清華園隧道泥水盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)位置選擇及地層加固方案探討

高始軍

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇南京 211800)

由于盾構(gòu)施工技術(shù)及施工工程地質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，一方面，刀具在施工過(guò)程中的磨損是無(wú)法規(guī)避的問(wèn)題，所以泥水盾構(gòu)在施工過(guò)程中需要經(jīng)常停機(jī)帶壓進(jìn)艙換刀，如何保證停機(jī)帶壓換刀的安全性是研究的主要目的之一；另一方面，地層的多樣性導(dǎo)致地層加固成為換刀施工成功與否的決定因素，因此選擇合理的加固區(qū)域至關(guān)重要。為了保證停機(jī)部位掌子面土體穩(wěn)定，為作業(yè)人員提供安全的作業(yè)環(huán)境及保證換刀工作的安全、有序、快速進(jìn)行，需要根據(jù)沿線(xiàn)建構(gòu)筑物分布，選擇最合理的換刀加固區(qū)域，并根據(jù)工程地質(zhì)情況，采取最合適的加固工藝。

目前，在國(guó)內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)施工方面有較為豐富的成功實(shí)例，但帶壓進(jìn)艙作業(yè)仍然是泥水盾構(gòu)技術(shù)中不可避免的施工風(fēng)險(xiǎn)之一，所以如何保障安全、高效、合理的進(jìn)艙作業(yè)是盾構(gòu)施工中的重點(diǎn)。

本文依托新建京張鐵路清華園隧道，對(duì)于該工程泥水盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)位置選擇原則及地層加固方案進(jìn)行探討，對(duì)進(jìn)艙作業(yè)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，為類(lèi)似工程問(wèn)題提供可供參考依據(jù)，提高施工效率，進(jìn)而推廣泥水盾構(gòu)技術(shù)的使用。

1 工程特點(diǎn)

1.1 工程環(huán)境特點(diǎn)

工程范圍內(nèi)均為第四系地層，圍巖自穩(wěn)能力普遍較差，須考慮上覆土層的穩(wěn)定性，如掘進(jìn)速度控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的地面沉降。洞頂附近可能存在粉、細(xì)砂層，若上述土層存在上層滯水，易產(chǎn)生坍塌及突然涌水、涌沙等問(wèn)題。

1.2 工程水文特點(diǎn)

根據(jù)第四系地層中松散巖類(lèi)孔隙水埋藏條件進(jìn)行劃分，該平原地區(qū)地下水主要由上層滯水、潛水和承壓水等組成。其中由于上層滯水存在分布不均、水位高低變化幅度較大等問(wèn)題，水位標(biāo)高通常約44.91～49.62 m(埋深0～4.6 m)，主要地下水由大氣降水補(bǔ)給，此外管溝滲漏也會(huì)對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)充。承壓水主要分布在中、下部，被若干隔水層分隔，形成多層承壓水，水頭標(biāo)高為22.5～26.0 m(水頭埋深為23.6～27.1 m)。由于存在區(qū)域性地下水位降低，在部分地區(qū)局部承壓水已經(jīng)失去承壓性。

1.3 工程自身特點(diǎn)

清華園隧道是京張高鐵的控制性工程，其主要施工內(nèi)容為6.02 km隧道和4.467 km路基，該工程包括盾構(gòu)隧道(4 448.5 m)、明挖隧道(1 516.5 m)、暗挖隧道(55 m)；京張高鐵清華園隧道為單洞雙線(xiàn)隧道，管片采用單側(cè)預(yù)制管片襯砌，管片內(nèi)徑11.1 m，管片厚度0.55 m,分開(kāi)模型采用“6+2+1”。

2 盾構(gòu)區(qū)間停機(jī)換刀選取原則

(1)根據(jù)施工調(diào)查報(bào)告中的內(nèi)容，掌握地面構(gòu)建筑物與隧道的位置關(guān)系，地下管線(xiàn)的位置和與隧道的關(guān)系。

