復(fù)合地層頂管洞門灌漿加固關(guān)鍵技術(shù)

羅飛輪,熊亮,李志周,孟飛,黃小波,喻志豪

(1.中國(guó)水利水電第五工程局,成都,610066;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),武漢,430074)

0 引言

頂管法以其施工工期短、噪音小及不影響地面交通等優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)得到了飛速的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于市政隧道工程,并在近些年中,逐漸運(yùn)用于水利工程中[1-2]。在頂管施工過程中,頂管機(jī)的始發(fā)及接收存在著諸多技術(shù)難點(diǎn),決定著工程能否順利進(jìn)行,尤其是運(yùn)用于水利工程在富水地層中施工時(shí),容易發(fā)生洞門漏漿、涌水及坍塌等事故,需對(duì)洞門采取止水加固措施。常用的洞口加固處理措施有高壓旋噴樁、水泥攪拌樁及注漿。

現(xiàn)有關(guān)于洞門加固技術(shù)方面的研究主要集中在盾構(gòu)施工領(lǐng)域。王云峰等[3]以武漢軌道交通12號(hào)線國(guó)博中心南站—凌吳村站越江盾構(gòu)隧道工程為背景,介紹了長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地富水地層大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)洞門垂直冷凍加固技術(shù),詳細(xì)論述了該技術(shù)的施工流程、工藝控制要點(diǎn)及施工過程中遇到的特殊情況的處理措施;劉祥等[4]以盾構(gòu)始發(fā)與接收水平凍結(jié)施工為例,介紹了凍結(jié)設(shè)計(jì)方案、盾構(gòu)始發(fā)與接收過程及實(shí)際應(yīng)用效果,成功實(shí)現(xiàn)始發(fā)與接收;王志鑫等[5]提出了一種洞門環(huán)形凍結(jié)密封止水裝置及其施工方法,并采用數(shù)值建模分析該環(huán)形凍土帷幕溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律;謝超等[6]結(jié)合園博苑站—杏錦路站盾構(gòu)區(qū)間端頭加固施工實(shí)際情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查、三維有限元計(jì)算、監(jiān)控量測(cè),提出行之有效的端頭加固范圍優(yōu)化技術(shù),為端頭加固研究做出了大量的補(bǔ)充;王杰等[7]利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)掌子面對(duì)流系數(shù)、土體導(dǎo)熱系數(shù)、容積熱容量、相變潛熱、水泥摻量等因素進(jìn)行敏感性分析;陸路等[8]通過與上海和天津的洞門加固工程的地質(zhì)條件凍結(jié)特性的對(duì)比,提出富水中砂層地質(zhì)條件下工程的難點(diǎn),在設(shè)計(jì)中通過計(jì)算,確定了凍結(jié)帷幕施工參數(shù);武冰冰等[9]從洞門加固方案比選、凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計(jì)計(jì)算、凍結(jié)方案設(shè)計(jì)及凍結(jié)施工技術(shù)等方面對(duì)該洞門垂直凍結(jié)加固技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述;黃華等[10]采用提前進(jìn)洞以超前加固技術(shù)對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)加固處理和格柵鋼架結(jié)合超前小導(dǎo)管進(jìn)行洞門支護(hù)加固進(jìn)洞的方法。

綜上,洞門加固方面的研究主要集中于盾構(gòu)工程中,而鮮有關(guān)于復(fù)合地層頂管始發(fā)井洞門加固的研究和技術(shù),因此本文結(jié)合引綽濟(jì)遼輸水工程隧洞段施工六標(biāo)蛟流河無壓洞頂管工程,對(duì)復(fù)合地層頂管洞門灌漿加固施工進(jìn)行研究和介紹。

1 工程概況

由中國(guó)水電五局承建的蛟流河穿河建筑物位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟突泉縣境內(nèi),連接5號(hào)隧洞和6號(hào)隧洞,按直線布置,由東北向西南走向,長(zhǎng)為1115m。主要由始發(fā)井、頂管段、無壓洞鉆爆段及擴(kuò)大洞室段組成,其中頂管段長(zhǎng)940m,管節(jié)外徑4.3m,內(nèi)徑3.6m,縱斷面比降為1/1100。頂管始發(fā)井結(jié)構(gòu)總深度為24.72m,襯砌后直徑為13m。蛟流河穿河建筑物平面布置如圖1所示。

