隧道穿越江堤段防滲體消險(xiǎn)加固處理技術(shù)

鄧傳貴，甘 磊，鄧家錚，馮先偉

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.南京市水務(wù)建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210019)

大型隧道穿越堤防盾構(gòu)施工容易引起堤防變形，甚至導(dǎo)致堤防裂縫，嚴(yán)重影響堤防防滲性能[1-4]。隧道穿越堤防施工過(guò)程中需要檢測(cè)堤防變形，必要時(shí)還需進(jìn)行防滲加固處理[5-7]。江堤常用的防滲加固處理方法是沿堤軸線建造防滲墻[8-10]，如2010—2012年南京長(zhǎng)江干堤防洪能力提升工程采用多頭小直徑水泥攪拌樁防滲處理[11]、高壓旋噴灌漿加固防滲墻[12]等措施。

南京市緯三路過(guò)江通道N線隧道穿越江堤段在三汊河段以與江堤軸線夾角約17°的小角度穿越長(zhǎng)江大堤，穿越點(diǎn)位于樹(shù)人學(xué)校段。緯三路過(guò)江通道N線-長(zhǎng)江南岸江堤布置平面如圖1所示。該過(guò)江通道N線隧道盾構(gòu)外徑為14.50 m，盾構(gòu)縱坡約為4.6%，盾構(gòu)、堤防交叉點(diǎn)處頂高程為-14.24 m，對(duì)江堤及地基影響較大。2015年5月19日，緯三路過(guò)江通道工程N(yùn)線盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)至長(zhǎng)江南岸樹(shù)人學(xué)校段江堤時(shí)迎水面堤腳附近出現(xiàn)氣涌現(xiàn)象，長(zhǎng)江大堤風(fēng)光帶圍欄出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)變形，堤防出現(xiàn)局部變形，原鋼筋混凝土防洪墻0+217～0+232段于0+223位置處斷裂。5月20日下午采取了反壓施工的應(yīng)急處置方案。2016年汛期，三汊河段堤防樹(shù)人學(xué)校段江堤又出現(xiàn)散浸滲漏險(xiǎn)情，具體險(xiǎn)情位置如圖2所示。學(xué)校綜合樓西側(cè)60余m江堤背水坡堤腳(高程8.40 m)部位發(fā)現(xiàn)散浸，有3處較為明顯的集中滲水，水量較大；操場(chǎng)邊堤后擋墻分縫處有滲水點(diǎn)；學(xué)校綜合樓食堂北側(cè)、新華船廠鋼架廠房后方有1處集中匯水出口，鋼架廠房北側(cè)、渡江紀(jì)念碑廣場(chǎng)后方有冒水點(diǎn)；局部區(qū)域(塑膠跑道北側(cè)區(qū)域)地面也有冒水點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn)多處積水區(qū)，期間江水位為9.30 m左右，滲水點(diǎn)、集中水流和冒水點(diǎn)均為清水，經(jīng)采取布置堤后養(yǎng)水盆、加強(qiáng)巡查觀測(cè)等應(yīng)急措施，有效處置了險(xiǎn)情。汛期過(guò)后，該段江堤進(jìn)行了消險(xiǎn)加固處理。本文主要闡述該段江堤防滲體消險(xiǎn)加固處理技術(shù)，分析消險(xiǎn)加固方案、施工工藝及加固效果。

圖1 緯三路過(guò)江通道N線-長(zhǎng)江南岸江堤平面布置

圖2 樹(shù)人學(xué)校段江堤險(xiǎn)情位置

1 工程地質(zhì)概況

該工程場(chǎng)地位于鼓樓區(qū)樹(shù)人中學(xué)江堤旁，場(chǎng)地下方有揚(yáng)子江隧道穿過(guò)。場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，稍有起伏。江堤堤頂標(biāo)高11.43～12.22 m，堤頂寬度8.0～15.0 m，堤內(nèi)地面標(biāo)高8.42～9.73 m。據(jù)勘探揭露，緯三路過(guò)江通道N線隧道穿越江堤段工程區(qū)分布的淤泥質(zhì)土等軟土層為不良工程地質(zhì)層。