(2)獲悉隧道的行走路線(xiàn)，合理選取換刀地點(diǎn)。

(3)通過(guò)地質(zhì)詳勘報(bào)告和地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，對(duì)整個(gè)區(qū)間的地質(zhì)情況進(jìn)行分段，選擇換刀區(qū)域。

(4)依據(jù)刀盤(pán)選型，刀具配置形式，預(yù)估刀盤(pán)刀具在不同地層的磨損值，選擇合理的換刀位置。

(5)根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況分段，并設(shè)置一換刀點(diǎn)。

(6)根據(jù)掘進(jìn)情況設(shè)一換刀點(diǎn)。

根據(jù)上述選擇原則，計(jì)劃換刀點(diǎn)位如表1所示。

3 換刀點(diǎn)地層加固方法

3.1 加固原理

高壓噴射注漿法是一種近年發(fā)展起來(lái)的注漿方法，該方法在城市基坑、地鐵等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。該方法的原理是采用水泥漿等加固材料與土體混合形成固結(jié)體，以達(dá)到加固土體、止水防滲的目的。在工程實(shí)踐中，常采用帶有噴嘴的注漿管作為鉆桿并進(jìn)行鉆孔，待鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置后，采用20～30 MPa的水泥漿或水或空氣利用高壓設(shè)備進(jìn)行噴射、沖切，擾動(dòng)，破壞土體，與此同時(shí)鉆桿以一定速度逐漸提升，并強(qiáng)制攪拌、混合漿液和土壤顆粒，待漿液和土體凝固后，形成圓柱形固結(jié)體。

表1 2#～1#、3#～2#盾構(gòu)區(qū)間換刀點(diǎn)加固位置

3.2 工藝流程

本工程采用二重管高壓旋噴法來(lái)進(jìn)行換刀點(diǎn)地層加固，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 二重管高壓旋噴法實(shí)施工序

3.3 施工方法

3.3.1 場(chǎng)地平整

首先，將場(chǎng)地平整以消除地面和地下的所有障礙物。在地表凹陷區(qū)域采用黏性土料進(jìn)行回填并進(jìn)行夯實(shí)，并且應(yīng)做好場(chǎng)區(qū)的排漿溝開(kāi)挖及修整工作。

3.3.2 測(cè)量定位

在旋噴樁施工之前，應(yīng)由測(cè)量人員進(jìn)行孔位、孔口高程及樁軸線(xiàn)的測(cè)量放樣，將各軸的基準(zhǔn)點(diǎn)投影到安全可靠且易于操作的位置。通過(guò)觀察位置，并用水泥釘標(biāo)記原始的混凝土路面孔位。從孔位移開(kāi)，并清除周?chē)碾s物，用噴漆進(jìn)行標(biāo)記，然后根據(jù)軸線(xiàn)對(duì)孔進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。

3.3.3 機(jī)具就位

將鉆機(jī)移至指定的樁位，并由專(zhuān)人指揮用水平尺和定位錘校準(zhǔn)打樁機(jī)，以使樁機(jī)保持水平，導(dǎo)向架和鉆桿與地面垂直，且傾斜率小于1.5 %。調(diào)整不符合垂直度要求的鉆桿，直到鉆桿的垂直度滿(mǎn)足要求。如果鉆桿垂直度滿(mǎn)足要求，則進(jìn)行低壓射水試驗(yàn)，首先調(diào)整鉆機(jī)將鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位的中心，并調(diào)整鉆桿的垂直偏差不超過(guò)1 %。滿(mǎn)足上述要求后，首先進(jìn)行低壓射水試驗(yàn)(試驗(yàn)壓力一般不超過(guò)0.5 MPa)，檢查設(shè)備是否正常。

3.3.4 鉆孔

測(cè)量并放樣孔位后，使用地質(zhì)鉆頭鉆孔。

3.3.5 旋噴臺(tái)車(chē)就位

把臺(tái)車(chē)移動(dòng)就位到鉆孔的附近位置，為了使噴桿自然垂直通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)中央與鉆孔孔口，需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺(tái)盤(pán)的轉(zhuǎn)盤(pán)和天車(chē)。

