濱海盾構(gòu)工程動(dòng)壓富水砂層換刀加固技術(shù)研究

謝小兵

(廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司)

0 前言

某地鐵盾構(gòu)區(qū)間全線(xiàn)長(zhǎng)約2.65km，區(qū)間施工最大的重難點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是下穿沙河高爾夫別墅及球場(chǎng)，主要不利因素有：高爾夫球場(chǎng)段地質(zhì)補(bǔ)勘困難；根椐詳勘資料，結(jié)合地鐵2 號(hào)線(xiàn)臨近盾構(gòu)區(qū)間在該區(qū)段的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，該區(qū)段基巖突起、殘積花崗巖孤石、上軟下硬地層有較廣泛的分布；該區(qū)段鄰近海域，地下水與海水水力相通，受潮汐影響非常明顯，屬動(dòng)水，水量豐富并存有一定的水壓。由于工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的復(fù)雜，右線(xiàn)盾構(gòu)通過(guò)高爾夫球場(chǎng)這段約500 米區(qū)段先后發(fā)生過(guò)四次不同程度的地面沉陷，刀具磨損較大，需停機(jī)進(jìn)行換刀處理，考慮到高爾夫球場(chǎng)地面加固場(chǎng)地協(xié)調(diào)困難，施工單位采用在土倉(cāng)換填方式加固盾構(gòu)機(jī)前方掌子面，但未成功；后經(jīng)政府部門(mén)、地鐵集團(tuán)的協(xié)調(diào)幫助，施工單位調(diào)整加固方案，通過(guò)在盾構(gòu)機(jī)周邊地表先布設(shè)微型樁止水帷幕，再在帷幕內(nèi)由外及中采用wss 注漿進(jìn)行地層加固，通過(guò)采用地表、洞內(nèi)措施雙管齊下，確保了開(kāi)倉(cāng)換刀的安全。

1 工程概況

1.1 區(qū)間線(xiàn)路情況

該區(qū)間大體東西走向，從深灣一路始發(fā)，往西至海德三道路口到達(dá)，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P12。外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片厚度300mm，寬度為1500mm。右線(xiàn)隧道在里程YDK9+946.9 處進(jìn)入沙河高爾夫球場(chǎng)，在里程YDK10+463.7 處出沙河高爾夫球場(chǎng)，通過(guò)長(zhǎng)度516.8m。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)開(kāi)倉(cāng)位置已通過(guò)球場(chǎng)169.99m，剩余346.81m，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)處于YDK10+116.89 處，在沙河高爾夫球場(chǎng)B 區(qū)下方。

1.2 地質(zhì)情況

⑴盾構(gòu)區(qū)間穿越沙河高爾夫球場(chǎng)區(qū)域段為地表回填區(qū)域，土體較為松散，盾構(gòu)隧道范圍分布大量球狀風(fēng)化體，造成盾構(gòu)掘進(jìn)困難，坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大。

⑵此段右線(xiàn)隧道埋深為20.5m，地質(zhì)斷面從上到下主要分布細(xì)砂、素填土、粘土、礫砂、全強(qiáng)中風(fēng)化花崗巖，隧道范圍上部砂層厚2.5m，下部為全強(qiáng)中風(fēng)化花崗巖，砂層含水量豐富。右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)位置地質(zhì)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 右線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)位置地質(zhì)斷面圖

2 施工情況

沙河高爾夫球場(chǎng)內(nèi)上軟下硬地層掘進(jìn)情況。

該區(qū)間右線(xiàn)自338 環(huán)開(kāi)始即進(jìn)入上軟下硬地層，推力1400～1900T，土壓0.22～0.28MPa，刀盤(pán)扭矩120～190bar，掘進(jìn)速度3～8mm/min。掘進(jìn)速度較慢，對(duì)地層持續(xù)震動(dòng)較大。目前盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至417 環(huán)處，416 環(huán)管片安裝完成，盾構(gòu)機(jī)切口里程YCK10+116.89。近幾環(huán)掘進(jìn)中，推力較大，扭矩波動(dòng)較大，出現(xiàn)石頭連續(xù)卡刀盤(pán)的現(xiàn)象。據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告還有約30m 通過(guò)上軟下硬地段。經(jīng)過(guò)分析判斷，邊緣滾刀磨損較大，須進(jìn)行換刀處理。

