動(dòng)壓富水砂層盾構(gòu)換刀區(qū)加固技術(shù)

王迎新

(中鐵六局集團(tuán)盾構(gòu)分公司,北京 100036)

砂層換刀是盾構(gòu)施工一大難題也是盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)之一,填海區(qū)動(dòng)壓富水砂層尤甚。根據(jù)具體地質(zhì)情況,傳統(tǒng)的砂層換刀一般采用帶壓進(jìn)倉或是凍結(jié)法或是地面旋噴樁加固。本工程位于填海區(qū),并且受深圳特殊的燕山晚期侵入巖風(fēng)化程度不一影響,加之停機(jī)位置地面處于沙河高爾夫球場內(nèi)，工程施工過程中嘗試進(jìn)行帶壓進(jìn)倉,地面滲漏量太大,未能成功；凍結(jié)法、費(fèi)工費(fèi)時(shí)且現(xiàn)場也不具備場地條件；旋噴樁受動(dòng)水及流砂側(cè)壓力影響普遍縮徑。本工程創(chuàng)造性地采用小型樁進(jìn)行注漿帷幕施工,再對(duì)帷幕內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行袖閥管注漿加固,成功實(shí)現(xiàn)了常壓進(jìn)倉換刀。

1 工程概況

深圳地鐵2號(hào)線某標(biāo)標(biāo)段科—紅盾構(gòu)區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)至640環(huán)(此位置地面位于沙河高爾夫球場一球道內(nèi),距離刀盤前方20 m為寬約120 m的人工湖,此位置距預(yù)定加固區(qū)還有200多米距離)時(shí),刀盤扭矩逐漸變大,綜合盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)分析,判斷刀具磨損已經(jīng)嚴(yán)重。根據(jù)巖土勘察報(bào)告及深圳地區(qū)類似地層施工經(jīng)驗(yàn)判斷,前方地層遇到孤石或基巖隆起的概率較大,尤其是還要通過近120 m的人工湖段存在基巖隆起的可能,風(fēng)險(xiǎn)較高,為避免出現(xiàn)湖下停機(jī)開倉,必須就地停機(jī)檢查更換刀具。

隧道穿越區(qū)域原始地貌為大沙河三角洲相及海灘,場地經(jīng)過吹砂、填土修筑,地面有大沙河及3處人工湖,水深約2～3 m,與海水有良好的水力聯(lián)系,地下水位及流向受潮汐影響非常大。

此處盾體埋深16.23 m,地質(zhì)剖面如圖1所示,盾構(gòu)機(jī)刀盤所在斷面自上至下地層情況是：

①1素填土 主要由黏性土混少量砂礫組成,局部夾有碎塊石,結(jié)構(gòu)松散,層厚6.5 m；

③1素填土 主要由黏性土混少量砂礫組成,層厚1.37 m；

③2淤泥質(zhì)黏土 軟塑為主,局部流塑,層厚5.68 m；

⑤2礫砂 主要成分為石英質(zhì),混黏性土約10%,飽和,松散～稍密,層厚6.05 m；

⑧3礫(砂)質(zhì)黏土 由下伏粗粒花崗巖風(fēng)化殘積而成,原巖結(jié)構(gòu)可辨,多為硬塑狀。

圖1 地質(zhì)剖面

停機(jī)位置盾構(gòu)機(jī)刀盤上部處于礫砂層之中,下部為礫質(zhì)黏土層,礫質(zhì)黏土地層在無水的情況下具有一定的自穩(wěn)能力,但是礫砂質(zhì)地層顆粒級(jí)配差、黏性顆粒含量少、結(jié)構(gòu)松散。從區(qū)域地質(zhì)狀況分析,⑤2礫砂層乃是主要的地下水補(bǔ)給通道,直接與海水貫通。

由于特殊的場地環(huán)境,工程施工技術(shù)方案、設(shè)備配置、工期控制等都受到嚴(yán)重的制約。

(1)基巖段所處地面沙河高爾夫球會(huì)是中國十大高爾夫球會(huì)之一,進(jìn)行場內(nèi)地面施工將對(duì)球會(huì)的運(yùn)營環(huán)境、形象造成較大影響,場地協(xié)調(diào)的難度非常大。

