粉細(xì)砂地層中盾構(gòu)隧道洞內(nèi)注漿加固技術(shù)研究

王呼佳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

粉細(xì)砂土在天然狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)松散，密度也較低，在自重的作用下即可壓密，在振動(dòng)荷載作用下易發(fā)生砂土液化。華南地區(qū)地鐵隧道常穿越于粉細(xì)砂層，而后期地鐵運(yùn)營(yíng)期間的列車(chē)振動(dòng)可能引起砂土液化，造成隧道不均勻沉降超限，影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)。對(duì)于盾構(gòu)隧道底粉細(xì)砂層，以往通常做法是從地面采用攪拌樁或旋噴樁進(jìn)行加固，但由于場(chǎng)地原因地面加固往往難以實(shí)施，洞內(nèi)注漿加固法可以很好地解決地面加固存在的難題，目前在成型隧道內(nèi)進(jìn)行粉細(xì)砂層注漿加固的工程案例尚少，洞內(nèi)注漿的效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文以佛山某區(qū)間盾構(gòu)隧道為依托，通過(guò)對(duì)粉細(xì)砂層進(jìn)行洞內(nèi)注漿試驗(yàn)，總結(jié)注漿對(duì)成型隧道的影響，并對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，成功地完成了成型隧道粉細(xì)砂層的洞內(nèi)注漿加固。

1 工程概況

佛山2號(hào)線(xiàn)某區(qū)間隧道沿佛陳公路向東南方向前行，先后兩次下穿文登河、大片村房和佛山一環(huán)及廣明高速匝道橋，區(qū)間全長(zhǎng)約1.7 km，采用盾構(gòu)法施工，隧道拱頂埋深5.1～20.3 m，區(qū)間隧道底主要位于<2-2>粉細(xì)砂、<2-3>中粗砂、<2-1B>淤泥質(zhì)土層和全強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其中靠近大里程車(chē)站端有大量的<2-2>粉細(xì)砂層，粉細(xì)砂的物理參數(shù)如表1所示，其中左線(xiàn)197 m，右線(xiàn)206 m的粉細(xì)砂埋深小于20 m(圖1)，經(jīng)過(guò)液化判別為嚴(yán)重液化，需要進(jìn)行加固處理，而由地面進(jìn)行注漿加固無(wú)法進(jìn)行，只能采取洞內(nèi)注漿加固。

表1 粉細(xì)砂物理參數(shù)表

2 洞內(nèi)注漿加固設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，粉細(xì)砂地層注漿的全過(guò)程分可分為充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動(dòng)土壓力階段以及再滲透階段五個(gè)階段(圖2)。

漿液通過(guò)滲透、擠壓密實(shí)、劈裂等作用與粉細(xì)砂充分結(jié)合形成樹(shù)枝狀水泥網(wǎng)脈體和水泥土固結(jié)體，增加了粉細(xì)砂的密實(shí)度和強(qiáng)度，減少了粉細(xì)砂的孔隙率。

2.1 加固措施

通過(guò)管片吊裝孔及增設(shè)注漿孔對(duì)粉細(xì)砂層進(jìn)行加固，注漿管采用φ42 mm鋼花管，其大樣圖和構(gòu)造圖如圖3、圖4所示，注漿花管中上下兩處設(shè)置兩個(gè)栓塞，注漿材料可以通過(guò)栓塞中間向管外滲出，阻塞器在在袖閥鋼管上自由移動(dòng)，可以通過(guò)調(diào)整阻塞器調(diào)整加固的區(qū)域，進(jìn)行定量、定深，分序、分段、間隙和重復(fù)注漿。在孔口設(shè)置有逆止閥，防止注漿管完畢后粉細(xì)砂由孔口中噴涌出來(lái)。袖閥鋼管可留在土體中作為加固體的一部分，有效提高土體的承載能力。

圖1 右線(xiàn)粉細(xì)砂加固區(qū)域

(a)p-t曲線(xiàn)

(b)q-t曲線(xiàn)圖2 注漿壓力、注漿速率時(shí)間曲線(xiàn)

圖3 袖閥管大樣(單位:mm)

2.2 注漿孔布置

隧道荷載是由拱腰以下地層承擔(dān)，因此可只對(duì)隧道拱腰以下具有液化性的粉細(xì)砂(埋深小于20 m)進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固，加固深度為3 m(圖5)。

根據(jù)地層加固經(jīng)驗(yàn)，注漿加固半徑約0.8～1.0 m，最外緣兩注漿孔夾角為72 °，而由于注漿漿液的擴(kuò)散作用，加固范圍可超過(guò)90 °，故在洞內(nèi)注漿加固里程范圍內(nèi)的管片，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊增設(shè)兩個(gè)注漿孔，同時(shí)原吊裝孔也兼做注漿孔。增設(shè)注漿孔預(yù)埋件與管片吊裝注漿孔一致，且必須在管片制作時(shí)預(yù)埋，并對(duì)管片做好特殊標(biāo)記，防止管片拼裝過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，管片加固注漿孔布置如圖6所示。

圖6 注漿孔平面展開(kāi)布置

管片拼裝完成后即時(shí)對(duì)液化砂層進(jìn)行注漿加固，同時(shí)為防止后期地鐵運(yùn)營(yíng)階段地基承載力不足，在道床下預(yù)留三根注漿管(圖7)，注漿管應(yīng)與道床頂面平齊，同時(shí)采取有效措施保護(hù)好注漿管口，以便后期補(bǔ)充注漿。

圖7 預(yù)留注漿孔圖(道床澆注后)

3 洞內(nèi)注漿試驗(yàn)