3 換刀前地層加固方案

因?yàn)橛揖€(xiàn)盾構(gòu)機(jī)擬換刀位置地質(zhì)條件很差,上部為富水砂層,下部為強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖，常壓開(kāi)倉(cāng)不可行，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)壓氣作業(yè)因滲漏量太大也無(wú)法實(shí)施，此類(lèi)地層進(jìn)行加固，目前常用的加固方案有地表旋噴加固，洞內(nèi)盾構(gòu)超前注漿加固、土倉(cāng)填倉(cāng)、地表止水帷幕+袖閥管注漿加固等方式。考慮到右線(xiàn)換刀地點(diǎn)上方為高爾夫球場(chǎng)區(qū)，加固施工場(chǎng)地協(xié)調(diào)非常困難，施工單位在洞內(nèi)采用填倉(cāng)方案進(jìn)行盾構(gòu)掌子面加固。

3.1 洞內(nèi)填倉(cāng)加固（土倉(cāng)填倉(cāng)+ 盾構(gòu)機(jī)超前注漿）

施工單位制訂了填倉(cāng)換刀總體采用盾體徑向注漿孔注入“克泥效”防止盾體受困，向土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土填充刀盤(pán)周?chē)障?，土倉(cāng)內(nèi)砂漿填充，盾構(gòu)機(jī)超前注雙液漿加固前方土體的方案。

3.1.1 填倉(cāng)工藝流程

填倉(cāng)工藝流程如圖2 所示。

圖2 填倉(cāng)加工施工流程圖

3.1.2 填倉(cāng)實(shí)施過(guò)程

⑴土倉(cāng)內(nèi)砂漿填充

通過(guò)土倉(cāng)壁上的球閥向倉(cāng)內(nèi)分三階段填充砂漿，并出土，填充砂漿時(shí)，頂部傳感器壓力不超過(guò)3bar，出土過(guò)程中，頂部傳感器壓力不低于2.4bar。

⑵超前探孔補(bǔ)充注漿

盾構(gòu)機(jī)超前注漿主要對(duì)刀盤(pán)及切口環(huán)上部土體進(jìn)行加固，主要做法：

①注漿鋼花管采用6m 長(zhǎng)Φ48mm 的鋼管，對(duì)穿梅花形布孔，孔徑8mm，縱向間距為10cm，布孔長(zhǎng)度1m。

②漿液采用P·O 32.5R、1:0.8～1:1 水泥漿液。

③將制作好的鋼花管插入超前注漿孔進(jìn)行注漿。注入水泥漿液，注漿壓力控制在0.3～0.4MPa，壓力穩(wěn)定后持續(xù)進(jìn)行注漿，直至壓力上升后，再注20～30min。

④以1m 為一個(gè)注漿段，注完一段，拔出一段，逐步進(jìn)行注漿加固，特別是刀盤(pán)前方0.8m～1m、切口環(huán)上方位置重點(diǎn)注漿。

⑶土倉(cāng)清理

土倉(cāng)內(nèi)所注入漿液凝固穩(wěn)定3 天后，開(kāi)始進(jìn)行人工常壓清倉(cāng)。

⑷發(fā)生涌水涌砂事故

在進(jìn)行清倉(cāng)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)出現(xiàn)涌水涌砂的現(xiàn)象，清倉(cāng)人員迅速撤離土倉(cāng)?，F(xiàn)場(chǎng)管理人員立即組織盾構(gòu)隊(duì)人員采用砂袋、棉紗進(jìn)行封堵，將人倉(cāng)口大面積水、砂封堵住后，立即采用鋼管、鋼板、鋼筋進(jìn)行焊接加固砂袋，連接土倉(cāng)注漿管路，向土倉(cāng)內(nèi)注入聚氨酯，進(jìn)一步進(jìn)行封堵。同時(shí)安排測(cè)量人員對(duì)高爾夫球場(chǎng)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)地方產(chǎn)生半徑為3m、深為1.1m 的沉陷坑，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次涌水量約200 方，涌砂量約40m3。