2016年汛期搶險(xiǎn)期間，開(kāi)展了堤防變形監(jiān)測(cè)、探地雷達(dá)探測(cè)和高密度電法探測(cè)等工作。監(jiān)測(cè)和探測(cè)結(jié)果顯示，樹(shù)人學(xué)校段江堤總體變形位移較小，堤防整體穩(wěn)定；隧道穿越段堤身和堤基土存在松散滲水現(xiàn)象及疑似滲水通道，學(xué)校操場(chǎng)段隧道穿越區(qū)存在較明顯的地質(zhì)缺陷，主要是出現(xiàn)了脫空異常區(qū)，脫空異常區(qū)域四周介質(zhì)松散；緯三路隧道穿越江堤段堤身及下部堤基局部土質(zhì)松散，堤身填土滲透性達(dá)中等～強(qiáng)透水等級(jí)，在隧道上部區(qū)域存在疑似滲漏通道；樹(shù)人中學(xué)學(xué)校操場(chǎng)混凝土路面下方存在脫空異常區(qū)，隧道穿越區(qū)域操場(chǎng)地基存在不均勻沉降現(xiàn)象，土體松散。

2 破損防滲體加固設(shè)計(jì)

樹(shù)人學(xué)校段江堤(含堤防和防洪墻建筑物)建筑物級(jí)別為1級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期大于或等于100 a，南京下關(guān)潮位站防洪水位為10.60 m，樹(shù)人學(xué)校段堤防設(shè)計(jì)洪水位為10.63m。采用滲流有限元法進(jìn)行防滲體加固方案滲流穩(wěn)定復(fù)核，計(jì)算結(jié)果表明采取垂直防滲墻截滲措施后，各計(jì)算斷面在設(shè)計(jì)洪水情況下最大斷面滲流量為0.267 m2/d，堤坡和堤基最大出逸坡降均為0.30，小于允許滲透坡降0.42，能夠滿(mǎn)足滲流穩(wěn)定要求。

江堤防滲處理樁號(hào)為K0+153～K0+653，長(zhǎng)500 m。順堤頂縱向設(shè)置2排垂直防滲墻，間距2.0 m，前排采用多頭小直徑深層攪拌樁成墻，墻底高程-6.0 m，頂高程11.0 m，墻厚0.6 m。后排采用高壓旋噴樁成墻，墻底高程-11.0 m，墻頂高程11.0 m，設(shè)計(jì)樁徑0.6 m，成墻厚度0.4 m。防滲墻布置剖面如圖3所示。

圖3 防滲墻布置剖面(單位：m)

順堤頂沿縱向全線設(shè)置前排連續(xù)防滲墻，防滲縱軸線距離防洪墻底板后趾不小于2 m；防滲墻底高程距離隧道頂按3 m控制。前排防滲墻采用多頭小直徑深層攪拌樁形式，設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，成墻厚度0.6 m，采用雙排套打方式成墻，排距0.3 m，縱向樁距0.4 m；防滲墻頂高程11.0 m，底高程-6.0 m。攪拌樁水泥摻量為15 %，水泥漿水灰比為0.55 ～ 0.80，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。攪拌樁施工前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，以確定水泥摻入量及水灰比，并進(jìn)行工藝性試樁，數(shù)量不少于3根；樁身垂直度偏差小于或等于樁長(zhǎng)的0.3%，成樁樁位與設(shè)計(jì)定位的偏差不大于30 mm。

后排防滲墻采用高壓旋噴樁成墻方案，墻頂高程11.0 m，墻底高程-11.0 m，設(shè)計(jì)樁徑0.6 m，樁距0.44 m，成墻厚度0.4 m。噴射注漿采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，防滲墻滲透系數(shù)不大于(1～9)×10-6cm/s。鉆孔位置允許偏差不大于50 mm，垂直度允許偏差不大于0.3%，噴射管分段提升的搭接長(zhǎng)度不小于100 mm。水泥用量不少于300 kg/m3，水泥漿液的水灰比取1.0。漿液噴射壓力為20～40 MPa，流量為70～120 L/min。土層中提升速度取10～20 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度取8～20 r/min，且在礫石層、卵石層、風(fēng)化巖層中適當(dāng)減小提升和旋轉(zhuǎn)速度。

3 防滲墻施工工藝及參數(shù)

3.1 防滲方案

先開(kāi)展試樁成墻試驗(yàn)，確定各施工工藝及參數(shù)，并校驗(yàn)多頭小直徑深層攪拌樁、高壓旋噴樁成墻施工的可行性。根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行打樁區(qū)土方開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖至5 m深時(shí)下方仍有大量混凝土、磚塊等雜物。結(jié)合補(bǔ)充勘探資料，經(jīng)專(zhuān)家論證取消多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻，變更為先引孔再打高壓旋噴樁的成墻方案。