對(duì)區(qū)間10環(huán)管片進(jìn)行開(kāi)孔注漿試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)段管片進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，試驗(yàn)段隧道拱頂埋深約11 m，鉆孔深度為3 m，單孔每1 m注漿量為0.42～0.66 m3，注漿壓力為0.3～0.6 MPa，注漿采用水泥—水玻璃雙液漿(水灰比0.6～1.3，水泥和水玻璃體積比為1～2)。開(kāi)孔后地層水壓力較大，注漿管內(nèi)涌砂情況嚴(yán)重(圖8)，可以看出粉細(xì)砂具有較大的承壓性。

圖8 區(qū)間盾構(gòu)隧道深層注漿開(kāi)孔

3.1 管片錯(cuò)臺(tái)、滲漏水增加

注漿前管片錯(cuò)臺(tái)較小，沒(méi)有滲漏水情況，但經(jīng)過(guò)10環(huán)深層注漿后，管片縱向、環(huán)向累計(jì)增加5處滲漏水，主要在拱腰以上部分，1環(huán)管片拱頂出現(xiàn)表皮破損情況(圖9)，管片錯(cuò)臺(tái)增大6～1.2 mm。

圖9 洞內(nèi)注漿引起的管片病害

3.2 管片隧道成型偏差加大

對(duì)注漿前后的管片姿態(tài)、管片的收斂性進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，管片垂直方向最大上浮量為39.2 mm，水平方向最大移動(dòng)量為22.5 mm，管片洞內(nèi)凈空水平方向收斂最大3.4 mm，垂直方向最大收斂為2.3 mm(圖10)。管片凈空收斂變化不大，但管片水平和豎向位移大部分超過(guò)允許控制值10 mm。

圖10 試驗(yàn)段管片姿態(tài)變化曲線(xiàn)

4 原因分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

4.1 原因分析

試驗(yàn)段第一環(huán)管片和最后兩環(huán)管片在注漿完畢后水平和豎向位移控制在10 mm內(nèi)，且未見(jiàn)管片出現(xiàn)裂縫和錯(cuò)臺(tái)，而其他環(huán)管片的變形和位移都超過(guò)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，注漿的時(shí)序、漿液的配比以及注漿結(jié)束的控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)注漿效果都有很大的影響。

粉細(xì)砂在注漿過(guò)程中，漿液會(huì)四處擴(kuò)散，形成漿脈，造成注漿量大于設(shè)定的值。當(dāng)水灰比太大時(shí)，漿液顆粒也隨之變大，漿液難以注入到粉細(xì)砂中；當(dāng)水玻璃配比較大時(shí)，雙液漿的初凝時(shí)間會(huì)大大減少，造成漿液尚未在粉細(xì)砂中完全擴(kuò)散開(kāi)就已經(jīng)凝固，水灰比太大水玻璃配比太多都會(huì)導(dǎo)致注漿量偏小。若按設(shè)定注漿量作為停止注漿標(biāo)準(zhǔn)，這需要加大注漿壓力，注漿壓力過(guò)大導(dǎo)致盾構(gòu)下部產(chǎn)生較大的膨脹力，而該力由于漿液擴(kuò)散的隨機(jī)性而不均勻，從而造成盾構(gòu)管片上移及側(cè)移變形，管片環(huán)之間位移不同步而發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)量過(guò)大時(shí)防水膠條會(huì)發(fā)生移位，致使局部管片接縫出現(xiàn)不同程度的滲漏水問(wèn)題；局部管片產(chǎn)生沿幅寬方向的偏轉(zhuǎn)，相鄰兩環(huán)管片沿縱向不同軸，造成管片環(huán)間接觸不良，管片接頭部位應(yīng)力集中，管片端部發(fā)生壓剪性破壞。

4.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

采用“均勻、多點(diǎn)、少量、多次”的注漿原則，以“保護(hù)成型隧道”質(zhì)量為宗旨，重點(diǎn)要防止成型隧道因注漿引起的管片姿態(tài)超限、防止管片新增滲漏水和錯(cuò)臺(tái)及破損。通過(guò)粉細(xì)砂洞內(nèi)注漿試驗(yàn)結(jié)果，從施工時(shí)序、漿液配置、施工參數(shù)方面進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的參數(shù)應(yīng)用于剩余段的粉細(xì)砂洞內(nèi)加固，能有效地控制在成型隧道對(duì)粉細(xì)砂層注漿引起的管片破損和較大變形，從而得到以下結(jié)論：

(1)施工時(shí)序：洞內(nèi)注漿采用跳環(huán)施工，同一環(huán)管片先對(duì)管片兩側(cè)注漿孔進(jìn)行注漿，再對(duì)管片中間的吊裝孔進(jìn)行注漿，先對(duì)拱腰兩側(cè)管片進(jìn)行注漿，再對(duì)拱頂管片進(jìn)行注漿，以先形成一排注漿墻體再由外向內(nèi)注漿，有利于控制漿液流失，保證注漿量，形成整體的加固區(qū)域。同一注漿孔將注漿量分2～3次注入粉細(xì)砂層中，并在隧底預(yù)留三根注漿管，根據(jù)后期運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行注漿。

(2)漿液配置：粉細(xì)砂層無(wú)粘聚力，注漿過(guò)程中壓力較大，采用雙液漿進(jìn)行注漿，能減少粉細(xì)砂的流動(dòng)性。注漿壓力按照0.4 MPa左右進(jìn)行控制，水泥水灰比為0.6～1.0，水玻璃與水泥漿體積比1∶1，水玻璃采用35波美度濃度，單孔每延米注漿量在0.42～0.66 m3。

(3)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：原則上按照注漿量來(lái)控制，若未能達(dá)到計(jì)算的注漿量，則能穩(wěn)壓5 min也可停止注漿；若出現(xiàn)管片破損、明顯的錯(cuò)臺(tái)應(yīng)立即停止注漿。