自凝灰漿墻在超大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭加固土體的應(yīng)用

劉永強(qiáng)

（中交隧道局工程有限公司，北京 100102）

盾構(gòu)端頭始發(fā)土體加固質(zhì)量是隧道成敗的關(guān)鍵，特別是在高水壓粉細(xì)砂性土層中，粉細(xì)砂層土體滲透性強(qiáng)，容易形成過(guò)水通道，在進(jìn)行土體加固過(guò)程中漿液被流動(dòng)水帶走，目前常用的加固方法如深層攪拌樁、高壓旋噴樁在這種地層成樁質(zhì)量差，甚至無(wú)法成樁，不能滿足加固要求。通常在加固體外包設(shè)計(jì)素混凝土作為止水帷幕來(lái)隔斷過(guò)水通道，而在實(shí)際素混凝土墻施工過(guò)程中，每幅墻縫間隙不容易處理，會(huì)形成透水通道，影響加固土體質(zhì)量。盾構(gòu)機(jī)在穿越加固土體及素混凝土墻中，對(duì)刀盤、刀具磨損嚴(yán)重。

和燕路過(guò)江通道盾構(gòu)始發(fā)端頭采用新型工法的自凝灰漿墻作為加固土體的外包止水帷幕，其特點(diǎn)是強(qiáng)度低、可承受較大變形，且不破壞塑型墻體，整體防滲性好。由于灰漿墻強(qiáng)度低，刀盤所受作用較小，減輕刀具磨損，盾構(gòu)機(jī)能迅速通過(guò)加固體而降低始發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況及加固方法

南京和燕路過(guò)江通道南段工程位于長(zhǎng)江大橋和長(zhǎng)江二橋之間，盾構(gòu)段長(zhǎng)2975.906m，采用開(kāi)挖直徑15.03m 的泥水盾構(gòu)機(jī)。端頭加固地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土、細(xì)砂、粉細(xì)砂，隧道覆土厚度7.2m，微承壓水水位埋深1.9～3.9m、水位5.17～5.41m，地面標(biāo)高6.2m。

端頭加固采用Φ800@600mm 三軸攪拌樁+冷凍法并外包800mm 厚自凝灰漿墻（墻厚0.8m，墻深48m，縱向長(zhǎng)度20m，橫向?qū)?6m，加固深度到隧道底以下5m 與施工完成的地連墻形成閉合體），加固設(shè)計(jì)平面圖如圖1 所示。要求墻體滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s，28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.3MPa。

2 自凝灰漿配合試驗(yàn)比

圖1 始發(fā)端頭加固設(shè)計(jì)圖

自凝灰漿主要材料由水、水泥、膨潤(rùn)土、緩凝劑及外加劑組成，合理的試驗(yàn)配合是自凝灰漿強(qiáng)質(zhì)量的關(guān)鍵，由于地區(qū)不同、各個(gè)工程復(fù)雜程度相差甚遠(yuǎn)，選擇試驗(yàn)配比尤為重要。首先經(jīng)試驗(yàn)確定配合比，選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、優(yōu)質(zhì)納基膨潤(rùn)土、蘇博特JM-Ⅵ型緩凝劑，根據(jù)成墻工藝，施工要求初凝時(shí)間大于30h 以上進(jìn)行配合比試驗(yàn)，選取代表性土層特征的4 組，其特性如表1 所示。

3 施工工藝

3.1 導(dǎo)墻施工

導(dǎo)墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用倒“L”形導(dǎo)。凈寬比自凝灰漿墻厚5cm。

3.2 泥漿制作

自凝灰漿的制作：首先按照一般泥漿標(biāo)準(zhǔn)拌制膨潤(rùn)土泥漿，拌制膨潤(rùn)土泥漿采用復(fù)合納基膨潤(rùn)土，使用高速泥漿攪拌機(jī)拌制，控制泥漿比重在1.02～1.10g/cm3，黏度在28～35s，失水量在0.5～0.7ml/min，pH 值為9～11。拌制好的膨潤(rùn)土泥漿必須在泥漿池內(nèi)通過(guò)泥漿泵充分循環(huán)2～3h，檢測(cè)其性能指標(biāo)，合格后輸送至儲(chǔ)漿池內(nèi)膨化12h 以上。成槽施工時(shí)，將膨潤(rùn)泥漿輸送至專用灰漿池內(nèi)按照配合比加入水泥和緩凝劑，經(jīng)泥漿攪拌機(jī)攪拌2min 后由自凝灰漿池自流到開(kāi)挖槽段內(nèi)。自凝灰漿凝結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和彈模主要取決于灰水比的大小，灰水比越大，這兩個(gè)指標(biāo)越大。

表1 自凝灰漿配合比及其特征

3.3 成槽施工

自凝灰漿墻采用跳躍法工法，相鄰槽段灰漿初凝達(dá)到一定強(qiáng)度（一般30h 以上，具體以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為準(zhǔn)）后方可進(jìn)行開(kāi)挖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將自凝灰漿墻分幅，幅段按照首開(kāi)幅2.8m、閉合幅2.4m，相鄰兩幅之間咬合20cm 原則進(jìn)行布置。設(shè)備采用SG60 型液壓抓斗成槽機(jī)。