3.2 第一次高壓旋噴樁試樁

采用二重管法試樁，同時(shí)噴射水泥漿與壓縮空氣。試樁水泥為普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶1，水泥摻量不少于300 kg/m3， K0+653處南側(cè)試樁3根，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22.8 m，樁徑0.6 m，樁距0.44 m， 樁孔深22.8 m。鉆機(jī)噴嘴2個(gè)，噴嘴孔徑2 mm，旋轉(zhuǎn)速度20 r/min，提升速度20 cm/min，高壓泵壓力分別為28 MPa、29 MPa和30 MPa，流量分別為30 L/min、36 L/min和70 L/min，試樁用漿量分別為3.48 m3、4.1 m3和7.98 m3，水泥用量分別為408 kg/m3、485 kg/m3和935 kg/m3，孔口均有返漿，水泥用量大于設(shè)計(jì)要求的300 kg/m3。檢測(cè)共取芯4處，分別位于B5與B6搭接處、B3與B4搭接處、B31號(hào)樁邊緣處、BS2樁中心處，所取芯樣照片如圖4所示。由圖4可知，該地段地下地質(zhì)情況復(fù)雜，土體孔隙較大，各類(lèi)雜質(zhì)較多，成墻效果不理想。說(shuō)明高壓旋噴的漿液噴射至土層無(wú)法形成整體，難以形成防滲墻體。因此，需要采取措施約束高壓旋噴的漿液噴射范圍，盡可能使土體達(dá)到基本密實(shí)狀態(tài)。

圖4 第一次高壓旋噴樁試樁取芯情況

3.3 第二次高壓旋噴樁試樁

為約束高壓旋噴的漿液噴射范圍，確定先引孔灌漿再進(jìn)行高壓旋噴樁施工的方案。施工前，先開(kāi)展試樁試驗(yàn)，高壓旋噴樁施工完成后用挖機(jī)開(kāi)挖溝槽驗(yàn)證試樁效果，溝槽寬度、深度和長(zhǎng)度分別約為1.2 m、3.5 m和5.0 m。調(diào)整施工工藝后的成墻情況良好，成墻厚度大于0.4 m，墻體強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但水泥用量較大。

經(jīng)試樁分析，認(rèn)為該工程地質(zhì)情況下先灌漿后高壓旋噴的施工工藝是可行的，后續(xù)高壓旋噴防滲墻可按此方法施工。即每間隔1.75 m進(jìn)行充填灌漿，灌漿深度12.0 m，漿液噴射壓力控制在25～28 MPa之間，樁下部提升速度為20 cm/min，上部提升速度控制在15～20 cm/min之間，具體參數(shù)可根據(jù)孔口返漿情況及《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》[13]現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。經(jīng)過(guò)水泥黏土漿固結(jié)后，高壓旋噴的水泥漿液就被約束在一定范圍內(nèi)，從而形成墻體。結(jié)合后續(xù)大量高壓旋噴樁施工試驗(yàn)，最終選擇水泥黏土灌漿后7～15 d進(jìn)行高壓旋噴施工。

采用先打后排，后打前排的高壓旋噴樁施工方案時(shí)，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)迎水面防洪墻有明顯位移現(xiàn)象。為兼顧工程防滲效果和防洪墻安全穩(wěn)定要求，再次調(diào)整高壓旋噴樁施工工藝和施工順序，提升速度全程控制為20 cm/min，前排噴漿壓力控制在25 MPa左右，后排壓力控制在28 MPa左右；先打前排樁，待前排樁有一定強(qiáng)度后再打后排高壓旋噴樁，以減小對(duì)防洪墻的側(cè)向擠壓作用，確保防洪墻安全。

