水平深孔注漿在地鐵盾構端頭加固中的應用

段志宏

(中鐵十三局集團第二工程有限公司,廣東深圳 518000)

在軟土地區的盾構施工中,端頭土體加固是施工中的重要環節,也是施工控制的重點。端頭加固作為一項臨時工程,其目的就是保證盾構機安全順利地始發或者到達,因此要求加固后的土體在端頭井圍護結構鑿除后能有良好的自穩性、防水性、勻質性[1～4]。進出洞施工的事故發生,主要是防水措施失敗導致。其中加固土體的防水性達不到要求,盾構進出洞時易引發涌水、涌砂,導致事故發生。端頭井加固的方法很多,如注漿加固、深層攪拌樁加固、旋噴樁加固、凍結加固等。每種方法有其自身的優缺點和適用范圍,只有根據土層和周邊環境選擇合適的加固方法,才能達到滿意效果[5～7]。目前國內常用的端頭加固方式為在端頭地面往下施做旋噴樁的方法,本文在對端頭加固方式作適當比選的基礎上,探討采用水平深孔注漿加固方式的加固效果及其實用性。

1 工程概況

以深圳地鐵某盾構區間施工為背景,研究富水、含砂地層中的端頭加固施工工藝。根據現場開挖地質,本工程車站端頭隧頂埋深 9.85m,盾構隧道的隧頂、隧底均位于砂性地層中,其上部 1.8m處于 3-3砂層中,下部 2m范圍處于 5-2砂層中,隧道中間土層為 5-1黏土。車站端頭的地質情況如圖1所示。

區間線路穿越段為大沙河下游入海口段,入海口河水受海洋潮汐影響,漲、落潮水位差為 1～2m,河水流速受洪水和潮汐影響也較大,潮汐對河流的影響主要表現在潮水對河水的頂托作用,增強河口地區的淤積,使河口水位升高,加重了洪水和咸潮的威脅。

圖1 車站端頭地質橫斷面

2 加固方式比選

盾構隧道端頭加固方式的選擇是在滿足安全可靠的前提下,充分考慮施工場地、施工速度和施工成本,綜合比較而得出的。加固方式安全可靠的依據是,洞門破除后能有效地抵擋洞門處的水土壓力,能有效地封堵洞門圍護結構側的滲水和易破除加固體。

針對現今傳統加固方式的應用情況來看,凍結法加固方式存在成本高、場地大等缺點。因此將旋噴樁加固及注漿加固作為候選方案。

2.1 旋噴樁加固

傳統旋噴樁是利用鉆機將旋噴注漿管及噴頭置于樁底設計高程,將預先配制好的漿液,通過高壓發生裝置使液流獲得巨大能量后,經過注漿管道從一定形狀和孔徑的噴嘴中高速噴射出來,形成一股能量高度集中的液流,直接沖擊破壞土體。噴射過程中,鉆桿邊旋轉邊提升,從而使漿液與土體充分攪拌混合,便在土中形成一個有一定直徑的柱狀固結體,從而使土層得到加固。

在含水較大、滲透系數較大的砂層中施工旋噴樁時漿液容易被水流帶走。在滲透系數較小的黏土層中施工時漿液不能與黏土混合,冒漿量很大,而不能與土體充分攪拌混合,不能形成一個有一定直徑均勻的柱狀固結體,很難達到止水固砂的目的。

2.2 注漿加固

注漿加固是用水泥 -水玻璃雙液漿通過雙液注漿泵、注漿孔道均勻地注入土體中,以填充、滲透和擠密等方式,驅走砂層和黏土顆粒間的水分和氣體,并填充其位置,通過水泥中所含礦物與土體中的水土分別發生水解、水化反應以及團粒作用等,形成懸浮膠體和團粒,硬化后形成強度大、壓縮性小和抗滲性高、穩定性良好的水泥土。同時雙液漿本身膠凝時間短,在處理含水較大、滲透系數較大的砂層時能更好的、及時的加固止水。

水泥土結硬后,土體的孔隙率和含水率降低,密度加大,同時由于水泥土擠壓土體,使土體變形能力增加,提高了變形模量,從而防止或減少洞門端頭土體坍塌。土體孔隙率降低后還提高了土體的抗滲能力,減少地下水和周圍水系對端頭土體的水波動壓力影響。

注漿加固可以很好地彌補旋噴樁在含水量大、滲透系數大的砂層中成樁困難,難以達到加固效果的缺點,從而達到土體加固的作用。

2.3 加固方式確定

鑒于旋噴樁加固方式在富水、含砂土層中施工質量得不到保證,選取注漿加固作為端頭加固方式,并在加固區外圍施做兩排旋噴樁作為輔助措施,提高加固區整體性及止水性。

端頭加固范圍重點為洞門后方土體,縱向長度為8m。為提高加固施工的精度,擬采取洞內全斷面水平深孔注漿方式。

3 水平深孔注漿設計參數及施工

3.1 注漿管布置

本工程注漿管采用 φ42mm、壁厚 3～4mm的無縫鋼管。洞門全斷面內注漿管布置如圖2所示。

圖2 注漿管布置立面(單位:m)