(2)由于受到高爾夫球場內(nèi)環(huán)境、道路保護(hù)及工作時(shí)間管理、物資材料進(jìn)出等諸多限制,工程可供選擇的加固工藝、機(jī)具設(shè)備都受到極大的限制。

(3)工程所處場地為填海區(qū),周邊地質(zhì)情況復(fù)雜多變,尤其是地下水與海水貫通屬動(dòng)水,滲透系數(shù)大且直接受潮汐漲落影響,地層加固工藝、漿液配比等需要根據(jù)外界情況及時(shí)調(diào)整。

2 施工方案

礫砂層穩(wěn)定性差,極易出現(xiàn)塌孔、縮徑的情況,通過在距離刀盤前方2.17 m、刀盤后方2.83 m,盾構(gòu)機(jī)左右兩側(cè)各1.5 m的矩形區(qū)域內(nèi)施工小型注漿樁對(duì)擬加固區(qū)與周邊砂層進(jìn)行強(qiáng)制隔離,并在小型樁封閉的矩形區(qū)域內(nèi)部靠近樁體部位進(jìn)行袖閥管注漿,最終形成加固注漿的帷幕。再從加固區(qū)域周邊向中間進(jìn)行袖閥管注漿。加固區(qū)平面布孔如圖2所示。小型樁和袖閥管注漿在盾構(gòu)機(jī)周邊的鉆孔至隧道底板以下1.5 m,在盾構(gòu)機(jī)上部的鉆孔至盾殼,鉆孔深度如圖3所示。

圖2 注漿加固平面布置(單位：mm)

圖3 盾構(gòu)機(jī)上部鉆孔剖面(單位：mm)

由于是在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤周邊進(jìn)行原位加固,必須充分考慮盾構(gòu)設(shè)備的安全,在地面進(jìn)行注漿加固前需要對(duì)盾體周邊及土倉內(nèi)注入足量的保護(hù)材料,防止盾構(gòu)機(jī)受困或是密封損壞。

2.1 小型注漿樁施工

(1)小型樁施工工藝流程

樁孔定位→樁機(jī)就位→鉆孔→清孔→拔鉆桿→插注漿管→注清水→壓力注漿→樁頭處理。

(2)小型樁施工工藝

先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場放線,定出詳細(xì)孔位并進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)識(shí),再采用MGJ-50型錨桿工程鉆機(jī)成孔并及時(shí)下管,最后注漿成樁。施工過程中由于地質(zhì)條件比較惡劣,由上至下地層依次為填土層、淤泥層、砂層、礫質(zhì)黏土層,土體穩(wěn)定性差側(cè)壓力大。為了保證成樁質(zhì)量避免此類地層常見的縮徑和塌孔現(xiàn)象,除了在鉆孔過程中采用高質(zhì)量的泥漿護(hù)壁以外,采用φ220 mm鉆頭鉆孔,成孔以后立即下φ160 mmPVC管確保強(qiáng)制成樁。注漿工序在下管完畢后及時(shí)進(jìn)行,將注漿管下至PVC管底,啟動(dòng)注漿泵邊注漿邊拔管,直至由PVC管口返出純凈水泥漿液。

①樁機(jī)就位

鉆孔機(jī)采用MGJ-50型錨桿工程鉆機(jī),根據(jù)工程要求配備φ220 mm各型鉆頭。就位前,首先將現(xiàn)場墊實(shí)整平,并根據(jù)樁位鋪設(shè)鉆機(jī)的行走軌道。

②鉆孔

開鉆后,通過調(diào)整鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出的轉(zhuǎn)速的變化來適應(yīng)地層的變化,使鉆進(jìn)過程中機(jī)身平穩(wěn)。為防止塌孔,現(xiàn)場設(shè)泥漿池,配制泥漿。鉆進(jìn)過程中,由鉆桿充入,進(jìn)行泥漿護(hù)壁。在現(xiàn)場挖兩個(gè)規(guī)格3 m×3 m×1.5 m的泥漿坑,將鉆孔冒出的泥漿排入泥漿坑,夜間通過罐車運(yùn)出。

