大盾構(gòu)超前注漿技術(shù)在不良地層下穿民房群的應(yīng)用

肖羅峰

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

受地面房屋密集管線眾多、施工條件及其它因素影響，上軟下硬地層掘進(jìn)容易超方，在無法實(shí)現(xiàn)地面注漿加固的情況下，可采用洞內(nèi)超前注漿對(duì)刀盤上前方土體進(jìn)行加固。其主要目的是為了密實(shí)盾構(gòu)施工區(qū)域土體，減小土體透水性[1]，擠壓土體使其形成一個(gè)半圓形的密閉殼體，提高盾構(gòu)刀盤前方土體穩(wěn)定性。利用盾構(gòu)機(jī)上半部的超前注漿孔進(jìn)行注漿，加固范圍為前方2～12 m[2]，漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，漿液劈裂式擠壓土體，形成分支漿脈，注漿結(jié)束后即可恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)，無須等待漿液強(qiáng)度，實(shí)用性和操作性強(qiáng)。

1 工程概況

1.1 施工環(huán)境

廣州市軌道交通二十二號(hào)線番祈中間風(fēng)井-2#盾構(gòu)井區(qū)間長(zhǎng)2.5 km。隧道外徑8.5 m，管片環(huán)寬1.6 m，厚度0.4 m。區(qū)間盾構(gòu)需下穿沙圩一村民房群，下穿沙圩一村房屋長(zhǎng)度約120 m，距離較長(zhǎng)；區(qū)間共正穿建筑物25棟，其中11棟為天然基礎(chǔ)、14棟為樁基礎(chǔ)，隧道兩側(cè)50 m影響范圍內(nèi)房屋共計(jì)59棟，樁徑0.6～1.0 m、樁長(zhǎng)為5～13 m；房屋多為2～5層，房屋結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，少數(shù)房屋年代久遠(yuǎn)，外觀質(zhì)感差，房屋鑒定報(bào)告揭示房屋為“一般損壞房”。

1.2 地質(zhì)情況

地勘資料揭示，下穿沙圩一村部分房屋時(shí)，洞身范圍內(nèi)為〈7H〉強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、〈8H〉中風(fēng)化花崗巖、局部底部〈9H〉微風(fēng)化花崗巖的上軟下硬地層，隧道上方為〈6H〉全風(fēng)化花崗巖、砂質(zhì)粘性土、砂層和素填土層。地質(zhì)揭示情況如圖1所示。地下水主要以承壓水和基巖裂隙水為主，地層特性如下：

圖1 地質(zhì)芯樣

(1)花崗巖全風(fēng)化帶〈6H〉，巖體呈褐黃色、紅褐色等，巖芯完全風(fēng)化呈密實(shí)砂、土芯遇水易軟化崩解。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)平均38.9擊。

(2)花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶〈7H〉，巖體呈褐黃色、紅褐色等，巖芯呈半巖半土狀或巖塊狀，質(zhì)軟，巖塊手捏易碎，遇水易軟化崩解。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)平均59.5擊。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，該層屬于極軟巖。

(3)中風(fēng)化花崗巖〈8H〉，巖面起伏，巖塊較破碎，揭示強(qiáng)度14.5 MPa。

(4)微風(fēng)化花崗巖〈9H〉，巖石強(qiáng)度54.3～60.7 MPa，巖塊較破碎。

大直徑盾構(gòu)在上軟下硬復(fù)合地層中掘進(jìn)刀盤振動(dòng)明顯，掘進(jìn)速度慢，洞身上部〈6H〉、〈7H〉地層自穩(wěn)性差，掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)上部土體散落超方現(xiàn)象，易造成房屋不均勻沉降、裂縫或傾斜危害[3]。

2 洞內(nèi)超前注漿加固

2.1 加固方案設(shè)計(jì)

鐵建重工生產(chǎn)的直徑8.8 m土壓盾構(gòu)機(jī)中盾位置四周設(shè)計(jì)預(yù)留了10個(gè)超前鉆孔位置，其中腰部鉆孔6個(gè)，頂部鉆孔4個(gè)，超前注漿孔設(shè)計(jì)外插角度為8°[4]。根據(jù)洞內(nèi)可操作空間以及加固的目標(biāo)范圍，一般只選擇頂部的4個(gè)孔(從左至右編號(hào)為2#、3#、4#、5#孔,如圖2所示)，對(duì)刀盤前方拱部土體進(jìn)行加固。頂部的4個(gè)孔孔間距為1.2 m,注漿擴(kuò)散半徑按R=1.0 m計(jì)算，4個(gè)注漿孔加固的水平寬度約5.6 m。