3.3.6 試噴

在通過(guò)鉆孔檢查后，在準(zhǔn)備好將噴頭和噴桿下降到鉆孔內(nèi)之前，應(yīng)進(jìn)行試噴以檢查高壓泵是否運(yùn)轉(zhuǎn)良好，漿液管道密封是否良好，以及噴桿、噴嘴是否泄漏。

3.3.7 下入噴具

調(diào)試好地面后，為了防止噴具在下入孔內(nèi)過(guò)程中泥砂進(jìn)入噴嘴，應(yīng)設(shè)法保護(hù)噴嘴(先使用透明膠包扎漿氣水嘴，然后使用現(xiàn)場(chǎng)廢棄的水泥袋包裹噴頭)。

3.3.8 攪拌水泥漿液

采用水泥進(jìn)行注漿，水泥漿的水灰比為1∶1。根據(jù)JGJ 63-89《混凝土攪拌水標(biāo)準(zhǔn)》的要求選擇用于攪拌水泥漿的水。在制漿過(guò)程中采用高速攪拌機(jī)，首先將水和水泥根據(jù)規(guī)定的水灰比放入攪拌桶中并充分?jǐn)嚢瑁跀嚢柰瓿珊笫褂帽戎赜?jì)測(cè)量水泥漿液的比重。配置后時(shí)間超過(guò)4 h漿液是禁止使用的。

3.3.9 高壓旋噴灌漿

(1)在旋噴灌漿開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)機(jī)械設(shè)備應(yīng)遵循漿、氣的先后順序，注漿泵首先將水泥漿輸送到鉆孔中，然后使用空氣壓縮機(jī)輸送氣體。在停止旋噴灌漿時(shí)，根據(jù)以下先后順序：氣、電、漿進(jìn)行關(guān)閉。

(2)為了使噴具迅速達(dá)到正常施工時(shí)所需的壓力狀態(tài)，在其到達(dá)孔底后，請(qǐng)盡快調(diào)整好壓力大小。在開(kāi)始時(shí)，將噴桿保持在孔底并持續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)水泥漿液從孔口中冒出時(shí)，再根據(jù)施工技術(shù)參數(shù)來(lái)開(kāi)始提升噴具。

(3)現(xiàn)場(chǎng)施工員統(tǒng)一指揮操作人員和供漿系統(tǒng)，各方人員密切配合，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原始記錄。

(4)灌漿機(jī)操作人員需要做到熟練掌握相關(guān)技術(shù)參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)施工員和技術(shù)員的指導(dǎo)下，根據(jù)孔深和孔內(nèi)的變化，及時(shí)調(diào)整有關(guān)技術(shù)參數(shù)，并定時(shí)測(cè)量進(jìn)漿和回漿比重。

(5)隨時(shí)做好壓力和流量的觀測(cè)工作，對(duì)高壓灌漿的各項(xiàng)參數(shù)和出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象按照要求如實(shí)記錄。

3.3.10 終止旋噴灌漿

當(dāng)噴頭位置提升達(dá)到設(shè)計(jì)高程時(shí)，說(shuō)明注漿已完成，可以停止灌漿作業(yè)。

3.3.11 封孔

在確認(rèn)旋噴樁的樁頂高程達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，將水泥漿回填到旋噴樁以上的空洞中。

3.4 控制要點(diǎn)

(1)在開(kāi)始正式注漿前應(yīng)充分做好工藝性試樁試驗(yàn)，確定合理的施工參數(shù)和漿液配比。

(2)在施工之前，需對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行進(jìn)一步檢查，如噴嘴是否通暢，設(shè)備密封圈是在設(shè)定位置，通過(guò)后方可將漿液噴射。

(3)在制備漿料的時(shí)候，應(yīng)該嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則控制水灰比，不能夠隨意更換。不得使用受潮或過(guò)期的水泥。在攪拌漿液完成以后，將其送到吸料桶時(shí)，應(yīng)使用篩網(wǎng)將其過(guò)濾。過(guò)濾篩孔最好小于噴嘴孔直徑的1/2。

