軟弱富水地層大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭聯(lián)合加固方法及應(yīng)用

趙合全

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211899）

盾構(gòu)法具有安全性好、機(jī)械化水平高、施工速度較快、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通隧道的建設(shè)。隨著軌道交通的不斷發(fā)展，盾構(gòu)始發(fā)井位于淤泥與粉土粉砂等軟弱富水地層將不可避免。盾構(gòu)始發(fā)穿越軟弱富水地層時(shí)可能出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)脫離始發(fā)基座，引發(fā)“叩頭”現(xiàn)象，或?qū)е峦凰磕嗉暗乇硭莸仁鹿?，因此加固盾?gòu)始發(fā)端地層是十分必要的。目前對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)端頭的加固方式有很多，常采用降水、旋噴樁、攪拌樁、凍結(jié)法等方式中一種或兩種相結(jié)合的加固方式對(duì)始發(fā)端頭進(jìn)行加固。王天明等介紹了南寧地鐵1號(hào)線盾構(gòu)密閉始發(fā)技術(shù)；朱世友等建立了常用18種盾構(gòu)始發(fā)端加固方案庫；陳學(xué)軍等介紹了深圳地鐵2號(hào)線攪拌樁與素混凝土墻聯(lián)合加固設(shè)計(jì)和施工過程；周誠等介紹了武漢越江隧道盾構(gòu)始發(fā)地層降水與三軸旋噴樁聯(lián)合加固方案；曾暉等介紹了南京地鐵1號(hào)線素混凝土樁與高壓旋噴樁聯(lián)合加固方式和質(zhì)量控制措施；祝和意等介紹了水平凍結(jié)法在蘇州地鐵的應(yīng)用；石泉彬等介紹了垂直凍結(jié)法在寧和城際軌道的應(yīng)用。但現(xiàn)有研究對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)端頭采用兩種以上方式聯(lián)合加固的研究較少。

杭州望江路隧道穿越錢塘江，盾構(gòu)始發(fā)段地層條件差，始發(fā)施工風(fēng)險(xiǎn)較大。現(xiàn)結(jié)合地層特點(diǎn)，提出了一種采用局部垂直凍結(jié)法、三軸攪拌樁和高壓旋噴樁聯(lián)合加固的盾構(gòu)始發(fā)端頭地層加固方法，介紹了相應(yīng)的加固方法和參數(shù)，以及后期盾構(gòu)始發(fā)效果的檢驗(yàn)狀況，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

杭州望江路隧道位于杭州市錢塘江西興大橋與復(fù)興大橋之間，兩岸分別連接上城區(qū)的望江東路和濱江區(qū)的江暉路，區(qū)間線路見圖1。主線隧道采用雙向四車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速為 60 km/h，其中越江段隧道施工通過直徑為11.6 m的兩臺(tái)泥水盾構(gòu)分體始發(fā)。盾構(gòu)隧道左線長(zhǎng)約1 837 m，右線長(zhǎng)約1 830 m，采用管片拼裝式單層襯砌，管片外徑11.3 m，內(nèi)徑10.3 m，幅寬2 m，管片縱向接縫設(shè)置凹凸榫槽，采用斜螺栓連接。

圖1 工程區(qū)間線路Figure 1 Tunnel alignment

盾構(gòu)始發(fā)端隧道頂部埋深10.4 m，地下水位埋深4.7 m。工程場(chǎng)地區(qū)內(nèi)主要分布有填土、粉土、粉砂及粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)穿越地層主要為粉砂、粉土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)始發(fā)端地質(zhì)縱斷面圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)端地質(zhì)縱斷面Figure 2 The geological profile of the shield launching hole

始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻厚1.2 m，采用C30水下混凝土澆筑，洞門破除直徑12.2 m，分3次進(jìn)行洞門混凝土的鑿除(依次鑿除20 cm、70 cm、30 cm)，整個(gè)洞門破除方量約140 m。

杭州望江路隧道為大直徑盾構(gòu)越江隧道，盾構(gòu)始發(fā)井位于富水軟弱砂質(zhì)、淤泥質(zhì)地層，具有工程地質(zhì)條件差、高水頭、土層滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，盾構(gòu)始發(fā)易發(fā)生涌水涌砂、土體失穩(wěn)現(xiàn)象，為確保洞門破除與盾構(gòu)始發(fā)施工安全，須采取合理的地層加固措施。

