富水動壓砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)開倉的加固區(qū)施工技術(shù)

胡鷹志

深圳市隧道工程有限公司 廣東 深圳 518028

復(fù)合式的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在近海區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)條件下富水動壓砂層進(jìn)行盾構(gòu)開倉作業(yè)是盾構(gòu)施工中的挑戰(zhàn)，帶壓開倉作業(yè)在富水動壓砂層條件下很難實現(xiàn)，常壓開倉則需要對加固區(qū)地基土進(jìn)行地基處理，在安全可靠的條件下才具備開倉條件。在富水動壓砂層條件下，常規(guī)的地基處理技術(shù)（旋噴樁、壓密注漿、攪拌樁等）很難達(dá)到預(yù)期效果，迫切需要一種新的地基處理技術(shù)及方案。

1 事件概況

深圳地鐵三號線南延線福保站—益田站盾構(gòu)區(qū)間出福保站后，由東向西延伸，下穿紅花路及紅花路與絨花路之間，逐漸向北偏轉(zhuǎn)，先后下穿紅柳道、深福保單身公寓A棟、鳳凰道、桂花路、廣深高速，最后沿正北方向轉(zhuǎn)入益田中街，再側(cè)穿益田村小區(qū)，接已經(jīng)運(yùn)營的益田站。線路平面由直線段、曲線段和緩和曲線段構(gòu)成，線路最小曲線半徑351 m。線間距14.2～17.2 m。區(qū)間隧道埋深15.5～24.6 m。使用2臺NFM復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)。

圖1 項目工程平面示意

所使用的2臺盾構(gòu)機(jī)均由于中心回轉(zhuǎn)體與刀盤脫落，需要開倉進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的修復(fù)及改裝。開倉所處區(qū)域是近海的填海區(qū)域，開倉所處地層一部分處于全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，一部分處于富水動壓砂層，帶壓作業(yè)掌子面不能安全保壓，且需要在土倉中進(jìn)行動火作業(yè)，帶壓作業(yè)開倉操作難度極大，因此需要選擇常壓進(jìn)行開倉作業(yè)。

本次加固區(qū)采用φ600 mm雙管旋噴咬合樁@450 mm密排咬合布置，加固寬度為隧道邊線外擴(kuò)1 m，加固豎向深度范圍為隧道上方5 m至下方2 m，隧道埋深頂部為18 m，底部為24 m。加固完成后對加固區(qū)進(jìn)行抽芯，發(fā)現(xiàn)實際成樁效果不理想，樁身完整性較差，短時間開倉查看了前方圍巖情況，前方加固體有失穩(wěn)情況發(fā)生，并向土倉中流泥和流水，因此，本次加固是失敗的。

2 加固失敗的原因分析

2.1 水文、地質(zhì)情況分析

地勘資料顯示，加固區(qū)自上而下主要為：①1素填土，②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④9中砂，④2粉質(zhì)黏土，④10粗砂，⑦1-2礫質(zhì)黏性土，⑧1中等風(fēng)化石英巖脈，⑧2全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。加固區(qū)為近海填海區(qū)，地下水水位埋深為地下1.2～2.1 m，地下水主要為潛水，帶有一定的承壓性，且具有流動性。

從打開土倉查看前方圍巖情況看，在中風(fēng)化和全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中，旋噴樁加固的樁身完整性較好，但在砂層、礫質(zhì)黏性土地層中的樁身完整性較差。砂層孔隙較大，含水豐富，具有流動性和承壓性，與海水有一定的連通性，受潮汐水影響嚴(yán)重，采用高壓旋噴樁施工高壓噴灌的漿液很難停留在加固半徑范圍內(nèi)，漿液在富水區(qū)域被稀釋并隨著流動水流失，很難實現(xiàn)凝固結(jié)晶，導(dǎo)致加固效果很差，這是導(dǎo)致采用雙管高壓旋噴樁進(jìn)行加固施工失敗的主要原因。

2.2 高壓旋噴樁施工工藝原因分析

2.2.1 樁的水平位置及垂直度

鉆機(jī)應(yīng)按設(shè)計樁位準(zhǔn)確定位，并必須作水平校正，鉆桿頭對準(zhǔn)樁位，精確控制樁機(jī)對中位置，允許偏差為50 mm，樁機(jī)導(dǎo)向架傾斜度控制在小于1.5%的范圍內(nèi)，每鉆進(jìn)5 m測量垂直度，孔斜率不大于0.5%。

在盾構(gòu)機(jī)開倉查看前方圍巖情況時，發(fā)現(xiàn)高壓旋噴樁樁身在全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中存在咬合不完全的情況，說明高壓旋噴樁在施工過程中沒能很好地控制垂直度，影響了加固效果。

