富水砂土地層頂管注漿加固參數(shù)研究

摘要：頂管施工作為一種非開挖技術(shù)，近年來在城市建設(shè)中廣泛應(yīng)用，顯著降低了施工過程中的環(huán)境污染和拆遷負(fù)擔(dān)。然而，在富含水的砂土地段，砂土的易液化性及高度敏感性導(dǎo)致其被擾動(dòng)后易失穩(wěn)，為頂管施工帶來諸多困難。注漿加固技術(shù)作為富含水砂層頂管施工的常用方法，其注漿參數(shù)的設(shè)定是否合理，直接影響注漿效果和工程成本。文章通過設(shè)置單變量注漿試驗(yàn)，檢測(cè)不同變量對(duì)注漿效果的影響，研究富水砂層的可注性能和最佳注漿效果，從而確定適用于該地層的最優(yōu)注漿參數(shù)；通過分析注漿試驗(yàn)效果，明確了注漿作業(yè)的終止條件。該研究為富水砂層頂管頂進(jìn)段的注漿加固實(shí)踐提供了技術(shù)指導(dǎo)，也為后續(xù)同類注漿加固工程提供了參考。

關(guān)鍵詞：富水砂土；頂管施工；注漿參數(shù)；注漿效果

中圖分類號(hào)：TU472.5" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）08-0094-04

0 引言

管線頂管施工技術(shù)可以在非開挖條件下實(shí)現(xiàn)管道從起點(diǎn)至終點(diǎn)的無干擾鋪設(shè)，顯著降低了拆遷需求與施工影響，因此在城市管線更新工程中得到越來越多的應(yīng)用。然而，在富含水的砂土地段進(jìn)行頂管作業(yè)時(shí)，砂土極易引發(fā)流砂、失穩(wěn)及地面沉降過大等問題，嚴(yán)重時(shí)可能造成施工中止。因此，維持掌子面附近砂土層的穩(wěn)定性，對(duì)于順利完成頂管施工非常重要。已有文獻(xiàn)對(duì)頂管施工中土體受力與位移變形的復(fù)雜規(guī)律進(jìn)行了深入研究。劉吉敏［1］ 探討了注漿技術(shù)在富水砂層頂管施工中的應(yīng)用，分析了注漿對(duì)管土接觸力及管壁接觸狀態(tài)的影響。馮海寧等［2-3］利用有限元軟件模擬頂管施工過程，綜合考慮了注漿壓力、糾偏荷載、管道與土體的摩擦力等多重因素。張文瀚等［4］通過模擬頂管施工中的機(jī)頭支護(hù)壓力、地層損失及注漿情況，研究了這些因素對(duì)路基變形的影響，針對(duì)粉土地區(qū)淺層頂管施工提出了減少路基變形的具體措施。本文依托江西省上饒市某污水管線頂進(jìn)區(qū)間的實(shí)際工程，通過實(shí)施單變量注漿加固參數(shù)試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了布孔間距、注漿管距離、注漿壓力、水泥漿配合比及注漿量等參數(shù)的變化對(duì)注漿效果的影響。在對(duì)各變量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，明確了該富水砂層的可注性特征，并確定了適用于該地層的最佳注漿加固參數(shù)和注漿終止條件，為類似工程的實(shí)施提供了參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

項(xiàng)目工程為新建的一條長(zhǎng)約2.8 km的d1200污水管道，該管道位于道路非機(jī)動(dòng)車道下方，距側(cè)分帶僅1 m。管道設(shè)計(jì)埋深為5～18 m，沿途需穿越稍密狀的粉細(xì)砂、軟塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土、卵石層，以及局部區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)化砂巖層。為最大限度地保留并利用既有給水及雨水管線，減少拆遷工作量，污水管線全線采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行頂管施工。頂管穿越砂層時(shí)，由于砂土具有易液化特性，施工擾動(dòng)易引發(fā)流砂現(xiàn)象，導(dǎo)致土體失穩(wěn)。此外，開挖過程中的超挖或掘進(jìn)機(jī)偏位等偶發(fā)因素，可能會(huì)導(dǎo)致地層損失，從而改變管道周圍土體的應(yīng)力分布，致使管道周圍的土體發(fā)生變形，對(duì)土體范圍內(nèi)的既有管線和地表造成附加應(yīng)力和沉降影響。為確保既有道路與管線的安全，同時(shí)保障頂管施工的順利進(jìn)行，針對(duì)細(xì)砂層區(qū)段，采取注漿預(yù)加固措施。加固前，通過注漿試驗(yàn)確定最優(yōu)注漿參數(shù)。