為防止在后續(xù)的地面注漿時(shí)因地層壓力增大而導(dǎo)致人倉(cāng)沙袋堆碼失穩(wěn)，須對(duì)人倉(cāng)堆碼砂袋進(jìn)一步加固處理。在人倉(cāng)堆碼砂袋外側(cè)表面緊密帖15cm×15cm，Φ20mm 鋼筋網(wǎng)片，并在鋼筋網(wǎng)表面滿(mǎn)鋪焊接16mm厚鋼板，通過(guò)10#工字鋼橫、縱向50cm 間距焊接在鋼板表面對(duì)鋼板進(jìn)行頂壓，最后用Φ50mm 鋼管將10#工字鋼斜撐至頂部盾殼及螺旋機(jī)，形成穩(wěn)定的支撐體系。

3.2 地面注漿加固（注漿帷幕+WSS 注漿）

本次填倉(cāng)失敗，究其原因，一是停機(jī)處掌子面及上方地層長(zhǎng)時(shí)間被擾動(dòng)，且局部為富水砂層，自穩(wěn)性極差；二是緊臨深圳灣海域，地下水與海水水力聯(lián)系，在海水潮汐引起的動(dòng)水狀態(tài)沖刷下，填充倉(cāng)液在刀盤(pán)前方固結(jié)并形成強(qiáng)度非常困難；三是填充漿液的配比參數(shù)與不同地質(zhì)情況的適時(shí)性還需作大量研究。

洞內(nèi)填倉(cāng)不行，則必須采用地表加固的方式，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析地質(zhì)資料考慮加固范圍、深度等，常規(guī)的旋噴、粉噴等軟基加固技術(shù)難以滿(mǎn)足此類(lèi)地層加固的要求，加之受高爾夫球場(chǎng)特殊環(huán)境的限制，大型設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，嚴(yán)重制約了加固工法的選擇。經(jīng)過(guò)充分的分析論證，決定采用微型注漿樁作施工注漿帷幕，加固區(qū)域內(nèi)部采用WSS 后退式注漿。

3.2.1 加固止水方案設(shè)計(jì)

⑴微型樁止水帷幕設(shè)計(jì)：在盾構(gòu)機(jī)盾體周邊設(shè)一圈兩排Φ250mm@250mm 微型樁止水帷幕，內(nèi)排樁樁中心距刀盤(pán)前方4m、盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)各2.5m、盾尾后方2.28m，樁底深入隧道底中風(fēng)化地層。

⑵WSS 注漿加固設(shè)計(jì)：在微型樁止水帷幕內(nèi)采用WSS 后退式注漿加固，WSS 注漿孔間距0.75m 呈梅花型布置，深度從地面水位線(xiàn)以上0.5m（地面以下3.5m）至隧道底中風(fēng)化地層。

⑶降水井設(shè)計(jì)：在帷幕外側(cè)設(shè)4Φ280mm，深27mPVC降水井管。

具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 加固止水方案設(shè)計(jì)平面布置圖

地面加固工程數(shù)量見(jiàn)表1。

圖4 加固縱剖面圖

圖5 盾尾止水帷幕加固橫斷面圖

表1 地面加固工程數(shù)量

⑷微型樁質(zhì)量控制措施及標(biāo)準(zhǔn)：

①成孔

采用儀器精確定好樁位，并作好標(biāo)識(shí)，鉆孔作業(yè)前需用水平尺前后、左右調(diào)整好鉆機(jī)的平整度，以保證樁的垂直度，鉆頭尺寸要定期檢查，一般進(jìn)尺累計(jì)達(dá)到200 米后鉆頭要測(cè)量一次。