2.2.2 高壓旋噴過程中冒漿量的控制

在高壓旋噴注漿施工中，冒漿（內(nèi)有土粒、水及漿液）量小于注漿量的20%時，為正?，F(xiàn)象；但超過20%或完全不冒漿時，為不正?，F(xiàn)象。本次高壓旋噴注漿加固在遇上砂層施工時地表返漿量較少，采取相關(guān)措施后，地表返漿量仍然較少，說明旋噴漿液的竄漿以及漿液流失嚴(yán)重，直接影響加固效果；在遇到中風(fēng)化和全強(qiáng)風(fēng)化地層時，地表返漿量較大，采取了減小噴射壓力、適當(dāng)縮小噴嘴直徑、適當(dāng)加快提升速度等措施后，返回地面的漿量仍然較多，且水泥漿含量較大，說明在對該地層進(jìn)行旋噴施工時，漿液強(qiáng)行切割土體的效果差，對土體形成擠壓密實的加固效果不理想。

2.2.3 鉆孔時遇到障礙物

高壓旋噴樁加固地層屬于近海填海區(qū)域，在填海過程中不可避免地回填了拋石、漂石。拋石、漂石的存在嚴(yán)重阻礙了鉆機(jī)的鉆進(jìn)并導(dǎo)致了偏移。根據(jù)高壓旋噴樁施工記錄，存在樁機(jī)鉆進(jìn)遇到障礙，難以鉆進(jìn)及樁位偏移的情況，導(dǎo)致加固體出現(xiàn)斷樁和畸形樁，采取了引孔措施后仍有部分樁位偏移和卡鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致該加固位置加固效果出現(xiàn)短板，達(dá)不到加固質(zhì)量要求。

2.2.4 注漿壓力異常

根據(jù)施工記錄，在高壓旋噴樁施工過程中，旋噴鉆頭提升至砂層位置時，發(fā)現(xiàn)旋噴注漿壓力驟減，查明原因是砂層中含水豐富，具有承壓性和流動性，在旋噴注漿的過程中，注入漿液被水流稀釋及帶走，很難形成固結(jié)體，極大地影響了加固質(zhì)量，使加固體達(dá)不到要求而失敗。

3 新加固方案的比選

3.1 盾構(gòu)開倉對加固方式的要求

1）加固效果好。地層加固體要有良好的完整性、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，以避免盾構(gòu)在開倉作業(yè)過程中圍巖發(fā)生坍塌，確保倉內(nèi)作業(yè)工人的安全。

2）加固效益高，作業(yè)周期短。地鐵施工工期相對都較緊張，加固方法必須快速、高效，以減少對盾構(gòu)施工進(jìn)度的影響。

3）經(jīng)濟(jì)合理。地層加固屬于臨時施工措施工程，其費(fèi)用的高低直接影響整個工程的造價成本。因此，所選取的加固方式要求經(jīng)濟(jì)合理。

4）節(jié)地。地鐵施工地段一般都在市區(qū)，在市區(qū)施工不可避免地會對市民生活造成影響。加固方式要求少占用地表土地，爭取做到不擾民施工。

3.2 盾構(gòu)開倉加固方式比選

根據(jù)本工程加固區(qū)工程特點，針對富水動壓、砂層等地質(zhì)條件，要求選取的加固方式能形成良好的隔水帷幕，并在隔水帷幕內(nèi)進(jìn)行加固[1]。具體的比選情況如下：

1）高壓旋噴樁。該加固方式適用于砂層、淤泥、流塑、軟塑、可塑黏性土等地層，但在礫砂層、黏著力大的黏土層、地下水流速過大的地層、埋深深度超過25 m的地層中加固效果差。其優(yōu)點是施工工藝成熟，成樁效果好，加固后的加固體整體防水性能好，工期短。缺點是在砂層中或軟弱地層中水流過大時加固效果差，施工返漿量大，加固地層容易變形，對周邊環(huán)境（特別是管線）影響較大，工程造價高。

2）深層攪拌樁。該加固方式主要適用于飽和軟黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、新填土、沉積粉土，但在砂層中加固效果差。其優(yōu)點是施工工藝成熟，加固體自穩(wěn)性較好，工期短、費(fèi)用低。加固施工無振動、噪聲小，加固體地面無較大隆起或沉降，對相鄰建筑物無有害影響。其缺點是加固深度超過14 m時加固效果很差，對地層較硬（標(biāo)貫大于18擊）的地段加固較難，加固后的土體整體止水性較差。

3）素混凝土地下連續(xù)墻＋壓密注漿。該加固方式采用素混凝土墻作止水帷幕，在帷幕范圍內(nèi)實施壓密注漿，基本上適用于所有地層，特別是在不良地質(zhì)條件下效果顯著。其優(yōu)點是適用地層范圍廣，特別適用于不良地質(zhì)條件地層，對地層加固效果顯著，加固后的土體整體止水性及自穩(wěn)性很好，施工工期短。其缺點是需要大型設(shè)備成槽機(jī)進(jìn)場，施工占地要求較大，工程造價相對較高。

4）素混凝土鉆孔咬合樁＋壓密注漿。該加固方式采用素混凝土咬合樁（墻）作止水帷幕，在帷幕范圍內(nèi)實施壓密注漿，基本上適用于所有地層，特別是在不良地質(zhì)條件下效果顯著。其優(yōu)點是適用地層范圍廣，特別適用于不良地質(zhì)條件地層，對地層加固效果顯著，加固后的土體整體止水性及自穩(wěn)性很好，施工工期短，施工場地要求低，對周邊干擾較小。其缺點是工程造價相對較高。