2 聯(lián)合加固方法及設(shè)計(jì)

2.1 聯(lián)合加固方法的提出

盾構(gòu)始發(fā)端頭地層加固通常根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及盾構(gòu)選型等因素，采取三軸深層攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿加固、凍結(jié)法及素混凝土墻等方法。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，三軸攪拌樁無法與地連墻密貼，需在二者連接段采用高壓旋噴樁加固，而水泥漿在地下水流動(dòng)性強(qiáng)的富水砂性地層中難以凝固成整體，導(dǎo)致旋噴樁均勻性較差、加固效果不佳，易出現(xiàn)涌水涌砂；而凍結(jié)法可以補(bǔ)強(qiáng)旋噴樁產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié)，但水平凍結(jié)法造價(jià)較高、施工工期長(zhǎng)且凍脹融沉影響大，因此垂直凍結(jié)法是更優(yōu)的加固方式。綜合考慮，本工程采用三軸攪拌樁+高壓旋噴樁+局部垂直凍結(jié)的聯(lián)合加固方式對(duì)盾構(gòu)始發(fā)井地層進(jìn)行加固。加固方案如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)始發(fā)端地層加固方案Figure 3 Stratum reinforcement scheme at the shield launching hole

2.2 聯(lián)合加固設(shè)計(jì)

三軸攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)為樁徑850 mm，間距600 mm，其中搭接長(zhǎng)度 250 mm，保證止水效果。水泥摻量空樁9%、實(shí)樁20%，水灰比 1.5∶1。加固范圍縱向沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)?5 m，橫向加固至盾構(gòu)隧道外輪廓左右兩側(cè)5 m，豎向?yàn)槎軜?gòu)隧道頂部以上5 m至盾構(gòu)隧道底部以下5 m；加固標(biāo)準(zhǔn)采用28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，滲透系數(shù)不大于1×10cm/s。

靠近始發(fā)井側(cè)采用800 mm@600 mm高壓旋噴樁對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與三軸攪拌樁交接處加固，并在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)角部進(jìn)行高壓旋噴樁加固止水。高壓旋噴樁采用水灰比為 1∶1的水泥，摻量為 25%。加固區(qū)縱向長(zhǎng)度2 m，加固寬度至隧道外輪廓兩側(cè)5 m，加固深度至隧道底5 m，加固標(biāo)準(zhǔn)采用28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，滲透系數(shù)不大于1×10cm/s。

現(xiàn)場(chǎng)采用鹽水進(jìn)行局部?jī)鼋Y(jié)加固，設(shè)計(jì)要求凍土平均溫度達(dá)到-10℃，鹽水溫度達(dá)到-30℃～-28℃。加固區(qū)范圍設(shè)置為橫向由盾構(gòu)隧道左右兩側(cè)向外延伸5 m，豎向?yàn)樗淼理敳肯蛏? m至隧道底部向下4 m。凍結(jié)加固設(shè)計(jì)壁厚為2 m，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.6，設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度分別為5.0 MPa、3.8MPa、1.8 MPa，泊松比為0.35。

2.2.3.1 荷載計(jì)算

為確保安全，始發(fā)洞口凍結(jié)加固體所承受荷載，按照最不利狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，采用洞門下緣最深處的水土壓力。

應(yīng)用重液理論計(jì)算水土壓力，其洞口水土壓力為

式中，為計(jì)算點(diǎn)的水土壓力，MPa；為計(jì)算點(diǎn)埋深，m。

盾構(gòu)始發(fā)洞門下緣埋深為21.86 m，則通過計(jì)算得水土壓力為=0.284 MPa。

2.2.3.2 凍結(jié)壁厚度計(jì)算

1) 按最大剪應(yīng)力驗(yàn)算。將洞門加固土體視為厚度為的周邊自由支撐的彈性圓板，按照彈性力學(xué)板塊理論，最大剪應(yīng)力驗(yàn)算公式為

式中，為加固體開挖內(nèi)直徑，m；為凍結(jié)壁厚度，m。

當(dāng)凍結(jié)壁厚度為2 m時(shí)，計(jì)算得=0.401＜1.8 MPa，安全系數(shù)為4.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 按最大彎拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算。同樣，按照彈性力學(xué)板塊理論，最大彎拉、壓應(yīng)力驗(yàn)算公式為