圖1 蛟流河穿河建筑物平面布置示意

始發(fā)井施工過程中,受不良地質(zhì)條件影響,頂管出洞洞門方向發(fā)生塌方,造成地面塌陷,對(duì)塌腔位置進(jìn)行勘探,高程312.3m～311.8m(孔深0～0.5m)為鋼筋混凝土,高程311.8m～310.0m(孔深0.5m～2.3m)為空腔,高程310.0m～301.0m(孔深2.3m～11.3m)為碎石渣料,高程301.0m～300.0m(孔深11.3m～12.3m)為基巖,高程300.0m～298.5m(孔深12.3m～13.8m)為空腔,高程298.5m～290.3m(孔深13.8m～22.0m)為碎石渣料,高程298.5m～288.8m(孔深22.0m～23.5m)為基巖,需對(duì)此復(fù)合地層頂管洞門進(jìn)行加固處理。

2 工藝選擇

常用的洞口加固處理措施有高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、注漿等。

(1)高壓旋噴樁是指將含有噴嘴的注漿管插入需要加固的土層之中,再利用高壓將配置好的泥漿通過噴嘴射出,強(qiáng)水壓的泥漿使土體發(fā)生破壞,土顆粒從土體中被剝落,進(jìn)而與泥漿攪拌混合形成混合漿液,混合漿液逐漸凝固,最終形成一個(gè)有一定強(qiáng)度的圓柱狀固結(jié)體,從而達(dá)到土體加固的目的。高壓旋噴樁施工簡(jiǎn)單,噪聲小,無污染,效果好,但造價(jià)高,所用灰量大。

(2)水泥攪拌樁是利用鉆機(jī)鉆進(jìn)預(yù)先設(shè)計(jì)的深度,打開注漿泵噴射水泥漿液,并緩慢提鉆至預(yù)定高度,再重復(fù)攪拌下鉆,噴射水泥漿液并提鉆至地表,成樁結(jié)束。水泥攪拌樁利用水泥漿液作為固化劑與土體充分?jǐn)嚢韬?發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng),使軟弱地基土硬化,從而提升土體強(qiáng)度。水泥攪拌樁經(jīng)濟(jì)效益好,施工工期短,設(shè)備機(jī)械化程度高,但施工機(jī)械占地面積大,且加固深度有一定限制。

(3)注漿法是將配置好的漿液通過注漿管注入地層之中,漿液通過土層中的空隙進(jìn)行流動(dòng)滲透,與土層中的顆粒固結(jié)形成強(qiáng)度大且穩(wěn)定的整體。注漿法工期短,施工簡(jiǎn)便、安全。但注漿固結(jié)位置不可控,易出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

綜合現(xiàn)場(chǎng)具體情況考慮,本工程擬采用注漿法對(duì)頂管洞門進(jìn)行灌漿加固處理。

3 加固方案

3.1 加固流程

加固施工流程包括準(zhǔn)備工作→后背墻加固→洞門水平注漿→塌腔回填→地表注漿→井壁處理→結(jié)束。

3.2 準(zhǔn)備工作

頂管洞門加固施工準(zhǔn)備工作主要包括人員、設(shè)備、材料及技術(shù)保障等方面。施工前做好原材料及設(shè)備進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作,組織作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底,并對(duì)灌漿孔位進(jìn)行測(cè)量放線。

3.3 后背墻加固

后背墻混凝土澆筑前,按2.5m×2.5m預(yù)埋固結(jié)灌漿鋼管,內(nèi)徑60mm。待后背墻鋼板安裝完成及混凝土澆筑完成后,進(jìn)行后背墻固結(jié)灌漿施工。固結(jié)灌漿范圍沿頂管中心線兩側(cè)環(huán)向各2.8m,單孔深5m(后背墻厚2m,入巖3m),環(huán)向排間距3m,固結(jié)灌漿高度6m(自底板起至洞門高程),共布置3排灌漿孔,單排布置3個(gè)孔,共9個(gè)灌漿孔。

灌漿孔具體位置如圖2所示。

圖2 后背墻加固孔位布置

3.4 洞門水平注漿

根據(jù)對(duì)洞門上方塌腔部位進(jìn)行勘探,針對(duì)塌腔部位擬采取固結(jié)灌漿措施。為確保灌漿效果,灌漿時(shí)擬采用雙液注漿法(水玻璃+水泥漿)進(jìn)行施工,雙液比例根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。灌漿遵循逐漸加密的原則,先注漿最外側(cè)孔位,凝固后形成止?jié){墻,再進(jìn)行內(nèi)側(cè)孔位注漿施工。當(dāng)單孔注漿量較大時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,調(diào)整漿液水灰比,用濃一級(jí)的漿液或加注砂漿的形式進(jìn)行注漿。