②水泥漿液配置要求

水泥漿液配置一要嚴(yán)格按照配比下料，二要攪拌均勻，至少攪拌3 分鐘后才可以開(kāi)始注漿。

③施工檢查

施工過(guò)程中要作好質(zhì)量抽查及工序檢驗(yàn)批驗(yàn)收，微型樁成樁關(guān)鍵質(zhì)量點(diǎn)有樁身長(zhǎng)度、水泥用量、漿液配置等，通過(guò)吊錘及卷尺檢查鉆孔深度以核實(shí)樁長(zhǎng)是否滿(mǎn)足要求，水灰比可直接用比重計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，每注完10 根樁以后，要及時(shí)核實(shí)水泥實(shí)際用量，如果不符合設(shè)計(jì)要求要及時(shí)調(diào)整。

3.2.2 WSS 注漿加固施工工藝

⑴施工工藝

WSS 注漿施工工序如圖6 所示。

圖6 WSS 注漿施工工序圖

⑵注漿材料、設(shè)備、人員及參數(shù)選擇

①注漿材料

注漿主要采用無(wú)收縮雙液漿，可分為懸濁型（由A液和C 液組成，簡(jiǎn)稱(chēng)AC 液）和溶液型（由A 液和B 液組成，簡(jiǎn)稱(chēng)AB 液），見(jiàn)表2。AB 液強(qiáng)度較低，但止水效果好，AC 液強(qiáng)度較高，本次注漿以止水為重點(diǎn)，AB 液使用比重更大。

表2 WSS 注漿材料及漿液配比

②注漿參數(shù)

WSS 后退式注漿參數(shù)如表3。

表3 注漿參數(shù)

施工中漿液配比及注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況試樁進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、優(yōu)化，以滿(mǎn)足施工要求。

3.3 加固輔助措施

3.3.1 降水施工

為提高注漿加固的效果，在刀盤(pán)前方及兩側(cè)、加固區(qū)外側(cè)共設(shè)置4 個(gè)ф280 降水井，降水深度至強(qiáng)風(fēng)化地層。

3.3.2 洞內(nèi)加固措施

⑴盾尾二次注漿

為防止盾尾后部地下水前躥，對(duì)盾尾后方10 環(huán)位置進(jìn)行了補(bǔ)充二次注漿，通過(guò)管片吊裝孔打入1.0～1.5m 鋼花管注入雙液漿，形成止水環(huán)箍。

漿液配比：水泥漿:水玻璃=1:1，水灰比1:1，水玻璃：35Be。

注漿壓力≤3.0bar，形成止水環(huán)。

⑵土倉(cāng)注漿

地面微型樁止水帷幕+WSS 注漿完成后對(duì)土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行注漿加固。

⑶超前注漿

利用盾構(gòu)機(jī)自帶的8 個(gè)超前注漿管道對(duì)盾構(gòu)機(jī)前方土體進(jìn)行加固。

3.3.3 加固過(guò)程對(duì)盾構(gòu)機(jī)的保護(hù)措施

⑴盾構(gòu)機(jī)保護(hù)措施盾構(gòu)殼體保護(hù)采用從盾構(gòu)中盾、前盾徑向注入孔注入“克泥效”+水玻璃注漿；盾尾采用同步注漿管注入膨潤(rùn)土+水泥漿液保護(hù)。

⑵其它措施

①定時(shí)反轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)：為防止注漿加固施工過(guò)程中造成螺旋機(jī)抱死的情況，在注漿過(guò)程中間隔30 分鐘反轉(zhuǎn)一次螺旋機(jī)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間10 分鐘，并注意觀察壓力變化。