3.4 實(shí)施方案

加固處理實(shí)施方案：①將前排多頭小直徑深層攪拌樁調(diào)整為高壓旋噴樁成墻，墻底高程-11.0 m，墻頂高程11.0 m，墻厚0.4 m，與后排高壓旋噴樁距離約為1.5 m，防滲墻距隧道頂不小于3.0 m；②高壓旋噴樁施工前先引鉆孔，孔底高程0 m，孔距0.44 m，前后排防滲墻軸線各增加1排充填灌漿，灌漿孔底高程0.0 m，孔距1.75 m，灌漿后實(shí)施高壓旋噴樁；③取消隧道沿線土體加固江灘面水下部分注漿；④增加堤防背水坡腳排水溝(長(zhǎng)約170 m)，修復(fù)擋墻(長(zhǎng)約67 m)，修復(fù)跑道與操場(chǎng)間排水溝(長(zhǎng)約140 m)；⑤堤頂路面瀝青厚度由2 cm調(diào)整為3 cm，對(duì)施工中發(fā)現(xiàn)的明顯滲漏通道或孔洞增加充填灌漿等處理措施。

4 加固處理效果

4.1 圍井注水試驗(yàn)

工程完成后，由第三方進(jìn)行圍井注水試驗(yàn)。共檢測(cè)4個(gè)點(diǎn)，其滲流量Q1和滲透系數(shù)k1的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，k1均滿(mǎn)足防滲墻滲透系數(shù)不大于(1～9)×10-6cm/的設(shè)計(jì)要求。

表1 圍井注水試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

4.2 取芯孔注水試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)完成防滲墻取芯孔的注水試驗(yàn)，共檢測(cè)12孔，注水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可知，最大穩(wěn)定注水量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)對(duì)防滲墻滲透系數(shù)的要求，即防滲墻取芯孔注水試驗(yàn)的滲透系數(shù)不大于(1～9)×10-6cm/s。

表2 取芯孔的注水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)及滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4.3 檢測(cè)及檢驗(yàn)

施工過(guò)程中對(duì)堤防及地基進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，觀測(cè)表明施工期堤頂?shù)缆纷畲蟪两禐?55.37 mm，臨江側(cè)1號(hào)孔深度10 m處最大水平位移為208.8 mm，防洪墻最大水平位移為218.23 mm。工程完工后，在臨江步道5個(gè)斷面布設(shè)了滲壓計(jì)進(jìn)行滲流觀測(cè)，結(jié)果表明前排防滲墻迎江側(cè)各測(cè)點(diǎn)隨長(zhǎng)江水位變化而變化，后排防滲墻外側(cè)各測(cè)點(diǎn)受長(zhǎng)江水位影響較小，防滲墻起到了良好的防滲作用。采用探地雷達(dá)法對(duì)工程防滲墻進(jìn)行檢測(cè)，未見(jiàn)明顯的缺陷區(qū)，施工質(zhì)量總體良好。

2020年7—8月，長(zhǎng)江發(fā)生大洪水，南京下關(guān)站出現(xiàn)了超歷史的最高水位10.39 m，本次洪水從7月8日最高潮位超過(guò)9.50 m開(kāi)始，至7月21日最高潮位達(dá)10.39 m，再至8月5日以后最高潮位降至9.5 m以下，這期間共有29d長(zhǎng)江南京段日最高潮位處在9.50 m以上高位。設(shè)計(jì)洪水10.65 m下江堤防滲加固體滲流計(jì)算結(jié)果表明防滲體滲透坡降小于2.0，堤坡和堤基滲透坡降不大于0.3，均小于材料允許滲透坡降值[14]；且汛后現(xiàn)場(chǎng)檢查表明，該段江堤未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，2020年汛期江堤迎水側(cè)及背水側(cè)照片如圖5所示。綜上說(shuō)明該工程的防滲加固處理技術(shù)效果顯著。

圖5 2020年汛期江堤迎水側(cè)及背水側(cè)照片

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合南京市緯三路過(guò)江通道N線三汊河段穿江大堤工程汛期江堤出現(xiàn)的散浸滲漏險(xiǎn)情，開(kāi)展隧道穿越江堤段防滲體消險(xiǎn)加固處理技術(shù)研究。針對(duì)雜填土堤防高壓旋噴漿液難以形成防滲墻體的問(wèn)題，提出先灌水泥黏土漿，待其固結(jié)7～15 d，再采取引孔后高壓旋噴樁的成墻方案；調(diào)整原設(shè)計(jì)“后排墻先施工，前排墻后施工”的方案，提出先施工第一道前排墻，在稍低壓力下初步成墻，后排高壓旋噴樁施工時(shí)再加大壓力的施工方案，以兼顧原防洪墻體的穩(wěn)定性及加固墻體的防滲效果。該防滲體消險(xiǎn)防滲加固處理技術(shù)可供類(lèi)似工程借鑒。