固化灰漿防滲墻在盾構(gòu)接收端頭加固中的應(yīng)用

黃 亞 梅趙 雅 玲14王 立 華3514孟 慶 紅14莊 史 彬14

( 1.廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511340； 2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 511340； 3.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 511340； 4.廣東省水利水電建設(shè)工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 511340； 5.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 511340)

盾構(gòu)機的接收是隧道盾構(gòu)法施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因盾構(gòu)接收時殼體與接收井洞門之間不能完全貼合密封，形成環(huán)狀空隙，盾構(gòu)接收端頭(接收井洞門附近)井外土體(尤其是自穩(wěn)性和防水性差的富水砂層)在滲水的作用下，將通過空隙竄入井內(nèi)，產(chǎn)生大量坍塌、涌水，使施工無法進行[1-2]。為避免施工風(fēng)險，確保盾構(gòu)進洞安全，需對盾構(gòu)接收端頭地層進行防滲、降水、固結(jié)等加固預(yù)處理。傳統(tǒng)的加固預(yù)處理方法在經(jīng)濟、技術(shù)、質(zhì)量上還存在一些不足[3-6]，如噴射注漿法、深層攪拌法受制于目前的技術(shù)水平，很難保證樁體絕對豎直，與接收井井壁不能良好接觸，且各樁體間下部搭接不連續(xù)，導(dǎo)致開叉，形成滲漏通道[1-2]，容易造成盾構(gòu)接收事故；化學(xué)注漿中的水泥水玻璃注漿不適用于粉細(xì)砂層及軟黏土層，酸性水玻璃注漿因引入了酸性化學(xué)溶液，會對地下水及土體造成污染，且化學(xué)注漿費用高[4]；冷凍法會使接收井井壁產(chǎn)生凍脹變形，影響安全，需進行凍脹防護[5]，且設(shè)備龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，工期長、費用高[6]。而采用防滲墻圍封與旋噴樁局部加固相結(jié)合的方法可克服上述不足。但采用鋼筋混凝土、素混凝土、粉煤灰混凝土等剛性材料[7]建造的防滲墻其強度高，經(jīng)長距離掘進的盾構(gòu)機刀具磨損嚴(yán)重，破碎防滲墻體難度大；而采用柔性材料如塑性混凝土、自凝灰漿[8]和固化灰漿建造的防滲墻，其強度比剛性混凝土小得多，嚴(yán)重磨損的刀具也可輕易將其破碎。其中固化灰漿與塑性混凝土相比，可通過調(diào)整配比在更大范圍內(nèi)選擇所需要的強度、凝結(jié)時間和力學(xué)性能指標(biāo)，與自凝灰漿相比，其防滲性能好且凝結(jié)時間不受造孔時間的影響[9]。因此，在湛江灣跨海隧道施工中，盾構(gòu)接收端頭加固處理的圍封防滲結(jié)構(gòu)采用固化灰漿防滲墻。

1 防滲墻圍封設(shè)計

湛江市鑒江供水樞紐是為解決湛江鋼鐵基地及外圍東海島、坡頭區(qū)供水水源而興建的擋潮蓄淡兼有灌溉、航運功能的水利樞紐，主輸水管線長26.40 km。長2.75 km的湛江灣跨海盾構(gòu)隧道是輸水工程的一部分，其盾構(gòu)接收井位于南三島海邊堆積階地水塘內(nèi)，距海邊270.0 m，地下水位距井口僅2.5 m。接收井四周砂層具中等-強透水性[3]，盾構(gòu)接收端頭土層加固采用防滲墻圍封與旋噴樁局部加固相結(jié)合的方式。