1.2 地質(zhì)條件

擬建工程場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)的地層巖性為第四紀(jì)全新世（Q4），依據(jù)各土層的成因類型、結(jié)構(gòu)特征、土性及物理力學(xué)性質(zhì)的顯著區(qū)別，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

頂管穿越的粉細(xì)砂層為灰黃色至黃褐色，稍密、飽和，主要由粉粒和砂粒組成，顆粒磨圓較好，內(nèi)含少量黏粒，分選性中等，粒徑大于0.075 mm的顆粒約占總質(zhì)量的60%，大于0.25 mm的約占15%，大于0.5 mm的約占5%，顯示出土質(zhì)相對(duì)均勻。實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）擊數(shù)平均值為11.2。

場(chǎng)地內(nèi)的承壓水主要分布在粉細(xì)砂及卵石層中，其補(bǔ)給主要來源于江西省信江河的側(cè)向補(bǔ)給和越流補(bǔ)給，排泄途徑亦與補(bǔ)給相同，水量較豐富。地下水水位為地面以下2.8～6.8 m。砂層中的承壓水與江西省信江河之間存在補(bǔ)給、徑流、排泄的關(guān)系。

2 注漿試驗(yàn)

2.1 注漿試驗(yàn)的必要性

巖土體的孔隙結(jié)構(gòu)及漿—土耦合作用機(jī)制復(fù)雜，僅憑理論模型求解漿液擴(kuò)散形態(tài)、壓力場(chǎng)及位移場(chǎng)變化規(guī)律較為困難。因此，注漿模擬試驗(yàn)逐漸成為研究注漿工程問題的重要技術(shù)手段。在注漿作業(yè)中，盲目操作容易引起孔間串漿、注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升及地表隆起等問題，不僅造成材料浪費(fèi)，還無法保證注漿效果，甚至?xí)T發(fā)新的工程風(fēng)險(xiǎn)。

（1）孔間串漿。此問題通常是由單孔注漿量過大、注漿壓力與速度過高、過快或孔間距過小引起的。應(yīng)對(duì)策略包括調(diào)整注漿參數(shù)（如適當(dāng)降低注漿壓力和速度）、實(shí)施間歇注漿并加大跳孔注漿的間距，同時(shí)采取定量注漿策略以控制單孔注漿量，從而防止串漿現(xiàn)象。

（2）注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升。此現(xiàn)象表明可能存在漿液濃度偏低、凝膠時(shí)間過長(zhǎng)或注漿方式控制不當(dāng)?shù)葐栴}。需立即采取措施，遵循定量注漿的原則加以控制，避免漿液過度流失造成浪費(fèi)。

（3）地表隆起。當(dāng)注漿施工位置鄰近建筑物時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)和觀察，以防注漿壓力過大、注漿速度過快造成建筑物及其周邊地表隆起變形。一旦發(fā)現(xiàn)隆起現(xiàn)象，應(yīng)立即降低注漿壓力、減緩注漿速度，必要時(shí)采用間歇注漿或分序跳孔注漿等策略。

綜上所述，通過注漿試驗(yàn)判斷砂層的可注性，并據(jù)此確定合理的注漿孔間距、注漿壓力、漿液配比等參數(shù)，對(duì)于加快工程進(jìn)度、保障加固效果有重要作用。

2.2 注漿施工方法

注漿加固相比土層凍結(jié)法、管樁法等加固方法，具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)較小以及注漿范圍便于控制的顯著優(yōu)勢(shì)。該方法將漿液填充、滲透或壓密至軟弱土層中，待其硬化后，形成高強(qiáng)度的膠結(jié)體。

注漿的施工方法一般有花管注漿、袖閥管注漿和電滲法注漿。由于本工程的砂層富含細(xì)粒和黏粒，具有懸浮性特征，必須保證有較大的注漿壓力，才能確保漿液注入，因此決定采用高壓袖閥管注漿技術(shù)。注漿材料的選擇需滿足初凝黏度低、流動(dòng)性能好、能滲透到細(xì)小孔隙或裂隙等條件，同時(shí)具備良好的穩(wěn)定性、無腐蝕性，并且易清洗，材料來源豐富。綜合考慮工程實(shí)際需求，決定采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥作為注漿材料，該水泥具有高強(qiáng)度及以易與砂土結(jié)合的特性，因此非常適合本工程條件。

實(shí)施袖閥管高壓注漿時(shí)，鉆孔深度需確保達(dá)到污水管管頂以下至少1.5 m處。每個(gè)試驗(yàn)段的長(zhǎng)度均按10 m設(shè)置。注漿范圍設(shè)定為以管中心為基準(zhǔn)，上下及左右各擴(kuò)展2.25 m（即管道直徑的1倍范圍）。注漿參數(shù)見表2。