式中，為凍結(jié)土體泊松比。

計(jì)算得到=2.247＜3.8 MPa，安全系數(shù)為1.7，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)上述計(jì)算，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度2.0 m，其抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)采用兩排共計(jì)46個(gè)凍結(jié)孔，A排24個(gè)、B排22個(gè)；A排孔距槽壁0.5 m，相鄰排間距0.8 m，孔間距0.8 m，采用梅花形布置，單個(gè)凍結(jié)孔長(zhǎng)度為27.02 m，凍結(jié)區(qū)域內(nèi)共設(shè)4個(gè)孔進(jìn)行測(cè)溫，垂直凍結(jié)管規(guī)格為127 mm×5 mm。凍結(jié)孔位平面布置圖如圖4所示。

圖4 凍結(jié)孔位平面布置Figure 4 Layout plan of freezing hole

3 施工及加固效果評(píng)價(jià)

施工前先進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括管線遷移、場(chǎng)地區(qū)整平等。盾構(gòu)始發(fā)端頭加固按照三軸攪拌樁施工、高壓旋噴樁施工、局部?jī)鼋Y(jié)施工順序進(jìn)行，前一步施作完成并驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行下一步的施工。

3.1 三軸攪拌樁施工及加固效果評(píng)價(jià)

三軸攪拌樁加固于2017年5月29日開始施工，2017年7月2日完成端頭加固，共計(jì)35 d。施工工序如圖5所示。

圖5 三軸攪拌樁施工工序Figure 5 Construction procedure of three-axis mixing pile

施工過程需保證樁體垂直度和加固體均勻性。

3.1.2.1 保證樁體垂直度措施

1) 整平整實(shí)行走道板，使行走道板在同一水平線上。

2) 在樁架上安裝一個(gè)鐵圈，同時(shí)在鐵圈上方10 m處安設(shè)鉛錘，通過全站儀或經(jīng)緯儀測(cè)量并調(diào)整鉆桿垂直度，使得鉛錘中心投影與鐵圈中心重合，控制垂直度誤差在0.5%以內(nèi)。

3) 鉆孔前采用水平尺校對(duì)機(jī)械架，保證樁體的垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。

4) 為保證攪拌軸垂直施工，鉆孔前對(duì)攪拌軸縱橫向同時(shí)進(jìn)行校正。

5) 施工過程中不定時(shí)測(cè)量機(jī)座四周標(biāo)高，檢查并糾正機(jī)座的水平度，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)樁體的垂直度測(cè)量。

3.1.2.2 保證加固體均勻措施

1) 壓漿過程中需保證漿液供應(yīng)充足，輸送管運(yùn)輸通暢，確保壓漿均勻、連續(xù)。若出現(xiàn)樁體斷裂現(xiàn)象，應(yīng)繼續(xù)向下鉆進(jìn)50 cm后再向上提升，提升的過程中保持噴漿。

2) 檢查樁頂噴漿效果，杜絕出現(xiàn)漏噴，保證樁頂水泥強(qiáng)度與質(zhì)量。

3) 攪拌樁的下沉速度及提升速度應(yīng)保持勻速。

4) 攪拌樁頭部下沉到預(yù)定位置后，同步啟動(dòng)灰漿泵，將水泥漿壓入土體，并在噴漿過程中進(jìn)行攪拌，維持1～2 min的時(shí)間。

5) 攪拌提升速度不大于0.5 m/min，確保攪拌充分。

6) 攪拌樁的施工間隔時(shí)間不大于 10 h，若超出10 h應(yīng)加大水泥漿用量，保證樁體之間的搭接強(qiáng)度。

3.1.2.3 三軸攪拌樁加固效果評(píng)價(jià)

施工過程中各機(jī)械運(yùn)行正常，樁位偏差均小于50 mm、樁身垂直度誤差小于0.5 %，搭接樁施工間歇時(shí)間小于10 h，均滿足要求。攪拌樁施工完成28 d后，對(duì)試樁進(jìn)行鉆孔取芯，檢測(cè)樁體的攪拌均勻程度、完整性和樁身長(zhǎng)度。將取出的芯樣3個(gè)分為一組，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度大于1 MPa，滲透系數(shù)小于1×10cm/s。