注漿管埋設長度、角度如表1、圖3所示。

表1 注漿管參數

圖3 注漿管角度布置(單位:m)

3.2 漿液配比

水平深孔注漿采用水泥-水玻璃雙液漿。水泥漿配比為 1∶0.75,水玻璃濃度 30～35Be′。水泥和水玻璃的體積比為 3∶1,具體配比根據注漿時的具體地質狀況調節。

3.3 注漿壓力

注漿壓力與地層的密度、強度和初始應力、鉆孔深度、位置及注漿次序等因素有關。由于端頭位置處于砂性地層,主要為粉細砂及中砂,根據深圳地區粉細砂地層雙液漿注漿經驗,考慮到注漿管壓力損失,結合現場試驗結果,注漿壓力控制在 1.0～2.0MPa,容許注漿壓力為 2.7～3MPa。

3.4 施工機具

主要機具包括 YT-24～28風動鑿巖機、ZTGZ-120/150型注漿泵、管路、儲漿桶以及應急材料等。

3.5 施工工藝流程

(1)導向管、止漿墻施工

注漿工作開始之前,按注漿角度和位置布設圖,在連續墻上進行導向管開孔施工。開孔直徑 120mm,采用鉆孔取芯機進行施工,鉆孔深度 30cm。用快干水泥植入導向管,待快干水泥凝固后,在連續墻外側立模,澆筑 30cm厚的 C30混凝土作為止漿墻。

(2)鉆孔

采用風動鑿巖機從止漿墻上埋設的導向管進行鉆孔,成孔直徑 50mm。

鉆孔過程中若遇涌水、涌砂現象,則立即將注漿軟管與盲板連接,用螺栓與導向管法蘭盤連接后注入水泥水玻璃雙液漿。如未出現涌水、涌砂現象,則鉆深 8 m后進行注漿。鉆桿頂進時,注意保護管口不受損、變形,以便與注漿管路連接。

(3)注漿

注漿時,采取低壓力中流量注入,注漿過程中壓力逐步上升,流量逐漸減少,當壓力升至注漿終壓時,繼續壓注 5min,即可結束注漿。注漿時通過控制注漿壓力控制注漿量。當注漿壓力較小而注漿量較大時,增大水泥漿的濃度,直至終壓達到 3MPa,持續注漿至設計孔位深度。最終注漿控制以注漿壓力為控制標準,達到容許注漿壓力即停止注漿。

(4)施工記錄(表2)

以 12號、14號、15號孔為例,記錄施工時鉆孔及注漿情況,即鉆孔過程中的地質變化情況、注漿量、注漿壓力。

表2 施工記錄

4 應用效果評價

為檢驗水平深孔注漿加固效果,采取豎向取芯及洞門內水平取芯進行檢測。

(1)豎向取芯檢測

在砂層中,特別要注意加固體連續性和整體性是否良好,故根據加固體抽芯情況,目測判斷加固體是否連續、強度可否滿足設計要求,圖4為取芯樣品。通過試驗判斷加固體強度、抗滲性能達到設計要求。

圖4 取芯樣品

(2)水平取芯檢測

沿洞門內加固體范圍內打 4個水平探孔,觀察滲水情況。同時將 28、29、30、31號孔作為檢查孔。結果表明,探孔及檢查孔并無滲水情況,加固質量可靠。

(3)端頭鋼筋破除后掌子面情況

圖5為端頭鋼筋破除后掌子面情況。從剝離后洞門掌子面情況明顯看出,整個洞門掌子面已經被雙液漿充填,砂層部位也被雙液漿擠壓密實,注漿取得了圓滿成功。

圖5 端頭鋼筋破除后掌子面情況

(4)施工重難點分析

結合本工程的實踐,施工重點控制為加固的均勻性、保證加固效果,避免盾構始發過程中的漏水流砂事件的發生。難點為注漿的控制,包括漿液配比的調試、注漿壓力、注漿量的控制。

5 結語

通過水平深孔注漿施工,成功對洞門后方土體進行加固,并成功出洞。通過本端頭加固工程的實施,主要得到以下結論。

(1)通過工程實踐表明,水平深孔注漿加固方式可應用于富水、含砂土層的加固,并取得了較好的效果。

(2)水平深孔注漿加固采用水泥 -水玻璃雙液漿,漿液凝結時間短,且凝結性能好,使得加固土體有較好止水性。

(3)該注漿加固方式特別適應于地表不具備注漿條件及存在地下管線的情況。

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