水平深孔注漿技術(shù)在盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用

王書峰

青島市政管理處 山東 青島 266000

引言：盾構(gòu)在始發(fā)和接收過程中,均需要破除隧道范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu),施工時間較長,破除面積大,往往會造成洞門坍塌,地面沉陷以及上方管線斷裂等,風(fēng)險較大。因此,需要對始發(fā)和接收洞門進行加固,以控制洞門周圍土體的變形。

常見的端頭加固有旋噴注漿法和冷凍法。冷凍法在南方淤泥地質(zhì)條件下應(yīng)用較多,工程造價較高。旋噴注漿應(yīng)用較多,費用相對較低,但是其需要的設(shè)備多,占地較大,受地表建筑物和地下管線的影響較大。水平注漿加固可以在洞內(nèi)施工,不需拆改地下管線,且費用較低,適用性強。下面就水平注漿加固施工技術(shù)做簡單介紹。

1 巖土工程條件簡述

1.1 地層地質(zhì)條件 根據(jù)該場地巖土工程勘察報告,本工程端頭土體加固范圍在層底標高12.137m～0.137m 范圍內(nèi)共涉及到第四紀新近沉積層(Q42＋3al＋pl)、第四紀全新世沖洪積層(Q41al＋pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al＋pl)。

1.2 水文地質(zhì)條件 根據(jù)地質(zhì)勘察報告,對工程建設(shè)有直接影響的主要是上層滯水、潛水和承壓水,其中：

上層滯水(一)：含水層巖性為粉土③層、粉細砂③3層以及局部填土層,本次勘察僅在C15＃鉆孔中揭露。水位標高為16.76m,水位埋深9.0m。該層水分布不連續(xù),透水性較差,主要接受大氣降水及側(cè)向徑流補給,等垂直補給,以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、向下越流補給的方式排泄。

潛水(二)：含水層巖性為粉土④2層及粉細砂④3,水位標高為11.36～13.85m,水位埋深為11.2～14.4m,。該層透水性好,主要接受側(cè)向徑流及越流補給,以側(cè)向徑流的方式排泄。

承壓水或?qū)娱g潛水(三)：含水層巖性為粉土⑤層,水位標高為11.30～14.13m,水位埋深為11.36～13.85m,觀測時間為：。由于其頂板隔水層粉土④層的不連續(xù)性,此層水與上部潛水貫通。主要接受側(cè)向徑流及越流補給,以側(cè)向徑流和人工開采的方式排泄。

承壓水(四)：含水層巖性為細中砂⑦層,水頭標高為0.52～2.76m,水頭埋深為23.0～25.4m。

2 施工方案選擇

盾構(gòu)端頭加固方案的選擇,應(yīng)滿足安全可靠的前提下,充分考慮施工場地。施工速度和施工成本,綜合比較得出的。加固方案安全可靠的依據(jù)是洞門破除后能有效抵擋洞門口處的水土壓力、能有效的封堵洞門維護結(jié)構(gòu)側(cè)的滲水和易破除的加固體。

深層水泥攪拌樁法是利用水泥作為固化劑的樁體,通過配有專用鉆頭的深層攪拌機械在地基深部就地將軟土和固化劑強制拌合,使一定范圍的軟土硬結(jié)而提高整體基的符合強度。受機械能力的限制,其施工質(zhì)量隨著加固深度的增加,其成樁質(zhì)量部號控制,往往不能保證。

冷凍法加固地層是利用人工制冷的方法,將低溫冷媒送入地層,把加固范圍周圍的地層凍結(jié)成封閉的連續(xù)凍土墻,以降低土壓力,并隔絕地下水與開挖體之間聯(lián)系,此種方法一般使用與淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,夾粉土及粉砂地層,地下水位高,且在基坑內(nèi)出現(xiàn)大量涌水、涌砂現(xiàn)象,施工條件異常復(fù)雜。

水平深孔注漿加固法主要是使用水平地質(zhì)鉆頭成孔,采用前進式二重管注漿或一次式單管邊回抽邊注漿的施工方法,從而達到加固地層,提高土體自穩(wěn)性控制水土流失的方法。施工條件限制小,使用機械簡單輕便,注漿材料價格較為經(jīng)濟,并且對任何土層均可以加固。

3 水平深孔注漿二重管無收縮定向噴注WSS工法的優(yōu)點

(1)采用特殊的端點監(jiān)控器和二重管噴射方式,使注入系統(tǒng)設(shè)備簡單,具有很高的可靠性、經(jīng)濟性。

(2)可以進行一次、二次噴射切換,回路變換裝置容易實行,所以能實行復(fù)合噴射。

(3)瞬結(jié)性一次噴射和浸透性二次噴射的復(fù)合比率,在土層改良時可以自由地設(shè)定,從粘土、砂質(zhì)土到地下水非常多的砂礫層,以及更加復(fù)雜的復(fù)合地層都可以適用。