3.4 清底

清底采用沉淀法，使用挖槽作業(yè)的液壓抓斗直接挖除槽底沉渣。由于泥漿有一定的比重和黏度，土渣在泥漿中沉降會(huì)受阻滯，沉到槽底需要一段時(shí)間，因而采用沉淀法清底要在成槽結(jié)束1h 左右之后才開(kāi)始。

4 施工效果

（1）和燕路過(guò)江通道工作始發(fā)井地連墻墻深48m，穿越地層為高水位粉細(xì)砂層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抽水試驗(yàn)結(jié)果得出：綜合滲透系數(shù)45m/d，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和勘察設(shè)計(jì)資料（綜合滲透系數(shù)7.8m/d）出入較大，工作井地連墻所處地層透水性強(qiáng)，容易造成塌孔或較厚的沉渣，造成成槽困難，為此施做始發(fā)井端部地連墻之前先期施工自凝灰漿墻，形成半封閉止水帷幕，極大程度降低了富水粉細(xì)砂層地連墻成槽困難，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果表明，在形成止水帷幕后，護(hù)臂泥漿比重控制在1.15～1.25g/cm3，黏度24～30s，下放鋼筋籠至混凝土澆筑前10～12h，槽壁穩(wěn)定性較好，沉渣厚度8～15cm。

（2）始發(fā)端頭加固土體在地連墻與灰漿墻施工完畢后施工，此時(shí)形成一個(gè)封閉的空間，進(jìn)行三軸攪拌樁加固，很大程度降低了因動(dòng)水作用造成的加固漿液隨著水壓力作用而流失的問(wèn)題，使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢?，大幅度提高土加固質(zhì)量，加固效果整體性較好、強(qiáng)度高及止水性好的加固體，齡期通過(guò)水平和垂直鉆孔取芯的方法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果水平探孔無(wú)涌水涌砂現(xiàn)象，垂直取芯深度和土體加固效果滿足設(shè)計(jì)要求，加固土體的強(qiáng)度和滲透系數(shù)良好。

（3）和燕路過(guò)江通道項(xiàng)目盾構(gòu)始發(fā)覆土7.2m，為典型的超淺覆土始發(fā)，盾構(gòu)在穿越加固體掘進(jìn)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)極大，尤其在盾構(gòu)剛通過(guò)加固體進(jìn)入未加固地層后，由于土層變化引起掘進(jìn)參數(shù)有較大的變化，對(duì)周圍土體擾動(dòng)大，容易造成地面冒漿，甚至地面沉陷。國(guó)內(nèi)以往類似工程外側(cè)設(shè)置C15 素混凝土墻作止水帷幕，墻體素混凝土施工每幅墻采用鎖口管接頭，墻體接縫容易形成縫隙，形成滲透水流通道，造成墻外動(dòng)水進(jìn)入加固土體中影響加固效果。而自凝灰漿墻每幅墻體采用咬合形式，不容易形成墻體間隔縫隙，墻體整體性較好，止水效果明顯。加固土體外包形式的選擇，對(duì)盾構(gòu)穿越墻體過(guò)程中盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)有直接的影響。通過(guò)類似經(jīng)驗(yàn)對(duì)比盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)穿越墻體參數(shù)表

以上數(shù)據(jù)表明，相同工況下盾構(gòu)推力及扭矩都明顯大于自凝灰漿墻，極易造成地面土體擾動(dòng)波動(dòng)大。泥水壓力隨之增大，墻體與未加固土體之間存在一定間隙，進(jìn)而使得泥漿從這個(gè)間隙冒出地面。在推力增大的情況下，容易使盾構(gòu)始發(fā)反力架受力過(guò)大而變形破壞，從而造成負(fù)環(huán)失穩(wěn)及隧道管片變形，引起極大的風(fēng)險(xiǎn)。穿越混凝土墻過(guò)程中推力及扭矩過(guò)大且隧道覆土較淺，容易造成管片壁后注漿效果失穩(wěn)，盾體過(guò)墻體后進(jìn)入正常土層中，未加固土層中承壓水隨著動(dòng)水壓力的增大，造成盾尾涌水涌砂，形成極大的風(fēng)險(xiǎn)。而盾構(gòu)機(jī)穿越自凝灰漿墻時(shí)，由于灰漿墻強(qiáng)度小，盾構(gòu)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)和未加固土層掘進(jìn)參數(shù)沒(méi)有太大變化，盾構(gòu)姿態(tài)容易控制，并且塑性灰漿墻能與管片壁同步注漿，實(shí)現(xiàn)有效黏結(jié)，止水效果明顯，有效防止隧道“噴涌”現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）南京和燕路過(guò)江通道在盾構(gòu)始發(fā)端頭加固土體外包采用自凝灰漿止水帷幕墻，針對(duì)長(zhǎng)江漫灘高水位富水砂層地質(zhì)特點(diǎn)，在地連墻、土體加固及盾構(gòu)穿越加固體的參數(shù)控制取得顯著效果，對(duì)今后隔區(qū)止水進(jìn)行圍護(hù)施工、土體加固、大盾構(gòu)穿越加固體具有重要意義。

（2）自凝灰漿墻質(zhì)量保證前提為試驗(yàn)配合比，確定試驗(yàn)配合比除考慮水文地質(zhì)、施工工藝、場(chǎng)地條件外，由于前期試驗(yàn)配合比時(shí)間長(zhǎng)，且國(guó)內(nèi)具有這類檢測(cè)資質(zhì)的單位很少，因此還應(yīng)提前考慮工程施工期。