針對該地質(zhì)條件及工程特點，本次選擇素混凝土鉆孔咬合樁＋壓密注漿進(jìn)行地層加固方案，原因是受場地所限，地表提供的場地狹小，施工工期短，并且采用的加固方案安全、可靠、有效。

4 咬合樁墻施工

4.1 加固方式及范圍

加固里程選取范圍為ZDK1114.4～ZDK1122.2，加固形式為長7.8 m、寬11.9 m的閉合矩形素混凝土咬合樁（墻）止水帷幕，并對盾構(gòu)機(jī)擬定停機(jī)開倉位置掌子面處施工一排素混凝土樁以穩(wěn)定掌子面。

咬合樁采用鉆孔樁施工[2]，樁徑為1.2 m，樁間咬合0.4 m，樁長27.0 m，止水帷幕伸入隧道底3.0 m，上澆筑至地面標(biāo)高，采用C20P8水下混凝土。

完成咬合樁施工以后，為防止咬合樁搭接不到位，對樁間采用袖閥管注漿。袖閥管注漿深約28 m，具體需考慮現(xiàn)場填平后場地標(biāo)高。注漿段為隧道底下3 m，上注漿到接近地面，加固段長度約28 m。漿液采用水泥水玻璃雙液漿。

4.2 旋挖鉆咬合樁施工注意要點

1）護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒內(nèi)徑比樁徑大30 cm，埋設(shè)好的護(hù)筒頂面高出地下水位1.5 m。護(hù)筒中心軸線對正樁位中心，確保軸線誤差±10 mm，樁垂直度0.5%，護(hù)筒頂面平整度5 mm。埋設(shè)的護(hù)筒質(zhì)量影響著成孔質(zhì)量，確保其平面位置及豎直度，保證護(hù)筒底腳密實度，是提高成孔質(zhì)量的有效途徑。

2）樁成孔過程中垂直度監(jiān)測和檢查。依靠旋挖機(jī)自身的儀表控制系統(tǒng)，靠旋挖機(jī)進(jìn)行自我調(diào)整來完成，以達(dá)到控制成孔垂直度的目的；在地面選擇2個相互垂直的方向，用2個經(jīng)緯儀監(jiān)測地面以上的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差隨時糾正。

3）泥漿質(zhì)量控制。制備泥漿是旋挖鉆機(jī)能否成孔的關(guān)鍵，也是影響鉆孔進(jìn)度和樁基混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵，泥漿過稀時不能浮渣影響鉆進(jìn)，過稠時泥漿附在孔壁上，影響樁基混凝土的質(zhì)量。成孔采用制備泥漿作為孔樁護(hù)壁，泥漿材料選用膨潤土或黏土，制備泥漿在泥漿池內(nèi)進(jìn)行，每立方米泥漿需膨潤土450～500 kg，加入適量燒堿可提高泥漿的黏度。施工中根據(jù)出渣情況判斷土層結(jié)構(gòu)，及時合理地調(diào)整泥漿性能指標(biāo)，遇松散地層時適當(dāng)增大。

4）孔深質(zhì)量控制。在開孔前對鉆具的總長度準(zhǔn)確計算并做好記錄，根據(jù)轉(zhuǎn)盤標(biāo)高、設(shè)計孔深及鉆具總長度計算成孔深度。達(dá)到設(shè)計孔深時可停止鉆進(jìn)，將鉆頭提離孔底20cm左右空轉(zhuǎn)，稀釋孔底泥漿進(jìn)行清孔，用測繩準(zhǔn)確測量孔深，達(dá)到設(shè)計孔深時停止清孔，否則應(yīng)重新清孔。

5）樁咬合質(zhì)量控制。鉆孔咬合樁施工順序為A1—A3—A2—A5—A4—A7—A6（圖2）。

圖2 咬合樁施工順序

在鉆孔咬合樁施工過程中，若因A1樁超緩凝混凝土的質(zhì)量不穩(wěn)定出現(xiàn)早凝現(xiàn)象或機(jī)械設(shè)備故障等原因，在A2樁成孔施工時，其一側(cè)A1樁的混凝土已經(jīng)凝固，使旋挖機(jī)不能按正常要求切割咬合A1、A3樁，此時宜向A3樁方向平移A2樁樁位，使旋挖鉆機(jī)單側(cè)切割A(yù)3樁，并在A1樁和A2樁外側(cè)另增加1根旋噴樁作為防水處理。

5 結(jié)語

本次地層加固通過查找高壓旋噴樁加固失敗的原因，探尋了一種新的加固方式，針對富水動壓砂層等不良地質(zhì)條件，可以快速、安全、有效地完成對所需土體的加固，并取得良好的效果，縮短了盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時間，保證了盾構(gòu)機(jī)常壓開倉修復(fù)中心回轉(zhuǎn)體的安全性和可靠性。