圖2 超前注漿孔位置

根據(jù)外插角度模擬，超前注漿桿總長(zhǎng)設(shè)計(jì)按20 m計(jì)算，其中有效注漿范圍為刀盤前方約12 m，加固最高高度在隧道上方1.9 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，出漿口高度超過隧道上方2 m后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到該位置時(shí)上部土體加固效果不明顯，故設(shè)計(jì)最大鉆孔深度為20 m。鉆桿布置如圖3所示。

圖3 超前注漿鉆孔(單位：mm)

盾體上設(shè)計(jì)的超前注漿孔直徑為100 mm，選用的鉆頭和鉆桿直徑均為42 mm，單節(jié)鉆桿長(zhǎng)2.0 m，鉆桿內(nèi)為單通道注漿孔道，盾體預(yù)留的超前注漿口接頭與鉆機(jī)鉆頭位置設(shè)置法蘭盤連接，如圖4所示。

圖4 注漿孔法蘭盤連接

2.2 超前注漿原理

分段后退式超前注漿原理：采用鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，漿液采用A液與B液，混合后通過管路、鉆桿注入土體，注漿時(shí)實(shí)施定量、定壓雙液注漿把土體劈裂、擠壓、加固后具有一定的穩(wěn)定性，注完一段后將鉆桿后退一定距離再次注漿。注漿作業(yè)工作原理如圖5所示。

圖5 超前注漿原理

2.3 超前注漿關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 施工準(zhǔn)備

(1)根據(jù)超前注漿施工的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，需要用到的設(shè)備及材料有：①鉆機(jī)1臺(tái)(配套鉆桿及小型工具)，型號(hào)ZLJ-1200；②攪拌桶1個(gè)；③雙液注漿泵1臺(tái)，型號(hào)SYB-60/5；④水玻璃,40波美度；⑤P.O42.5水泥；⑥磷酸；⑦搭設(shè)平臺(tái)的腳手架鋼管及扣件、走道板、油布等。

(2)土倉(cāng)內(nèi)保實(shí)土壓：超前注漿前需把土倉(cāng)內(nèi)渣土留滿，注入泡沫和膨潤(rùn)土漿保實(shí)土壓，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤攪勻，過程中要做好渣土改良，防止土倉(cāng)內(nèi)渣土結(jié)泥餅，一般土倉(cāng)上部與下部的土壓差控制到0.9 bar倉(cāng)內(nèi)即滿倉(cāng)，以防注漿漿液大量流入土倉(cāng)結(jié)塊。

然后在盾尾注入膨潤(rùn)土漿，膨潤(rùn)土漿會(huì)流入盾殼外周進(jìn)行填充保護(hù)，以防水泥漿液把盾殼包裹住。

(3)鉆孔平臺(tái)搭設(shè)：需把掘進(jìn)油缸伸長(zhǎng)至少1.4 m以上，在盾尾拼裝區(qū)域內(nèi)提供搭設(shè)腳手架平臺(tái)空間。平臺(tái)搭設(shè)如圖6所示。平臺(tái)搭設(shè)完成后，將鉆機(jī)主機(jī)及其他零部件吊至平臺(tái)上組裝，在盾殼頂部焊接吊耳，用吊帶將鉆機(jī)主機(jī)懸吊進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，以便鉆頭與超前注漿口接頭對(duì)接和傾斜角度調(diào)整，并在平臺(tái)四周設(shè)置安全護(hù)欄。

圖6 平臺(tái)搭設(shè)

2.3.2 施工工藝流程

整個(gè)超前注漿過程施工流程為：搭設(shè)腳手架→固定鉆機(jī)→鉆孔作業(yè)→洗管→注入磷酸、水玻璃(水泥)混合液→注漿作業(yè)→封孔作業(yè)→下一個(gè)孔施工[1]。

(1)鉆孔施工：鉆孔過程中詳細(xì)記錄鉆桿長(zhǎng)度，保證鉆孔深度的準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)反映地層松軟情況，為注漿施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)水文情況。

(2)注漿施工：注漿采用后退式注漿，待鉆孔完成后，先進(jìn)行封口，注入清水徹底清洗一遍注漿管并注入適量的磷酸混合液止水，隨后開始注入水泥+水玻璃雙液漿，壓力達(dá)到后，后退鉆桿，以每0.5 m步距后退，進(jìn)行下一段的注漿作業(yè)，依次循環(huán)，直至該孔結(jié)束[5]。

注漿過程中勤轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，每3～4 h轉(zhuǎn)動(dòng)一次，謹(jǐn)防漿液進(jìn)入土倉(cāng)裹住刀盤或盾體。

在注漿過程中，需要不間斷的轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，防止出現(xiàn)卡鉆。