防滲墻在接收井洞門前端設(shè)置3道，與接收井的井壁圍封成一個封閉區(qū)間，在洞門前設(shè)置了5排旋噴樁固結(jié)體，以增強洞門土體穩(wěn)定性。為便于已掘進了2.75 km隧道，刀盤磨損嚴(yán)重的盾構(gòu)順利穿過，接收井洞門正面的防滲墻采用固化灰漿建造 (其余防滲墻成墻材料采用C10混凝土)。盾構(gòu)接收端頭加固布置見圖1。固化灰漿防滲墻體的具體指標(biāo)要求為：防滲墻厚1.0 m，深52 m，滲透系數(shù)k小于9×10-5cm/s，28 d無側(cè)限抗壓強度為0.1～0.5 MPa。

2 固化灰漿配合比試驗

固化灰漿[7，9-11]是指在已建成的槽孔內(nèi)以護壁泥漿為基本漿材，在其中加入水泥、水玻璃、粉煤灰等固化材料，經(jīng)攪拌均勻后固化而成的一種低強、低彈和極限應(yīng)變較大的柔性墻體材料。固化灰漿防滲墻墻體漿材由護壁用泥漿和固化漿材兩部分組成。固化灰漿防滲墻在國內(nèi)已有一些應(yīng)用報道，但固化灰漿配制技術(shù)和成墻工藝尚沒有統(tǒng)一的規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，均依賴各應(yīng)用單位自身的經(jīng)驗摸索。

2.1 固化灰漿材料

試驗用護壁泥漿材料采用鈉基膨潤土(表觀密度為2.61 g/cm3，黏粒含量為64.68%，含砂率為8.00%，含水率為3.07%)、普通自來水配制，固化漿材采用水玻璃(40波美度、密度為1.38 g/cm3)、水泥(海螺牌P·C32.5級)。根據(jù)文獻[11]的要求，膨潤土護壁泥漿的密度確定為1.1 g/cm3，其材料配比固定不變。

2.2 試驗試件成型方法

護壁泥漿和固化漿材按計算用量分別在灰桶中配制并攪拌均勻，將固化漿材倒入護壁泥漿中攪拌均勻，然后將混合均勻的固化灰漿裝入試模制作試件。開始時，采用15 cm×15 cm×15 cm的裝配式鐵模作試模，但固化灰漿中的水會從裝配式鐵模的接縫縫隙中流出，使其水灰比改變而導(dǎo)致試驗結(jié)果失真，且嚴(yán)重失水會造成試件塌陷無法成型；后改用同規(guī)格的一體式塑料模，但壓入氣體脫模時，試件易變形或破碎，脫模困難。

為滿足固化灰漿試件成型要求，模擬固化灰漿施工工藝，并能檢測固化灰漿的穩(wěn)定性[7](固化灰漿柱的上半部分和下半部分密度之差)及固結(jié)收縮率，設(shè)計了一種固化灰漿試件的成型模具和成型方法。即采用內(nèi)徑150 mm、高1 050 mm的PVC管成模，在PVC管的底部用摻水玻璃的水泥砂漿封底防漏，將配制好的護壁泥漿倒?jié)MPVC管并用小PVC管攪拌均勻，然后仿照防滲墻成墻施工工藝，將配制好的固化漿材通過漏斗和小PVC管灌入PVC管模內(nèi)(見圖2)，PVC管模中的護壁泥漿自行流出。然后采用氣壓或攪拌方法使PVC管模內(nèi)的固化灰漿混合均勻，待固化灰漿凝結(jié)成固結(jié)體且達到相應(yīng)齡期后，可用鋼尺量出其收縮值，計算出固化灰漿的收縮率。用鋼鋸鋸掉PVC管模頂、底部各約70 mm后，將剩余部分鋸斷成高150 mm的試件段6個，再用鋼鋸將試件段的PVC管鋸開，即可取出固化灰漿試件，然后進行穩(wěn)定性、抗壓強度、滲透性等檢測。

