高壓噴射灌漿法在南水北調(diào)中線穿黃工程北岸豎井施工中的應(yīng)用及效果分析

崔文光，崔春林，劉 健

（中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700）

1 工程概況及地質(zhì)條件

南水北調(diào)中線一期穿黃工程由南、北岸渠道、進口建筑物、穿黃隧洞、出口建筑物等組成。穿黃隧洞總長4 250 m。根據(jù)盾構(gòu)施工要求，于隧洞段南、北兩端各設(shè)有南岸豎井和北岸豎井。

北岸豎井內(nèi)徑為16.4 m，外徑為21 m；豎井頂高程為105.6 m，底板底標高為57.5 m，井深為48.1 m。井壁圍護結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，豎井外圍設(shè)計灰漿墻擋水以降低豎井荷載。主要施工項目包括：圓形鋼筋混凝土地連墻，內(nèi)圈直徑18 m，墻厚1.5 m，墻深77 m；豎井外圍擋水灰漿墻厚0.8 m，深71.6 m；墻下帷幕灌漿（至粘土巖）。高壓噴射灌漿技術(shù)應(yīng)用在地連墻槽段間止水、豎井封底、盾構(gòu)始發(fā)段近洞口和背洞口側(cè)井外地基加固、豎井內(nèi)襯等。

各地層自上而下分別為：

（1）素填土，以黃褐色粉土為主，稍密—中密，為近期人工堆填碾壓而成，厚度為2.70～3.10 m。

（2）砂壤土，黃褐色，濕—很濕，稍密，層底埋深為8.30～9.00 m，厚度為5.30～6.10 m。

（3）粉砂，黃褐色—淺灰色，飽和，稍密，層底埋深為27.10～28.00 m，厚度為8.60～9.90 m。

（4）中砂，灰色，飽和，密實，層底埋深為36.40～38.00 m，厚度為9.20～10.05 m。

（5）細砂，灰色，飽和密實，層底埋深為48.30～ 49.90 m，厚度為10.30～13.50 m。

（6）壤土，灰色，軟塑，干強度中等，層底埋深為51.50～52.70 m，厚度為2.30～3.20 m。

（7）細砂，灰色，飽和，密實，層底埋深為61.30～64.80 m，厚度為9.50～12.80 m。

（8）壤土，淺棕色，硬塑，干強度高，層底埋深為70.20～70.80 m，厚度為7.90～9.50 m。

（9）壤土，淺棕色，硬塑，干強度中等，該層未揭穿，最大揭穿厚度為9.8 m。

北岸豎井地層上部為砂壤土、粉砂、細砂，松散—稍密狀，強度較低；豎井中部、底部為中砂和細砂、中砂，中密—密實，強度較高；下部位于粉質(zhì)壤土層中。從地層成分看，較適合高噴灌漿施工。北岸豎井結(jié)構(gòu)和各層地質(zhì)條件，如圖1所示。

2 高壓旋噴灌漿設(shè)計要求和完成工程量

北岸豎井土體高噴加固包括盾構(gòu)始發(fā)段近洞口側(cè)井外土體加固、背洞口側(cè)井外土體加固、豎井底部土體加固（封底）和地連墻槽段間旋噴止水四部分。其中，盾構(gòu)始發(fā)段近洞口側(cè)井外土體加固高程為81.15～55.50 m；背洞口側(cè)井外土體加固高程為75.5～55.5 m，旋噴孔深度50.1 m；豎井底部土體加固高程為55.5～45.5 m，分別在高程105.6和63.5 m平臺高度分A區(qū)和B區(qū)對豎井底部土體旋噴加固，旋噴施工深度為60.1和18 m；地連墻槽段間旋噴封水加固深度為60～64 m。高噴孔平面布置為：始發(fā)端近洞口靠近地連墻旋噴樁加密區(qū)三排孔距0.6 m，排距0.52 m；其余部位按孔距0.8 m，排距0.69 m布置。