洞門灌漿布孔示意如圖3所示。

圖3 洞門灌漿布孔示意

3.5 塌腔回填

洞門固結(jié)灌漿結(jié)束后,對(duì)地表塌陷處進(jìn)行回填,露天范圍內(nèi)采用碎石(小石)回填,蓋重范圍內(nèi)塌陷處采用細(xì)砂回填?；靥钍┕r(shí),采用3m3裝載機(jī)裝車,20t自卸汽車將回填料運(yùn)輸至工作面附近,由1.6m3挖掘機(jī)或3m3裝載機(jī)將回填料進(jìn)行分層回填,不可直接將回填料傾倒至塌陷處。回填施工時(shí),井下不應(yīng)安排人員施工,并安排專人觀察井壁穩(wěn)定情況。

3.6 地表注漿

塌腔回填完成后,通過采取壓水試驗(yàn)的方式對(duì)洞門上方巖層進(jìn)行注漿效果及密實(shí)度檢查。經(jīng)檢查,洞門上方巖層透水率較大及存在空腔現(xiàn)象時(shí),則應(yīng)進(jìn)行地表注漿,采取進(jìn)一步處理措施,具體如下。

3.6.1 布孔施鉆

自井壁外側(cè)、順頂進(jìn)軸線方向間距2m×2m布孔,沿洞圈方向按2m的弧長(zhǎng)延伸至洞軸線位置,共計(jì)34個(gè)孔,具體布置見圖4所示。覆蓋層鉆孔孔徑為φ146mm,下入DN146鋼管(δ=4.0mm)形成護(hù)壁,防止塌孔等情況;巖石層采用φ115mm鉆頭成孔,鉆孔孔深23.5m,灌漿段長(zhǎng)度10m,采取自上而下分段灌注,第一段5m(13.5m～18.5m),第二段5m(18.5m～23.5m)。鉆孔過程中,各孔應(yīng)詳細(xì)記錄孔位、孔深、地層變化、換層情況和漏水、掉鉆。尤其注意分層的位置,準(zhǔn)確記錄,便于后續(xù)分析情況。所有灌漿過程中的鉆孔均需妥善保護(hù),防止流進(jìn)污水或落入其他異物。

圖4 地表灌漿布孔示意

3.6.2 灌漿

(1)施工次序

加強(qiáng)固結(jié)灌漿遵循逐漸加密的原則施工。灌漿為六排固結(jié),先灌注塌腔兩側(cè)排、依次向塌腔的中部推進(jìn),最后灌注塌腔中間排,排內(nèi)均按兩序施工。

(2)施工工藝流程

①加強(qiáng)固結(jié)灌漿孔采用“阻塞灌漿法”進(jìn)行灌漿,止?jié){塞阻塞在不少于出洞口兩倍洞徑位置,采用自下而上分段灌漿法。

②以灌注水泥基漿為主,可根據(jù)灌漿情況采用外摻水玻璃水泥漿液、水泥-水玻璃雙漿液、外摻早凝劑的水泥砂漿漿液。

③水泥-水玻璃雙漿液應(yīng)采用孔口混合。

(3)灌漿壓力

灌漿壓力應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)值,注入率大的孔段應(yīng)分級(jí)升壓;為防止巖石面或混凝土面抬動(dòng),加強(qiáng)固結(jié)灌漿原則上“一泵灌一孔”,最大灌漿壓力為1.5MPa。

(4)漿液水灰比及漿液變換

①水泥漿液:采用水灰比為3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1五個(gè)配比,漿液配比計(jì)量誤差應(yīng)小于5%。

②灌注雙漿液時(shí)水泥漿與水玻璃溶液的體積比應(yīng)按1∶0.1～1∶0.3的范圍控制,灌注雙漿液時(shí)水泥漿的水灰比采用0.5∶1。

③早凝外摻劑砂漿漿液:長(zhǎng)時(shí)間難以結(jié)束或流失量大的孔段,擬采用0.5∶1濃漿外摻體積比按1∶0.3～1∶0.5砂,重量比2%～3%氯化鈣的方式加快漿液的早凝。

④當(dāng)灌漿壓力保持不變,注入率持續(xù)減少時(shí),或注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí),不得改變水灰比;當(dāng)某級(jí)漿液注入量已達(dá)300L以上,或灌注時(shí)間已達(dá)到30min,而灌漿壓力和注入率均無顯著改變時(shí),應(yīng)換濃一級(jí)水灰比漿液灌注;當(dāng)注入率大于30L/min時(shí),根據(jù)施工具體情況,可越級(jí)變濃。灌漿過程中,灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí),應(yīng)立即查明原因,并采取相應(yīng)的處理措施。