鉆孔作業(yè)中,碰到大塊孤石或是基巖,應(yīng)將鉆頭由筒式鉆頭換成金剛石鉆頭進(jìn)行鉆孔。

③清孔

鉆機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后,將鉆桿提起200 mm左右,注入清水開動(dòng)鉆機(jī)空鉆,進(jìn)行清孔作業(yè),到孔中流出的泥漿比重小于1.2為止,從而達(dá)到置換泥漿清孔的目的。

④插注漿管

清孔后逐節(jié)拔鉆桿,插入注漿管。注漿管的出漿口必須下至孔底。

⑤注漿

注漿采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,注意攪拌罐中嚴(yán)禁有雜物及硬塊,最后進(jìn)行注漿,直到比較純凈的水泥漿連續(xù)溢出孔外為止。

(3)小型樁施工質(zhì)量控制

小型樁的作用主要在于能將礫砂層強(qiáng)制隔離,保證帷幕區(qū)域內(nèi)部袖閥管注漿加固漿液不外竄,其施工質(zhì)量控制主要從平面位置、樁體傾斜度、深度以及樁體強(qiáng)度來進(jìn)行控制。

(4)小型樁施工控制要點(diǎn)

①鉆機(jī)定位準(zhǔn)確,嚴(yán)格按質(zhì)量控制要求調(diào)平,避免造成成樁歪斜,無法有效形成帷幕。

表1 小型樁質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

②成孔過程中應(yīng)添加高質(zhì)量的泥漿,保證成孔質(zhì)量,防止塌孔導(dǎo)致后期下管困難。

③注漿過程應(yīng)確保注漿管觸及孔底,緩慢提管,將孔底浮渣排除,完成樁體注漿后應(yīng)將注漿槍頭插入PVC管周邊繼續(xù)注漿,直至樁周邊開始返漿。

2.2 袖閥管注漿施工

(1)袖閥管注漿施工工藝流程

鉆機(jī)就位→鉆孔護(hù)壁→清孔→澆筑套殼料→安裝袖閥管→固管止?jié){→開環(huán)灌漿→后備注漿。

(2)袖閥管注漿施工工藝

①鉆機(jī)安裝

底座水平,機(jī)身穩(wěn)固可靠。移動(dòng)鉆機(jī),調(diào)整鉆機(jī)高度,將鉆桿下至地面預(yù)定鉆孔空標(biāo)志處,用水平尺及量角器校正鉆機(jī)水平及鉆桿垂直度。

②鉆孔護(hù)壁

采用納基膨潤土配制稀泥漿護(hù)壁,比重1.15～1.2。當(dāng)出現(xiàn)漏泥漿、返清水或是孔內(nèi)塌孔卡鉆時(shí)可適當(dāng)加大泥漿比重,嚴(yán)重塌孔時(shí)用φ108 mm套管護(hù)孔,待孔內(nèi)注入套殼料并下入袖閥管后,才將φ108 mm套管提出孔外。在鉆孔過程中嚴(yán)格做好過程記錄,尤其是返漿情況,以供注漿作業(yè)參考。

③清孔

連接注漿管,用注漿泵向孔內(nèi)泵送大量清水,將孔內(nèi)的泥漿和沉渣沖出孔外,直至孔口返出清水。

④澆筑套殼料

鉆孔至設(shè)計(jì)深度并洗孔后,立即將套殼料通過鉆桿泵送至孔底,自下而上灌注套殼料至孔口溢出符合濃度要求的原漿液為止。

⑤安裝袖閥管

依次下入按注漿段配備的袖閥花管和芯管,袖閥管采用φ48 mm成型袖閥管,下管時(shí)及時(shí)向管內(nèi)加入清水,克服孔內(nèi)浮力,順暢下入至孔底。

⑥固管止?jié){

在袖閥管外花管與孔壁之間的環(huán)狀間隙處下入注漿管,在孔口上部2 m孔段壓入止?jié){固管料,直至孔口返漿為止。止?jié){固管料配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1.53∶1.94。孔口段采用水玻璃作速凝劑,縮短凝固時(shí)間。