2.3 試驗結(jié)果

當(dāng)固化漿材水灰比為0.40時，漿材倒入漏斗灌注時不能自主流入，需采用鋪助手段，不利于現(xiàn)場施工；當(dāng)水灰比為0.55，水泥用量為250 kg/m3時，28 d強度為0.077 MPa，強度偏低不符合設(shè)計要求。當(dāng)水灰比為0.55，水泥用量為300 kg/m3時，固化灰漿失去流動性的時間為4.5 h，試驗結(jié)果見表1～3。

表1 灰漿固結(jié)后縱向收縮率Tab.1 Longitudinal shrinkage of solidified slurry %

表2 試模內(nèi)不同深度固結(jié)體密度Tab.2 Consolidation density at different depth in the test mold g/cm3

注：試件編號自上而下編號分別為1～6號，下同。

表3 試模內(nèi)不同深度固結(jié)體抗壓強度Tab.3 Compressive strength of consolidation body at different depth in the test mould MPa

注：采用變水頭滲透試驗方法測試，28 d滲透系數(shù)為2.25×10-5cm/s。

從表1～3可知，固化灰漿固結(jié)后28 d有側(cè)限縱向收縮率平均為1.79%，1 m高固化灰漿樁穩(wěn)定性為0.052 g/cm3，28 d抗壓強度為0.106 MPa、滲透系數(shù)為2.25×10-5cm/s，其失去流動性時間、滲透性及力學(xué)性能滿足施工和設(shè)計要求。最終確定固化灰漿配比為護壁泥漿∶固化漿材=0.74∶0.26(體積比)，護壁泥漿密度為1.1 g/cm3，固結(jié)漿材水灰比為0.55，固化灰漿水泥用量為300 kg/m3，水玻璃摻量為36 kg/m3。

3 固化灰漿防滲墻施工

固化灰漿防滲墻總長為11 m，劃分為2個槽段(見圖1)，長度分別為6.6 m和4.4 m。采用L型鋼筋混凝土導(dǎo)墻，液壓抓斗成槽，導(dǎo)墻、成槽及護壁泥漿制作均采用常規(guī)工藝[11-13]，這里不再贅述。

固化漿材灌注前，根據(jù)防滲墻段的容積，按護壁泥漿與固化漿材的比例，計算出每槽段固化灰漿中所需的固化漿材及水玻璃用量。固化漿材在泥漿池中拌制，用泥漿泵泵送；水玻璃按用量稱量好，放在防滲墻附近待用。

(1) 在槽段施工完成并驗收合格后，安裝槽孔內(nèi)風(fēng)管，風(fēng)管在槽內(nèi)每隔2 m布置1條。原計劃風(fēng)管采用1寸鋼管，但由于槽段深度超過50 m，安裝、拆除及在槽內(nèi)固定困難，后改用1寸軟管。為防止軟管偏斜、上浮及壓氣時大幅擺動，將軟管出口端固定在沖擊錘上，將沖擊錘吊至槽底，并由沖擊錘將送風(fēng)軟管牽引到槽底，在槽孔外風(fēng)管與空壓機(排氣量10 m3/min、排氣壓1.2 MPa)連接。

(2) 風(fēng)管安裝好后，向槽內(nèi)護壁泥漿中灌注固化漿材。固化漿材灌注采用直升導(dǎo)管法，每個槽段內(nèi)布置若干根管徑Ф150的導(dǎo)管，導(dǎo)管間距不大于2.5 m，導(dǎo)管距孔端距離不大于1.5 m，固化漿材用導(dǎo)管輸入至槽底，保證固化漿材自下而上泵入，使槽段上部的護壁泥漿從槽段口流出(可回收)。槽內(nèi)固化漿材上升速度不小于2.0 m/h，導(dǎo)管埋入固化漿材內(nèi)的深度控制在2.0～6.0 m。

(3) 全部固化漿材灌入槽段后，按計算好的用量向槽內(nèi)均勻地加入水玻璃，開啟空壓機向槽內(nèi)輸氣，并上、下提升固定風(fēng)管的沖擊錘。在氣拌過程中，觀察槽孔內(nèi)漿液的翻滾情況(見圖3)，適當(dāng)控制風(fēng)量大小，攪拌30 min[12]。