(5)灌漿結(jié)束條件

①在最大設(shè)計(jì)壓力下,注入率降低至不大于2L/min后,屏漿40min,且屏漿期間平均注入率不大于2L/min條件下,可結(jié)束灌漿。

②當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜、地下水流速大、漿液注入量較大、灌漿壓力較低時(shí),持續(xù)灌注的時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng);當(dāng)巖體較完整、漿液注入量較小時(shí),持續(xù)灌注的時(shí)間適當(dāng)縮短。

(6)封孔

全孔灌漿結(jié)束后進(jìn)行封孔,封孔灌漿時(shí)間不少于30min,封孔灌漿壓力采用相應(yīng)灌漿孔的最大灌漿壓力。封孔采用水灰比為0.5∶1的濃漿。已進(jìn)行封孔的灌漿孔,待孔內(nèi)水泥漿液凝固后,應(yīng)清除孔內(nèi)污水、浮漿,采用“導(dǎo)管注漿封孔法”繼續(xù)封上部覆蓋層孔段。

3.7 井壁處理

為確保始發(fā)井滿足頂管機(jī)安裝及頂進(jìn)施工條件,擬對(duì)井內(nèi)滲水點(diǎn)進(jìn)行灌漿處理。灌漿總體思路為以灌注水泥基漿為主至無明顯大的滲水點(diǎn)后,再采取灌注水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿的方式封堵面滲或微滲水。

3.7.1 較大滲水點(diǎn)的處理

(1)鉆孔及預(yù)埋:首先鑿除混凝土滲漏點(diǎn),再使用手持式巖芯鉆機(jī)鉆深度不小于2m,孔徑不小于48mm的灌漿孔,鉆孔完成后預(yù)埋φ42鋼管至基巖與混凝土結(jié)合部位,使用堵漏劑封堵住周圍滲漏點(diǎn),使?jié)B水集中至預(yù)埋管內(nèi)流出。

(2)灌漿:預(yù)埋管及周圍滲漏點(diǎn)封堵后待凝應(yīng)不低于12h再進(jìn)行灌漿,灌漿主要采用水泥基漿為主,純水泥漿液水灰比為0.5∶1。如灌注時(shí)周邊滲漏點(diǎn)較多且難以封堵時(shí),灌注水泥-水玻璃雙漿液,水泥漿與水玻璃溶液的體積比應(yīng)按1∶0.1～1∶0.3的范圍控制,灌注雙漿液時(shí)水泥漿的水灰比采用0.5∶1。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間難以結(jié)束或流失量大的孔段,擬采用0.5∶1濃漿外摻體積比按1∶0.3～1∶0.5砂,重量比2%～3%氯化鈣的方式加快漿液早凝。

3.7.2 面滲或微滲水處理

使用水泥基漿灌注至混凝土表面面滲或微滲水后,采用水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿方法處理。

(1)鉆孔及預(yù)埋:在混凝土內(nèi)鉆深度不小于1m,孔徑不小于20mm的灌漿孔,鉆孔完成后預(yù)埋φ16鋼管,使用堵漏劑封堵住周圍較大滲漏點(diǎn),使?jié)B水較集中至預(yù)埋管內(nèi)流出。

(2)灌漿:預(yù)埋管及周圍滲漏點(diǎn)封堵后待凝應(yīng)不低于12h才進(jìn)行灌漿,灌注水溶性聚氨酯,利用水溶性聚氨酯可灌入性好、遇水膨脹的特性在內(nèi)部形成外層阻水圈。

4 加固效果

地表灌漿各斷面注漿用量如圖5所示。

圖5 地表灌漿各斷面注漿用量柱狀圖

對(duì)各灌漿段進(jìn)行鉆孔取芯及壓水試驗(yàn)檢測(cè)灌漿效果,其中巖芯結(jié)石率及透水率均滿足設(shè)計(jì)要求,土體穩(wěn)固性與止水性均有較大提升。整體洞門灌漿加固效果良好,土體穩(wěn)定,強(qiáng)度高,滿足工程要求。

5 結(jié)論

始發(fā)井施工過程中,受不良地質(zhì)條件影響,頂管洞門出洞方向發(fā)生塌方,造成地面塌陷。分析各種加固方案后選定注漿法對(duì)洞門進(jìn)行灌漿加固,并將其運(yùn)用到施工方案中,經(jīng)此加固方案處理后的土體強(qiáng)度及止水性均有較大提升。通過采用頂管后背墻注漿、洞門水平注漿、塌腔回填、地表注漿、井壁堵水等一系列處理方法,保障了始發(fā)井及洞門整體穩(wěn)定性,使得洞門塌方問題得到有效解決。