②盾尾鉸接保護(hù)。在盾尾鉸接位置注入潤(rùn)滑油脂，并將盾尾與中盾交接位置用鋼板焊接連接。

③地面注漿加固時(shí)，保持洞內(nèi)與地面聯(lián)系，若螺旋機(jī)壓力發(fā)生變化，立即反轉(zhuǎn)螺旋；加強(qiáng)對(duì)刀盤(pán)主軸承密封保護(hù)，保持土倉(cāng)壓力不大于3.5bar，若有超出3.5bar的跡象，通知地面降低注漿壓力或暫停注漿，待倉(cāng)內(nèi)竄入漿液凝固后，通知地面恢復(fù)正常加固。

3.4 加固效果

通過(guò)因地制宜，采用地面微型樁+WSS 注漿方式加固盾構(gòu)機(jī)掌子面土體，輔以周邊降水、盾尾后方堵水、洞內(nèi)超前注漿等措施，以及采取一系列防止盾構(gòu)機(jī)固結(jié)的措施后，施工單位歷經(jīng)約40 天時(shí)間完成盾構(gòu)機(jī)前方地層加固作業(yè)，在對(duì)加固體進(jìn)行效果檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)加固體的強(qiáng)度、加固的均勻性基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在緊隨其后進(jìn)行的約15 天的土倉(cāng)清倉(cāng)、換刀作業(yè)未發(fā)生坍塌及大的滲漏水情況，加固取得良好的效果。

4 總結(jié)語(yǔ)

⑴因?yàn)楦郀柗蚯驁?chǎng)段的場(chǎng)地協(xié)調(diào)困難，該段盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)詳勘、補(bǔ)勘無(wú)法進(jìn)行，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)選型、刀具配置與實(shí)際地質(zhì)條件的不適應(yīng)，也未能調(diào)整線(xiàn)路平縱斷面設(shè)計(jì)，或提前對(duì)動(dòng)壓富水地層作加固處理，在不識(shí)地情的盾構(gòu)“盲推”導(dǎo)致掘進(jìn)過(guò)程多次發(fā)生地面塌陷事件，其后因停機(jī)、換填、地面加固、清倉(cāng)、換刀等工作損失工期約3 個(gè)月，再一次用典型案例證明“盾構(gòu)工程施工，地質(zhì)是基礎(chǔ)，盾構(gòu)機(jī)是關(guān)鍵，人（的管理）是根本”的管理理念。

⑵盾構(gòu)機(jī)前方地層加固方式選用一定要因“場(chǎng)地”制宜、因“地質(zhì)”制宜，如果兩者沖突，應(yīng)優(yōu)先考慮地質(zhì)條件，否則會(huì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。在動(dòng)壓富水砂層采用換填方式穩(wěn)固掌子面需謹(jǐn)慎，填倉(cāng)漿液的配合比設(shè)置、漿液凝固清倉(cāng)時(shí)間的把控、以及其他一些輔助措施的應(yīng)用，都還需進(jìn)一步研究探討。

⑶在動(dòng)壓富水砂層采用地表微型樁作止水帷幕，從外至內(nèi)施作WSS 樁注漿，輔以周邊降壓降水，減少了漿液擴(kuò)散，在富水砂層采用WSS 鉆注一體后退式注漿，在注漿參數(shù)設(shè)計(jì)合理的情況下，經(jīng)過(guò)后續(xù)對(duì)加固體取芯顯示滲透系數(shù)明顯降低，并具備一定的強(qiáng)度。在類(lèi)似工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下多次成功案例證明是一種比較安全、穩(wěn)妥的加固方式，有一定的借鑒和推廣意義。

⑷地表加固過(guò)程中，洞內(nèi)輔助措施必不可少，包括超前地質(zhì)預(yù)探、防掌子面坍塌、防盾構(gòu)機(jī)固結(jié)、防盾尾擊穿以及防管片上浮等應(yīng)采取穩(wěn)妥措施，避免盾構(gòu)機(jī)意外事故的發(fā)生。