(3)鉆孔過程中采用磷酸止水，漿液配比為水∶磷酸=10∶1，磷酸稀釋液∶水玻璃=1∶1。

水泥+水玻璃漿液配比∶水灰比= 1∶1，水玻璃40 °be＇(1∶5稀釋)，水泥漿∶水玻璃=1∶1，實(shí)測(cè)初凝時(shí)間約50 s。

2.3.3 注漿過程控制

(1)土倉(cāng)壓力變化：注漿期間，土倉(cāng)壓力會(huì)隨注漿量和注漿壓力變化而變化，注到一定量時(shí)，注漿量難以注入，一般以不超過刀盤主驅(qū)動(dòng)能承受的最大壓力的70%為極限值，一般控制在不超過5 bar，以免造成主驅(qū)動(dòng)密封進(jìn)漿損壞，達(dá)到壓力時(shí)暫停注漿，待漿液在地層中自然擴(kuò)散和泄壓后再注漿。

注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa范圍波動(dòng)，需能將土體劈裂，注漿期間，上部土倉(cāng)壓力從3.0 bar上漲至4.5 bar，暫停后自然下降至3.0 bar再啟動(dòng)注漿，等待時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)注漿施工記錄：以4#鉆孔注漿為例，詳見表1。4#鉆孔深度為17.6 m，主要加固地層為〈6H〉全風(fēng)化花崗巖、〈7H〉中風(fēng)化花崗巖，在鉆孔過程鉆桿進(jìn)尺較勻速，每一根(2 m)鉆孔用時(shí)3～5 min，未出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

表1 4#孔注漿施工記錄

注漿壓力基本穩(wěn)定在1.0～1.5 MPa，結(jié)束時(shí)0.5 MPa，但隨著注漿總量增多，土倉(cāng)壓力出現(xiàn)瞬間上漲現(xiàn)象最高達(dá)4.5 bar。通過觀察注漿數(shù)據(jù)，注漿深度距離刀盤越近，則土倉(cāng)壓力上漲越明顯。受地層和裂隙地下水等影響，注漿過程中，漿液流入土倉(cāng)，出現(xiàn)土倉(cāng)壓力整體上漲現(xiàn)象。

4#注漿孔累計(jì)水泥使用3.9 t，水玻璃 0.9 t；2#注漿孔累計(jì)水泥使用7.0 t，水玻璃1.1 t；3#注漿孔累計(jì)水泥使用7.2 t，水玻璃1.5 t；5#孔基本難以注入，一般4個(gè)孔只能注完3個(gè)孔，土倉(cāng)壓力難以下降等待時(shí)間太長(zhǎng)，即注漿結(jié)束，水泥使用總量約18.1 t。

隧道內(nèi)操作空間有限，在盾尾拼裝區(qū)域搭設(shè)施工平臺(tái)耗時(shí)約12 h；鉆機(jī)移位對(duì)孔、校正角度耗時(shí)約在3～4 h/孔，換孔3次約用時(shí)9～12 h；注漿和等待降壓時(shí)間約22 h；拆機(jī)和架子平臺(tái)約2 h；實(shí)施一次超前注漿約用時(shí)48 h。

(3)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以定壓方式控制。定壓標(biāo)準(zhǔn)：注漿過程中，注漿壓力上升至1.5 MPa或土倉(cāng)壓力逐漸上升至4.5 bar左右且注漿深度停留在8.2 m(即鉆桿投影到水平方向至刀盤面板距離為2.6 m)時(shí)，結(jié)束該孔注漿。防止鉆桿距離刀盤太近，漿液流入土倉(cāng)太多會(huì)裹死刀盤、盾體，以及土倉(cāng)壓力太大對(duì)主驅(qū)動(dòng)密封造成損壞。

(4)超前注漿結(jié)束后，做好盾構(gòu)機(jī)復(fù)推準(zhǔn)備工作，首先開始用螺旋機(jī)進(jìn)行排渣，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)將土倉(cāng)內(nèi)渣位試降低，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)不向前進(jìn)尺，通過上、中、下的土壓傳感器壓力差和出渣量分析，判斷倉(cāng)內(nèi)渣土是否超方，掌子面是否穩(wěn)定，以此來判斷加固效果。

2.4 掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比

超前注漿后，恢復(fù)掘進(jìn)出渣土凈重量220～240 t，出渣土凈方量116～125 m3正常，地面監(jiān)測(cè)正常，未出現(xiàn)沉降預(yù)警，與超前注漿加固前相比，掘進(jìn)效果得到有效改善。掘進(jìn)速度在20～35 mm/min，土倉(cāng)壓力穩(wěn)定無較大波動(dòng)，上下土壓差較小，刀盤扭矩正常。注漿之前，掘進(jìn)上下土壓差較大，刀盤扭矩偏大，掘進(jìn)速度慢，出渣量過大，存在超方的現(xiàn)象。因此在地面不具備加固條件的情況下，采用洞內(nèi)超前注漿的施工工藝，能夠有效的改良地層的自穩(wěn)性。注漿前后具體掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 注漿前后掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比