(4)二次噴射材料是低粘性且凝膠時間長的浸透性漿材,可以用壓力噴射到均勻的土質(zhì)顆粒之間,由于這樣的操作方法。減少了對周圍建筑物的影響。

(5)由于一次噴射是限制噴射,二次噴入是的滲透噴射,漿才不會向噴入范圍外溢出,從而有利保護地下環(huán)境而不被污染。

(6)土體加固原理：

a、注漿中,注漿達到一定壓力后,在注漿孔周圍會產(chǎn)生一定大小的泡體,隨著壓力的為斷增加,在漿液泡體上方的土體會產(chǎn)生一個倒立錐形剪切面;另一方面,當漿液泡體的直徑d增大時,周圍的土體將提供越來越大的阻力。設(shè)漿液泡體的向上總壓力為Fy,漿液泡體的水平總壓力為Fx,園柱形漿液泡體的平面投影面積為Ay,園柱形漿液泡體的側(cè)面面積為Ax。

則有：

Ay＝∏×d2/4Fy＝σ×AyΔσ∏

Ax＝2∏×d2×1Fx＝σ×Ax

因為σ值是唯一,所以Fy的增加與漿液直徑r的平方成正比,而Fx的增加與漿液直徑的一次方成正比。因此漿液向上總壓力的增加幅度遠大于總水平力的增加幅度。在一定壓力下,漿液泡體直徑達到了一個極限值Rmax與RL相應(yīng)的注漿壓力設(shè)為pn。該值時,水平和向上在壓力足以使得漿液充填土體間的縫隙,從而改良土體的物理指標。

b、注漿時在不改變地層組成的情況下,將土層顆粒間存在的水強迫擠出,使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固結(jié),達到改良土層性壯的目的,其注漿特性是使該土層內(nèi)聚力C,內(nèi)摩擦角ψ值增大,從而使地層粘接強度及密度增加,起到加固作用,顆粒間隙中充滿了不流動而且固結(jié)的漿液后,使土層透水性降低,而形成相對隔水層。

4 施工工序流程

(1)布孔：由測量人員按要求放出加固區(qū)域的孔位線,加強環(huán)梁最外圈孔間距為0.2m,等距離布置;截面積圓環(huán)內(nèi)孔間距0.4m,梅花型布置,當因腳手架限制或初支拱架限制可適量增加孔距,但最大孔距不允許超過0.6m,編號后由專人做孔位記錄(圖布孔示意圖)。

(2)成孔：孔徑42mm,縱深度7.5m,其中復(fù)孔按水平縱向深度7.5m、5m 和3m 鉆深鉆進,其傾斜角度和鉆桿長度以實際離盾構(gòu)輪廓外三米的對邊距離及縱深長度的鄰邊距離用正切三角函數(shù)計算后定位鉆桿角度和要求鉆桿長度。

(3)配漿：漿液必須嚴格按配比調(diào)配,攪拌必須有足夠的時間以保證漿液的A 液和C液濃度均勻。

(4)注漿：噴入管設(shè)置完畢后,將端點進行關(guān)閉而進行橫噴射切換。一般噴射量為15―20L/min,將噴入材料施加壓力,可以實現(xiàn)縱向滲透效果。在壓力達到1.2Mpa或該深度的注漿量≥0.5M3時,在提出雙重管長度20～40cm 后在開始新一輪注漿,當注漿端頭提升至封堵端墻壁1.5m后并在該深度注漿完成后,則該注漿孔位結(jié)束注漿。

(5)當所有階梯噴射注漿完畢后,對噴漿后地面實行封密,恢復(fù)原狀。為保證工期進度要求,盡快進入實質(zhì)性注漿加固進行,鉆孔注漿順序擬從端頭的上端向端頭下端推進,以減少鉆孔操作時的水流對已加固土體的影響。

(6)深孔注漿完成后,在隧道正式開挖前,需進行鉆芯取樣測定抗壓強度,加固后的土體強度需達到1.5MPa以上;如未達要求,需補充注漿。

總結(jié)

水平深孔注漿工法解決了盾構(gòu)機在城市主干道下方接收的難題,工藝簡單、操作方便、材料便宜,工法可節(jié)省交通導(dǎo)改、管線改移占地等施工時間和費用,節(jié)省投資,具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。