁是由內(nèi)圈向外圈發(fā)展的； 在維護(hù)凍結(jié)期，凍結(jié)壁溫度內(nèi)圈始終低于外圈，并且由內(nèi)而外逐漸升高，這是因?yàn)橥馊鼋Y(jié)壁與外界環(huán)境接觸最直接，其冷量損失最大，而內(nèi)圈凍結(jié)壁的冷量損失最小。

圖6　T2、T3、T4、T6測溫孔時間-溫度曲線

Fig. 6Time-temperature curves of thermometer holes T2,T3,T4 and T6

4.2　地表及管線位移監(jiān)測分析

自車站端頭起，每5 m布置1個地表位移監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)12個測點(diǎn)； 燃?xì)夤茌S線每5 m布置1個測點(diǎn)，地表及管線監(jiān)測點(diǎn)布置見圖7。

圖7　地表及管線監(jiān)測點(diǎn)布置平面圖

Fig. 7Plan of layout of monitoring points for ground surface and pipelines

監(jiān)測自凍結(jié)孔打孔開始到凍結(jié)停機(jī)后2個月結(jié)束，共計120 d。地表及管線監(jiān)測斷面最終位移曲線見圖8。

圖8　監(jiān)測斷面最終位移曲線

由圖8可知： 地表沉降變形呈“漏斗”狀，最大沉降值并非發(fā)生在左右線隧道軸線正上方，而是在兩線中心稍偏左位置，主要原因是隧道凈距較小，開挖卸荷影響區(qū)在兩線中間重疊，同時左右線盾構(gòu)分先后推進(jìn)，左側(cè)地層受二次開挖擾動影響相對較大。與地表沉降不同，燃?xì)夤艹两底冃纬省癢”狀，最大沉降值發(fā)生在隧道軸線正上方位置，原因是由于燃?xì)夤艿穆裰蒙疃任刺幵谧笥揖€開挖卸荷影響重疊區(qū)，或是處在左右線開挖卸荷影響重疊區(qū)下緣受影響較小處。

各監(jiān)測斷面最大沉降點(diǎn)分別是DB1-6、DB2-6、DB3-6、DB4-6、GX1-3,對上述各點(diǎn)在整個監(jiān)測周期內(nèi)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到其隨時間的位移曲線，見圖9。

圖9　最大沉降點(diǎn)時間-位移曲線

由圖9可知： 在前10 d打孔期間，各點(diǎn)發(fā)生不同程度的沉降，DB1-6沉降最大，達(dá)5.8 mm，這是因?yàn)榇蚩鬃鳂I(yè)必然擾動地層并造成水土流失，而DB1-6處在打孔最多的全斷面凍結(jié)區(qū)上方。第10～40天為積極凍結(jié)期，在此期間，DB1-6上升明顯，絕對隆起值將近8 mm，這是因?yàn)樵撎巸鼋Y(jié)壁較厚，發(fā)生了較大凍脹量，擠壓上方土體向上移動； 其余各點(diǎn)稍有位移但基本保持穩(wěn)定，究其原因是由于所在處的凍結(jié)壁較薄，又同時處在RJP工法加固范圍，凍脹量因土體改良而受到抑制，殘余凍脹量很小。第40～50天，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地層大量損失，各點(diǎn)迅速下沉，其后隨著同步注漿漿液凝結(jié)和盾構(gòu)管片拼裝成環(huán)，沉降值才趨于穩(wěn)定。在凍結(jié)停機(jī)后，GX1-3后續(xù)沉降很小，是因?yàn)槿細(xì)夤芫€處在RJP工法加固體正上方，受融沉影響較小； DB4-6后續(xù)沉降也很小，是因?yàn)樵擖c(diǎn)處在凍結(jié)區(qū)外圍，其受融沉影響同樣很??； DB1-6后續(xù)沉降較大且初期較快，其原因是此時凍結(jié)壁與管片直接接觸，兩者迅速發(fā)生熱交換，凍土溫度回升而產(chǎn)生融沉，另外初期的融沉包含了凍土融化后體積減小引起的沉降及水分遷移引起的排水固結(jié)沉降，而后期主要是排水固結(jié)沉降，因此初期沉降較快； DB2-6、DB3-6后續(xù)沉降量相對DB1-6小將近一半，結(jié)合管線的變形特征來看，DB2-6、DB3-6因正下方凍結(jié)壁解凍引起的融沉量很小，可以判斷這兩點(diǎn)的后續(xù)沉降主要是受到全斷面加固區(qū)土體融沉的影響。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地表最大沉降值為17.4 mm，管線最大沉降值為6.2 mm，監(jiān)測期間地表最大隆起值為2.1 mm,滿足地表+10 mm(隆起)和-30 mm(沉降)、管線±10 mm的位移控制要求。

5　結(jié)論與討論

1)在凍結(jié)期間，干管去、回路鹽水溫度變化趨勢一致，均為積極凍結(jié)期溫度下降快，維護(hù)凍結(jié)期溫度保持穩(wěn)定。凍土溫度監(jiān)測曲線顯示同一測溫孔中間位置溫度始終低于兩端，同一深度處內(nèi)圈測溫孔溫度始終低于外圈，表明凍結(jié)壁的發(fā)展規(guī)律為： 縱向是由中間向兩端發(fā)展，橫向是由內(nèi)圈向外圈發(fā)展。

2)位移監(jiān)測曲線顯示，在凍結(jié)及解凍過程中，管線發(fā)生了輕微的隆起或下沉，但總體保持穩(wěn)定，而管線正上方地表則發(fā)生了較為顯著的位移。這表明采用RJP工法改良土體抑制了凍結(jié)法引起的凍脹融沉，對控制性構(gòu)筑物起到了關(guān)鍵保護(hù)作用。

3)在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，地表及管線沉降較為迅速，是盾構(gòu)接收工程的主要控制性時間窗口。受左右線先后掘進(jìn)影響，地表最大位移發(fā)生在兩線中心靠左位置；管線最大位移發(fā)生在隧道軸線正上方。監(jiān)測結(jié)束時，地表最大沉降值為17.4 mm，管線最大沉降值為6.2 mm，均滿足位移控制要求，表明本工程采用的端頭組合加固方法及其設(shè)計參數(shù)是合理的。

需要指出的是，本工程施工中雖然利用了洞內(nèi)注漿孔進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿，但由于盾構(gòu)管片每環(huán)僅16個注漿孔，漿液難以全范圍覆蓋，另外注漿時機(jī)也不易控制，使得后期融沉仍然較大。后續(xù)應(yīng)考慮如何對注漿的方式方法進(jìn)行優(yōu)化，以提高補(bǔ)償注漿效果并減小融沉。