(4)噴射時(shí)，在達(dá)到預(yù)定的噴射壓力、噴射量后，然后再逐步提升注漿管。為了防止樁體中斷，若中間發(fā)生故障，應(yīng)該停止提升和旋噴，同時(shí)馬上檢查排除故障。如果旋噴由于機(jī)械故障而中斷，則應(yīng)重新鉆孔至樁底的設(shè)計(jì)位置并重新旋噴。

(5)在旋噴過(guò)程中，正?，F(xiàn)象為冒漿量小于注漿量的20 %。如冒漿量過(guò)大或過(guò)小(不冒漿)，則應(yīng)當(dāng)暫停注漿并查明原因，采用針對(duì)性的措施，如調(diào)整旋噴參數(shù)等。

(6)在旋噴過(guò)程中，需要作好施工記錄。

(7)在高壓噴射灌漿完成后，應(yīng)當(dāng)立即將噴管拔出。

(8)施工期間要進(jìn)行泥漿處理，并及時(shí)把泥漿運(yùn)出。

3.5 質(zhì)量保證措施

(1)在放置注漿管之前，在地表上進(jìn)行射水實(shí)驗(yàn)。等到射噴壓力正常后，才可進(jìn)行注漿管施工。

(2)為了防止相鄰高噴孔施工時(shí)出現(xiàn)串漿，在高噴施工時(shí)應(yīng)隔兩孔施工，同時(shí)應(yīng)注意施工時(shí)間間隔的相關(guān)要求(一般應(yīng)不少于48 h)。

(3)在進(jìn)場(chǎng)之前每批注漿水泥必須有合格證明，并應(yīng)按照每批次在現(xiàn)場(chǎng)抽樣外檢，檢查合格后才能夠投入使用。施工過(guò)程中所有計(jì)量工具應(yīng)該進(jìn)行鑒定，為了防止水泥受潮結(jié)塊，在水泥進(jìn)場(chǎng)后，應(yīng)當(dāng)墊高水泥存放臺(tái)，覆蓋防雨彩布。

(4)以現(xiàn)場(chǎng)試樁情況為準(zhǔn)則，選擇漿液水灰比、漿液比重、每1 m樁體水泥用量等參數(shù)。為了確保漿液配比的正確性，運(yùn)灰小車(chē)及攪拌桶都應(yīng)該作明顯標(biāo)記。灰漿攪拌應(yīng)當(dāng)均勻并進(jìn)行過(guò)濾。為了防止水泥沉淀，噴漿過(guò)程中漿液應(yīng)當(dāng)連續(xù)攪動(dòng)。

(5)為了保證成樁直徑不小于設(shè)計(jì)樁徑，由設(shè)計(jì)、業(yè)主、監(jiān)理、施工單位共同確定旋噴樁施工參數(shù)，并在施工前進(jìn)行成樁試驗(yàn)。

(6)為了保證樁的施工質(zhì)量，依照地質(zhì)條件的變化情況，應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工工藝參數(shù)。在調(diào)整參數(shù)之前，應(yīng)及時(shí)向業(yè)主，主管和設(shè)計(jì)部門(mén)報(bào)告，并在批準(zhǔn)后進(jìn)行調(diào)整。

(7)為了保證機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時(shí)候能夠及時(shí)進(jìn)行搶修，應(yīng)當(dāng)在施工現(xiàn)場(chǎng)配備常用機(jī)械設(shè)備配件。

(8)調(diào)制水泥漿時(shí)要戴好防塵口罩。

4 結(jié)束語(yǔ)

在城市大直徑泥水平衡盾構(gòu)的施工中，為了保證工程施工質(zhì)量和安全，選擇停機(jī)換刀點(diǎn)是關(guān)鍵。本文通過(guò)京張鐵路清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間換刀點(diǎn)地層加固的一些工程實(shí)例，介紹了一般的停機(jī)換刀點(diǎn)位置選擇原則、加固方案及質(zhì)量保證措施等內(nèi)容，通過(guò)高壓噴射注漿法方式來(lái)解決，既保證了盾構(gòu)換刀區(qū)加固施工工作的順利進(jìn)行，又節(jié)省了施工工期和成本。