3.2 高壓旋噴樁施工及加固效果評(píng)價(jià)

旋噴樁加固于2017年9月9日開始施工，2017年9月20日完成施工，共計(jì)12 d。施工工序如圖6所示。

圖6 高壓旋噴樁施工工序Figure 6 Construction procedure of high-pressure jet grouting pile

1) 旋噴樁施工前1 h內(nèi)進(jìn)行水泥漿攪拌，施工過程中控制冒漿量在10%～25%。

2) 貯漿罐內(nèi)應(yīng)保持?jǐn)嚢瑁乐節(jié){液沉淀。漿液運(yùn)輸至吸漿桶時(shí)用濾網(wǎng)過濾，防止噴漿設(shè)備堵塞。水泥漿液攪拌時(shí)間須在旋噴前1 h內(nèi)進(jìn)行，并嚴(yán)格控制水灰比。

3) 旋噴樁施作時(shí)旋轉(zhuǎn)、提升必須保持連續(xù)性，若發(fā)生間斷，則須留有10 cm以上的搭接范圍，避免樁體產(chǎn)生脫節(jié)。

試樁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為22.02 m，樁身抗壓強(qiáng)度為1.0 MPa，滲透系數(shù)為1×10cm/s。旋噴樁施工完28 d后，在每根樁的直徑方向1/4位置，樁身全長(zhǎng)范圍內(nèi)鉆孔取出芯樣，檢查芯樣的完整程度、均勻程度，并選擇3個(gè)位于不同深度的芯樣做強(qiáng)度試驗(yàn)，并采用滲透儀對(duì)試件滲透系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)最小為22.21 m＞22.02 m，最小抗壓強(qiáng)度為1.1 MPa＞1.0 MPa，滲透系數(shù) 4.52×10cm/s＜1×10cm/s。檢測(cè)結(jié)果表明，芯樣連續(xù)、完整、均勻，滿足規(guī)范要求。

3.3 局部?jī)鼋Y(jié)法施工及加固效果評(píng)價(jià)

冷凍機(jī)從2017年12月4日開始運(yùn)行，至12月11日時(shí)鹽水去路溫度達(dá)到-22.3℃，至12月18日時(shí)，即運(yùn)行15 d后鹽水去路溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值-28.0℃。之后溫度便持續(xù)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值之下，總?cè)ヂ?、總回路溫差保持?℃之內(nèi)，于2018年1月9日冷凍結(jié)束，共計(jì)冷凍36 d。施工工序如圖7所示。

圖7 凍結(jié)法施工工序Figure 7 Construction procedure of freezing method

1) 凍結(jié)孔成孔時(shí)，上部土體通過沖擊鉆頭或取芯機(jī)鉆孔，下部土體通過牙輪鉆頭鉆孔。

2) 凍結(jié)孔鉆孔時(shí)應(yīng)控制轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)壓力及沖洗量，保證勻速鉆進(jìn)成孔。鉆頭更換或加尺時(shí)，為防止鉆具滯留在某一深度長(zhǎng)時(shí)間沖壓，應(yīng)將鉆具下至孔底上0.3～0.5 m處掃孔。若發(fā)生停電，應(yīng)將鉆具提升到安全范圍內(nèi)，停電時(shí)間超過2 h時(shí)，取出所有機(jī)具進(jìn)行詳細(xì)檢查，鉆桿彎曲、鉆頭磨損較嚴(yán)重時(shí)停止使用，鉆孔完成后檢查鉆桿長(zhǎng)度，沖孔后安裝凍結(jié)管，安裝深度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 凍結(jié)孔平均偏斜率不得大于 0.5%，凍結(jié)孔終孔間距應(yīng)小于1 100 mm，當(dāng)凍結(jié)孔孔距超限時(shí)予以補(bǔ)孔。施工過程中，采用燈光經(jīng)緯儀進(jìn)行終孔和成孔時(shí)的斜度測(cè)量。

4) 在始發(fā)洞門范圍連續(xù)墻鑿除后，盾構(gòu)始發(fā)破洞之前，將盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)凍結(jié)管提升至隧道頂部以上0.5 m位置，并繼續(xù)進(jìn)行凍結(jié)加固；當(dāng)盾構(gòu)通過凍結(jié)加固范圍之后，拔除所有凍結(jié)管，然后在凍結(jié)孔內(nèi)回填黃砂充填。