成孔作業(yè)完成后，立即使用鉆桿將套殼料（由水泥與水?dāng)嚢瓒桑┳⑷肟變?nèi)，置換孔內(nèi)泥漿。一旦發(fā)現(xiàn)排出的泥漿中混雜套殼料，應(yīng)即刻停止置換作業(yè)并插入袖閥管。相鄰兩節(jié)袖閥管之間采用長(zhǎng)度為20 cm的PVC套管進(jìn)行連接，并使用U-PVC膠合劑將袖閥管和連接套管粘牢。安裝第一節(jié)袖閥管時(shí)，需配備堵頭，并且向管內(nèi)注入清水，目的是降低袖閥管的彎曲變形程度。逐節(jié)連接并下放袖閥管至鉆孔底部，下放時(shí)盡量確保袖閥管的中心軸線與鉆孔中心保持一致。

2.3 試驗(yàn)段變量

袖閥管注漿能以較大的注漿壓力將漿液注入地層中，注漿可分段、分層進(jìn)行，也可根據(jù)實(shí)際施工情況采取連續(xù)或跳段注漿，這些方法適用于頂管施工周邊的局部加固。

水灰比是影響地層砂加固強(qiáng)度的主要因素，常規(guī)水灰比（1∶1）即可達(dá)到本設(shè)計(jì)要求。然而，在注漿過程中，為優(yōu)化注漿效果，注漿初始階段應(yīng)采用小于1的水灰比，然后逐漸調(diào)整至1，并在注漿末尾階段調(diào)整為大于1，如此可防止因漿液過早凝固而阻礙后續(xù)注漿作業(yè)，確保地層得到全面、密實(shí)的充填。

注漿壓力則是影響注漿擴(kuò)散半徑的主要因素，其大小直接關(guān)系到地層的可注性。勘察報(bào)告顯示，砂層細(xì)粒含量高達(dá)40%，因此將注漿壓力設(shè)定為試驗(yàn)變量之一，分別研究0.8 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa注漿壓力條件下，地層的可注性和加固效果。

試驗(yàn)段采用正三角形孔位布置，將孔間距設(shè)為另一試驗(yàn)變量，具體分為0.5 m×0.5 m、0.8 m×0.8 m、1.0 m×1.0 m 3種不同的間距，結(jié)合注漿壓力進(jìn)行綜合分析，確定本工程最優(yōu)的注漿參數(shù)組合。

2.4 結(jié)果檢驗(yàn)

注漿試驗(yàn)完成后，為確保注漿效果滿足設(shè)計(jì)要求，可采用以下3種方法檢查注漿結(jié)果。

（1）注水分析法。在注漿前，對(duì)各注漿孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，記錄每孔的初始吸水量；注漿結(jié)束后，再次采用相同方式對(duì)各孔進(jìn)行注水，記錄最終吸水量。通過對(duì)比2次注水量的差異，分析各孔的注漿效果。

（2）鉆孔檢查法。對(duì)于注漿加固地段漿液的填充情況，可采用鉆孔檢查法進(jìn)行驗(yàn)證。此方法利用地質(zhì)探孔機(jī)取出土樣，以便直接查看填充狀態(tài)，從而評(píng)估注漿效果。

（3）無損檢測(cè)法。注漿結(jié)束后，利用探地雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)注漿區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，檢查是否存在空洞、松散區(qū)域，一旦發(fā)現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)孔注漿。

3 注漿試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 注漿效果

現(xiàn)場(chǎng)注漿觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在0.5 m×0.5 m和0.8 m×0.8 m的孔間距試驗(yàn)段，相鄰注漿孔之間出現(xiàn)了不同程度的串孔冒漿現(xiàn)象，0.8 m×0.8 m的孔間距試驗(yàn)段在0.8 MPa的注漿壓力下雖然未出現(xiàn)串孔冒漿現(xiàn)象，但是該壓力水平下劈裂效果欠佳。相比之下，1.0 m×1.0 m的孔間距試驗(yàn)段無串孔冒漿，因此綜合評(píng)估該孔間距布置更為合理。

進(jìn)一步分析注漿壓力對(duì)冒漿現(xiàn)象的影響發(fā)現(xiàn)，0.8 m×0.8 m的孔間距試驗(yàn)段在壓力提升至1.5 MPa時(shí)出現(xiàn)輕微冒漿，至2 MPa時(shí)冒漿現(xiàn)象顯著。在試驗(yàn)段水灰比條件下，各孔注漿后的吸水量均低于5 L/min，說明該漿液材料和配比的填充效果較好。各試驗(yàn)段的注水試驗(yàn)結(jié)果見表3。