⑦待凝

要待孔口段止?jié){料凝固后才能灌漿。待凝時(shí)間控制在2～3 d以內(nèi)。

⑧開環(huán)灌漿

灌漿的前期階段,使用稀漿(或清水)加壓開環(huán)。在加壓過程中,一旦出現(xiàn)壓力突降,進(jìn)漿量劇增,表示已經(jīng)“開環(huán)”。開環(huán)后即按設(shè)計(jì)配比開始正式注漿。正常注漿階段采用水泥水玻璃雙液漿,根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)漿情況動(dòng)態(tài)控制配比,參考水灰比1,水泥漿∶水玻璃(30 Be′)=3∶1～10∶1。

⑨終灌標(biāo)準(zhǔn)

a.當(dāng)注漿壓力≥2 MPa,吸漿量<15 L/min,穩(wěn)定時(shí)間30 min；靠近盾構(gòu)機(jī)兩排袖閥管注漿壓力要求控制在1 MPa以內(nèi)。

b.發(fā)生竄漿或漿液漏失嚴(yán)重時(shí),立即停止注漿。

⑩后備注漿

每孔注漿完畢后,用φ20 mm水管插入袖閥管內(nèi),泵入清水把袖閥管內(nèi)殘留水泥漿沖洗干凈,以備復(fù)注,管口用膠布封上,以備必要時(shí)進(jìn)行重復(fù)注漿。

(3)袖閥管注漿的施工技術(shù)要點(diǎn)

①套殼料澆筑的好壞是保證注漿成功與否的關(guān)鍵,它要求既能在一定的壓力下壓開填料進(jìn)行橫向注漿,又能在高壓注漿時(shí),阻止?jié){液沿孔壁或管壁流出地表。套殼料要求其脆性較高,收縮性要小,力學(xué)強(qiáng)度適宜,既要防止串漿又要兼顧開環(huán)。套殼料采用膨潤土和水泥配制,配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1.53∶1.94,漿液密度約為1.2～1.3 g/cm3,漏斗粘度26 s。根據(jù)工程中的要求,套殼料凝固時(shí)間和強(qiáng)度增長速率應(yīng)控制在2～5 d內(nèi)可灌漿,本工程實(shí)施過程中待凝時(shí)間基本在2 d左右。

套殼用量(m3)=1.3×π×(鉆孔半徑2-袖閥管半徑2)×注漿段最高度。

②注漿采用32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥,漿液水灰比采用1.0、0.8、0.7共3個(gè)比級(jí),注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。

③現(xiàn)場要求注意注漿順序和間歇的控制,每次都必須跳開一個(gè)孔進(jìn)行注漿,以防止發(fā)生竄漿現(xiàn)象；全孔段注漿完成后,間歇一段時(shí)間再進(jìn)行第二次注漿,間歇時(shí)間控制在10～30 min。

(4)壓力注漿時(shí)的監(jiān)測措施

在注漿過程中,要密切監(jiān)測球場草坪、地面等的沉降情況,如發(fā)現(xiàn)有明顯的上抬趨勢或是漏漿情況,應(yīng)立即停止注漿。發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿,應(yīng)根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

3 結(jié)語

圖4 加固前后芯樣對(duì)比

填海區(qū)土質(zhì)松散,地質(zhì)情況復(fù)雜多變,地下水受潮汐影響大。此類動(dòng)壓富水砂層注漿加固施工難度大,成本高,尤其是難以控制注漿范圍。在地面施工條件受到極大限制難以采用高大設(shè)備和運(yùn)輸大宗物料的情況下采用小型水泥注漿樁進(jìn)行帷幕施工,強(qiáng)制隔離擬加固區(qū)域并在帷幕內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行袖閥管注漿。本工程加固前后鉆孔取芯對(duì)比如圖4所示,工程實(shí)施取得了預(yù)期的效果,確保了常壓開倉換刀施工安全。對(duì)比類似工程常用的旋噴樁、凍結(jié)法或是單純的袖閥管注漿不僅成本相對(duì)較低而且工期可以大大縮短,本技術(shù)的成功運(yùn)用可以為類似工況地層加固提供借鑒。

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