施工后要求單樁直徑不宜小于1.0 m，樁間應(yīng)完全搭接，不留空隙，搭接長度不小于20 cm。旋噴凝結(jié)體要求滿足：抗壓強度（R28）≥3.0 MPa；抗折強度（T28）≥0.8 MPa；初始切線模量（E0）＝500～800 MPa。豎井內(nèi)地基加固體同時滿足：滲透系數(shù) （K）≤1×10－5cm/s；允許滲透坡降（J）＞50；抗剪強度：粘聚力（C）≥750 kPa，內(nèi)摩擦角≥40°。

為直觀檢查高噴樁的成樁質(zhì)量，第二階段施工前在豎井中心布置了3根試驗樁，呈正三角形布置，旋噴深度為48.1 m，旋噴施工參數(shù)與豎井封底旋噴樁施工參數(shù)相同（見本文3.2），待以后井內(nèi)開挖時挖出樁體以測量成樁直徑、連續(xù)性等參數(shù)。

高噴施工自2006年4月開始，2007年4月10日完成全部施工任務(wù)。共完成主要工程量：槽段間止水：旋噴樁14根，鉆孔879 m，高噴757 m；近洞口側(cè)井外土體加固：旋噴樁657根，鉆孔32 915.7 m，高噴16 852.1 m；豎井A區(qū)封底：旋噴樁98根，鉆孔5 889.8 m，高噴1 091.5 m。

3 施工程序和主要參數(shù)

3.1 施工程序

豎井封底、槽段接縫止水和盾構(gòu)始發(fā)段土體加固，均采用新三管法旋噴工藝。其主要施工程序為：樁位放樣→鉆機就位→鉆孔→高噴臺車就位→試噴→噴管下至孔底→自下而上旋噴至設(shè)計頂高→沖洗噴管→高噴臺車移位→回灌。

3.1.1 鉆孔

選用XY－4和XY－2型地質(zhì)鉆機，采用泥漿護壁鉆孔，護壁泥漿密度一般不小于1.1g/cm3；鉆孔孔徑比旋噴管外徑至少大40 mm，以保證高噴管順利下入和旋噴過程中返漿通道暢通。旋噴管直徑108 mm的，選用鉆孔孔徑150 mm；旋噴管直徑89 mm的，選用鉆孔孔徑130～150 mm。

鉆孔要求孔位中心允許誤差不大于5 cm，孔斜不大于0.5%。為避免在旋噴工程中卡埋噴管形成事故，豎井A區(qū)和始發(fā)段不進行旋噴的上部孔段下設(shè)PVC護壁管。

3.1.2 高壓旋噴灌漿

鉆孔驗收合格后，高噴臺車就位，進行調(diào)平、支撐點墊實墊穩(wěn)；全面檢查噴漿設(shè)備是否完好，再進行孔口試噴，檢查各種管路是否暢通；下管時將噴頭進行密封，以防漿、氣、水管道堵塞；下到設(shè)計深度后，按漿、水、氣順序依次送入，各種參數(shù)達到設(shè)計要求和孔口返漿正常后再按要求進行正常提升噴射。噴射作業(yè)完成后，通過送漿管路及時向噴射孔內(nèi)補充地層漏失的漿液，進行靜壓補漿（回灌），直至孔內(nèi)漿液面穩(wěn)定和不再下沉為止；回灌可用新漿，亦可用砂層噴射作業(yè)時漿液。

旋噴灌漿應(yīng)連續(xù)進行，噴射提升需要卸管時，復(fù)噴段不小于30 cm；因水、電或機械故障等意外原因造成噴射注漿中斷時間過長，恢復(fù)噴漿時，應(yīng)將噴頭下放原噴頂高程以下不小于0.5 m進行復(fù)噴，采取重復(fù)搭接，以保證上下樁體的連續(xù)性；在噴射注漿過程中，如出現(xiàn)返漿異常（返漿量過小、不返漿、斷續(xù)返漿），根據(jù)實際情況可采取降低提速、靜噴、增大漿液密度、孔口填入細砂等辦法進行處理，待孔口返漿正常后恢復(fù)噴射。

旋噴灌漿分序施工，相鄰孔施工間隔時間一般不少于24 h。

3.2 主要施工參數(shù)