1) 凍結(jié)帷幕厚度。通過各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，得到各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)最慢凍土發(fā)展速度見表1。

表1 各測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)最慢凍土發(fā)展速度Table 1 The slowest permafrost development rate at each temperature hole measurement point

由表1可知，凍土發(fā)展速度最慢為24.1 mm/d。按照此速度計(jì)算凍結(jié)36 d的凍土發(fā)展半徑為=24.1×36=867 mm，此時(shí)凍結(jié)帷幕有效厚度最薄為2 012 mm，滿足設(shè)計(jì)要求2 000 mm。

2) 凍土平均溫度。凍土平均溫度可根據(jù)《簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)》凍結(jié)施工成冰公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，為凍土平均溫度，℃；t為鹽水溫度，取-29.0℃；常數(shù)l為孔間距，最大孔間距為1.015 m；為凍結(jié)36 d的凍土厚度，取凍土最薄處厚度為2.012 m；t為井幫處的溫度，按經(jīng)驗(yàn)取-7℃。

代入數(shù)據(jù)通過計(jì)算可得，凍結(jié)36 d的凍土平均溫度為= -10.2℃，滿足設(shè)計(jì)凍土平均溫度小于-10℃要求。

3) 洞門探孔檢查。盾構(gòu)始發(fā)井洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻破除之前，需在洞門范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻上打設(shè)溫度觀察孔，觀察孔穿越地下連續(xù)墻并進(jìn)入凍土內(nèi)深度5～10 cm，以判斷凍土厚度及溫度。溫度量測(cè)采用高精度的測(cè)溫儀，各觀察孔實(shí)測(cè)溫度最高為-6.2℃，低于規(guī)范要求的-5℃。洞門探孔分布如圖8所示。

圖8 洞門探孔分布Figure 8 Distribution of exploratory holes at portal

3.4 地表及管片監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)始發(fā)井地層加固效果及盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響，同時(shí)凍結(jié)會(huì)造成局部地層體積膨脹，解凍后地層會(huì)出現(xiàn)一定的融沉現(xiàn)象。因此有必要對(duì)隧道管片和地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1) 隧道管片監(jiān)測(cè)。盾構(gòu)穿越地區(qū)為采用局部?jī)鼋Y(jié)，為了減小融沉的影響適當(dāng)加大同步注漿量，每環(huán)注漿量大于理論注漿量 150%，盾構(gòu)穿越過程未出現(xiàn)管片破損和滲漏等病害。隧道始發(fā)到地層解凍之前進(jìn)行管片沉降和收斂監(jiān)測(cè)。管片最大沉降9.12 mm，最大水平收斂 3 mm，滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)的要求，即管片沉降、水平收斂小于10 mm。

2) 地表沉降監(jiān)測(cè)。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式為沿隧道掘進(jìn)方向每4 m(2環(huán)管片長(zhǎng)度)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每12 m(6環(huán)管片長(zhǎng)度)布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共11個(gè)測(cè)點(diǎn)。地表沉降特點(diǎn)呈現(xiàn)出盾構(gòu)掘進(jìn)到達(dá)監(jiān)控?cái)嗝媲暗牡乇砺∑鹋c盾構(gòu)掘進(jìn)通過該地層后的地表下沉，隨著盾構(gòu)越過監(jiān)測(cè)斷面距離的增加，最后地表下沉速率減慢并趨于收斂。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地表最大隆起量8.2 mm，最大下沉量28 mm，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

以杭州望江路盾構(gòu)過江隧道工程為依托，考慮高水頭粉土粉砂及淤泥地層特點(diǎn)，進(jìn)行始發(fā)端地層加固方案研究，主要結(jié)論如下：

1) 在軟弱富水地層采用深層攪拌樁加旋噴樁和局部垂直凍結(jié)加固的聯(lián)合加固方法，可以保證洞門順利破除與盾構(gòu)安全始發(fā)。

2) 聯(lián)合加固措施實(shí)施后，旋噴樁、攪拌樁及凍結(jié)壁施工質(zhì)量較好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，盾構(gòu)始發(fā)施工過程中管片沉降與水平收斂、地表沉降滿足規(guī)范要求，盾構(gòu)未出現(xiàn)管片破損，滲漏水等異常情況，地層加固處理的效果較好。