確定1.0 m×1.0 m的孔間距為最優(yōu)參數(shù)后，在其不同注漿壓力試驗(yàn)段的淺層和深層分別鉆孔取樣（見圖1、圖2、圖3）。觀察土樣發(fā)現(xiàn)，漿液與原砂層（含粉粒）均有較好的膠結(jié)效果，填充飽滿，粉砂基本膠結(jié)成塊，驗(yàn)證了注水試驗(yàn)的加固結(jié)果。

采用探地雷達(dá)探測(cè)全部試驗(yàn)段，無損檢測(cè)效果圖見圖4。圖4中虛線外的區(qū)域整體呈現(xiàn)低阻特征，主要是土壤含水所致。注漿前區(qū)域內(nèi)部均為低阻區(qū)，注漿后區(qū)域內(nèi)6～10 m深度范圍出現(xiàn)了條帶狀高阻體，此高阻體被推斷為注漿作用區(qū)域。由此可以明確，注漿在富水細(xì)砂層中的加固效果整體上是有效且可行的。

通過對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定注漿間距為1.0 m×1.0 m，為保證劈裂效果，注漿壓力控制在2 MPa內(nèi)。

3.2 注漿終注條件

根據(jù)試驗(yàn)段的結(jié)果，正式注漿施工過程中，當(dāng)滿足以下任一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可結(jié)束該孔的注漿作業(yè)。

（1）注漿壓力達(dá)到2 MPa，并持續(xù)注漿不少于10 min。

（2）吸漿量不大于5 L/min。

（3）冒漿點(diǎn)已超出注漿范圍之外2～4 m的區(qū)域。

（4）單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.2倍。

若注漿過程中遇到注漿時(shí)間短且無明顯壓力增加的情況，應(yīng)采用間歇注漿的方式進(jìn)行注漿，直至滿足壓力與吸漿量條件。針對(duì)注漿后發(fā)現(xiàn)的任何不完全密實(shí)區(qū)域，必須采取額外的補(bǔ)漿措施。為確保注漿質(zhì)量，建議對(duì)總注漿孔數(shù)的5%～10%進(jìn)行抽檢，重點(diǎn)檢測(cè)地質(zhì)條件特殊或不良的地段，以及不能明顯判定注漿質(zhì)量好壞的區(qū)域。對(duì)于這些重點(diǎn)區(qū)域，可結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)掃描結(jié)果與鉆孔取樣檢測(cè)，綜合評(píng)估注漿質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)富水砂層的單變量注漿加固試驗(yàn)，研究適用于該地層的注漿加固工法，分析了地層的可注性和注漿效果，最終確定了該地層的最優(yōu)注漿參數(shù)及注漿終止條件，用于指導(dǎo)大面積富水砂層的頂管頂進(jìn)段的注漿加固作業(yè)。主要研究成果與結(jié)論如下。

（1）采用水灰比為1∶1的水泥漿液，該配比的泥漿在主要由粉粒與砂粒（含少量黏粒，粒徑大于0.075 mm的顆粒占比約為60%）組成的稍密且飽和的砂土層中，有較好的膠結(jié)性能和加固效果。

（2）針對(duì)富水砂層含細(xì)礫和黏粒較多的特性，應(yīng)采用較高的注漿壓力（最大限值為2 MPa）作為保障注漿劈裂效果和擴(kuò)散半徑的措施。在此壓力下，1.0 m×1.0 m的注漿孔間距為最優(yōu)間距，該間距既能保證加固效果，又能減少冒漿與串漿現(xiàn)象的發(fā)生。

（3）鑒于砂土地層滲透系數(shù)的不均勻性和地下注漿的不確定性，實(shí)際注漿終止條件應(yīng)根據(jù)注漿壓力、吸漿量、注漿持續(xù)時(shí)間及冒漿點(diǎn)分布范圍等因素綜合確定。

受限于工程的具體要求與范圍，本文未涉及對(duì)水泥—水玻璃、堿液等其他化學(xué)注漿材料在富水砂層中注漿加固效果的研究，未來可進(jìn)一步探索這些材料的應(yīng)用潛力與性能表現(xiàn)。

5 參考文獻(xiàn)

［1］劉吉敏.富水砂層注漿頂管管-土-漿耦合作用機(jī)制及管壁摩阻力計(jì)算模型研究［D］.合肥：安徽理工大學(xué)，2023.

［2］馮海寧，溫曉貴，龔曉南.頂管施工環(huán)境影響的二維有限元計(jì)算分析［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003（4）：56-59，68.

［3］馮海寧，龔曉南，徐日慶.頂管施工環(huán)境影響的有限元計(jì)算分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（7）：1158-1162.

［4］張文瀚，謝雄耀，李攀.淺層頂管隧道施工對(duì)路基變形影響數(shù)值分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7（S2）：1619-1624，1652.