2.5 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)和沉降標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)不同的建(構(gòu))筑結(jié)構(gòu)類型，在建筑物四個(gè)角布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，受力柱上優(yōu)先布設(shè)，在離墻角50 cm處的墻面采用鉆孔式，埋入彎成“L”型鋼筋，用植筑膠壓注固定。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖7所示。

圖7 下穿沙圩一村監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

注漿作業(yè)過程中，地面沉降監(jiān)測(cè)頻率調(diào)整為1次/4 h，加強(qiáng)聯(lián)動(dòng)，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出分析，以便及時(shí)對(duì)注漿壓力及注漿量做出合理調(diào)整。

盾構(gòu)下穿階段(盾構(gòu)機(jī)刀盤前后方距離50 m范圍)，按1次/6 h的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若發(fā)生預(yù)警后則調(diào)高至1次/(3～4)h。

注漿期間地表沉降基本沒有明顯變化，注漿后盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降最大值在-15 mm以內(nèi)。沉降值控制指標(biāo)如表3所示。

表3 沉降控制指標(biāo)

2.6 應(yīng)急措施

(1)鉆孔噴水噴砂措施：①注漿工程專業(yè)性較強(qiáng)，必須由有經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員上崗操作。②當(dāng)鉆孔過程中出現(xiàn)噴水噴砂時(shí)，立即停止鉆進(jìn)，馬上進(jìn)行磷酸水玻璃漿注漿封水，以最快速度封堵。

(2)防脫困措施：注漿前通過往土倉(cāng)和盾尾注漿管打膨潤(rùn)土漿，使之在盾體周邊擴(kuò)散形成保護(hù)，同時(shí)往前中盾徑向孔注入膨潤(rùn)土或者盾尾油脂，阻擋漿液流向盾構(gòu)機(jī)外周，防止?jié){液包裹盾體。

2.7 施工中注意事項(xiàng)

(1)洞內(nèi)采用后退式超前注漿，容易造成土倉(cāng)壓力上漲，過程中難以控制，等待降壓時(shí)間較長(zhǎng)，施工效率低，可在鉆進(jìn)過程中注入磷酸水玻璃注漿，填充地層中裂隙并在刀盤上方形成保護(hù)層從而防止?jié){液流入土倉(cāng)。

(2)由于土倉(cāng)處于非滿倉(cāng)狀態(tài)，漿液竄入土倉(cāng)，造成刀盤面板、刀箱及開口被糊住，刀盤啟動(dòng)脫困模式下，扭矩超過額定荷載，導(dǎo)致電機(jī)過載保護(hù)器銅頭被切斷，從而刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)，故需在超前注漿前把土倉(cāng)內(nèi)渣土留滿，注入泡沫和膨潤(rùn)土漿保實(shí)土壓，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤攪勻。

(3)盾尾被漿液包裹，造成復(fù)推時(shí)鉸接油缸壓力較大，盾構(gòu)機(jī)難以脫困，故需在注漿前通過往土倉(cāng)和盾尾注漿管打膨潤(rùn)土漿，使之在盾體周邊擴(kuò)散形成保護(hù)。

(4)注漿過程中需加強(qiáng)盾尾刷油脂注入，防止?jié){液擊穿造成漏漿。

(5)在整個(gè)注漿過程中，操作室值班司機(jī)須時(shí)刻關(guān)注土倉(cāng)壓力以及各參數(shù)變化，并密切關(guān)注齒輪油泄露、油箱油質(zhì)以及主軸承密封性能。

(6)注漿孔結(jié)束后，需用油脂進(jìn)行填充，防止?jié){孔堵塞。

3 結(jié)束語

(1)大盾構(gòu)在不良地層掘進(jìn)容易超方，房屋密集不具備地面加固施工條件且由于埋深較深時(shí)，地面注漿加固效果不佳，采用洞內(nèi)盾構(gòu)超前注漿加固工效高效果好，該技術(shù)實(shí)用可行。

(2)超前注漿對(duì)地表沉降影響相對(duì)較小，漿液劈裂式擠壓土體，形成分支漿脈，注漿結(jié)束后即可恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)，無須等待漿液強(qiáng)度，實(shí)用性和操作性強(qiáng)。

(3)采用超前注漿時(shí)，操作不當(dāng)可能造成盾構(gòu)機(jī)設(shè)備損壞、土倉(cāng)進(jìn)漿、盾殼包裹等風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)過程管理和專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)。