圖3 氣舉法攪拌Fig.3 Gas lift stirring molding

(4) 槽內(nèi)護壁泥漿、固化漿材、水玻璃經(jīng)壓縮氣體攪拌均勻，逐漸變成絮凝泥漿、糊狀泥漿、固化灰漿，最終固結(jié)成防滲墻體。

(5) 槽孔內(nèi)混合漿液固化后，用厚度不小于0.3 m的濕土覆蓋墻頂[13]。

4 固化灰漿墻體實施效果

將槽段內(nèi)攪拌均勻的固化灰漿裝入1.3 m高的PVC管(管徑150 mm)中，帶模養(yǎng)護至28 d齡期。28 d后鋸成15 cm長的圓柱體，自下而上編為1～8號，檢測密度及無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果見表4。防滲墻成墻后8個月，盾構(gòu)即將到達防滲墻時，在墻上鉆芯取樣，檢測墻體灰漿固結(jié)體密度及無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果見表5。

表4 現(xiàn)場取樣成型試件28d強度及密度檢測結(jié)果Tab.4 Test results of strength and density of field sample forming specimens at 28d

表5 墻體芯樣8個月強度、密度及滲透系數(shù)檢測結(jié)果Tab.5 Test results of strength, density and permeability of wall core sample in 8 months

注：采用變水頭滲透試驗方法，測得墻體平均滲流系數(shù)為5.45×10-5cm/s。

從表4～5檢測結(jié)果可知，28 d固化灰漿試件及8個月墻體芯樣的平均無側(cè)限抗壓強度分別為0.373 MPa和0.402 MPa，滿足0.1～0.5 MPa的工藝設(shè)計要求，但強度離散性較大；50.3 m固化灰漿墻體穩(wěn)定性為0.044 g/m3，略小于配合比試驗時的0.052 g/m3；墻體平均滲透系數(shù)為5.45×10-5cm/s，滿足滲透系數(shù)k小于9×10-5cm/s的工藝設(shè)計要求。

盾構(gòu)機掘進完2.75 km海底隧道后抵達接收端頭，利用磨損嚴(yán)重的刀具先后切碎低強度的固化灰漿防滲墻和旋噴樁體，安全順利抵達接收井，完成盾構(gòu)的接收。

5 結(jié) 論

(1) 在盾構(gòu)接收端頭加固中采用強度低、防滲性能好的固化灰漿防滲墻圍封，能保證刀盤磨損嚴(yán)重的盾構(gòu)順利穿過防滲墻體，有效地阻隔圍封區(qū)內(nèi)外的水流，防止盾構(gòu)接收過程涌水、涌土、坍塌事故。

(2) 固化灰漿防滲墻成槽時的護壁泥漿不必全部排出，其中有74%的護壁泥漿與加入的固化漿材最終固化成防滲墻體，在節(jié)省資源的同時，減少了廢棄泥漿的排放，環(huán)境污染小。

(3) 由于防滲墻成槽時，地層中的砂粒不可避免地混入護壁泥漿中，導(dǎo)致墻體灰漿固結(jié)體芯樣的平均密度及無側(cè)限抗壓強度比室內(nèi)配比試驗所成型試件的大。因此，在室內(nèi)配比試驗時，對這一因素應(yīng)予以考慮。

(4) 固化灰漿防滲墻應(yīng)用于軟弱富水地層盾構(gòu)接收端頭加固尚屬首次，本文提出的試件成型方法有效解決了固化灰漿試件成型難題。該工程固化灰漿防滲墻深達52 m，采用“灰漿置換護壁泥漿后再加水玻璃然后氣舉攪拌”的工藝，墻體灰漿固結(jié)體不同深度芯樣強度的離散性較大。因此，對深度較大的固化灰漿防滲墻成墻工藝，尚需進一步研究改進。