（1）地連墻槽段間封水旋噴樁施工參數(shù)：提升速度上部20 m為10～12 cm／min，底部為6～8 cm/min；轉(zhuǎn)速8～10 r/min；漿壓32 MPa；漿量65～75 L/min；水壓36 MPa；水量75～80 L/min；風(fēng)壓0.9～1 MPa；漿液密度1.52～1.55 g/cm3。

（2）豎井封底旋噴樁施工參數(shù)：提升速度 10 cm/min；轉(zhuǎn)速10 r/min；漿壓33 MPa；漿量80 L/min；水壓37 MPa；水量80 L/min；風(fēng)壓1 MPa；漿液密度1.5 g/cm3。

（3）盾構(gòu)始發(fā)段土體加固旋噴樁施工參數(shù)：提升速度10 cm/min；轉(zhuǎn)速10 r/min；漿壓33～35 MPa；漿量80 L/min；水壓36 MPa；水量80 L/min；風(fēng)壓0.8～1 MPa；漿液密度1.5～1.55 g/cm3。

（4）漿液材料：噴漿材料主要為河南省濟源市生產(chǎn)的32.5級普通硅酸鹽水泥，漿液中摻加5%的優(yōu)質(zhì)膨潤土，水膠比1∶1。

4 施工質(zhì)量檢查與應(yīng)用

4.1 近洞口側(cè)高噴土體加固質(zhì)量檢查

近洞口側(cè)土體加固質(zhì)量檢查以鉆孔取芯為主，同時按5m段長、每孔進行4段壓水試驗測試旋噴加固體透水率。檢查孔數(shù)按高噴孔數(shù)的1%選取。

7個取芯孔，巖芯為砂土和水泥漿液的混合體，固結(jié)強度較高，局部均質(zhì)性較差；巖芯均較完整，呈柱狀；一些部位可明顯見到旋噴樁體相互膠結(jié)，膠結(jié)面兩側(cè)固結(jié)體強度差異較大，強度較低一側(cè)多為漿液滲透固結(jié)。在一些樁與樁之間留有縫隙并夾帶砂土。

抽取4個檢查孔的芯樣（每個孔分別從上、中、下不同部位取樣，組成一組），檢測旋噴固結(jié)體物理力學(xué)性能。其抗壓強度分別為19.8、25.5、16.7和28.3 MPa；抗折強度分別為4.8、1.0、7.1和5.3 MPa；初始切線模量分別為20×103、14.1×103、24.9×103和16.1×103MPa。

為檢查旋噴樁體滲透性能，采用靜水頭壓水方法對每個取芯孔按5 m段長進行壓水檢查。每個取芯孔作4段壓水，共計作28段，檢查結(jié)果透水率均小于0.1 Lu。

4.2 試驗樁開挖檢查

豎井外層地連墻施工完成后，井內(nèi)采用逆作法進行豎井鋼筋混凝土內(nèi)襯，自上而下每3 m一層，分層挖除井內(nèi)土體，分層澆筑混凝土。在土體開挖以后，試驗高噴樁體完全暴露出來。從挖出的高噴樁看，樁體連續(xù)、完整，成樁質(zhì)量整體較好，但樁徑不均勻。30 m以上部分樁徑能達到1.0 m以上，最大直徑1.2 m；30 m以下部分樁徑只能達到0.6～1.0 m，特別是40m以下部分樁徑只有0.6～0.8 m。

4.3 高噴灌漿結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況

在北岸豎井Ⅱ－B先行完成全部混凝土結(jié)構(gòu)及高噴加固施工以后，開始盾構(gòu)機向豎井外開挖，但是當(dāng)破除豎井壁混凝土后，高噴加固體發(fā)生嚴重滲漏和管涌，部分土體垮塌，地面塌陷2 m多，最終導(dǎo)致外圍自凝灰漿防滲墻失去支撐而失穩(wěn)，部分自凝灰漿防滲墻發(fā)生破壞，兩墻間地下水無法降到設(shè)計要求的高程，Ⅱ－A盾構(gòu)機向豎井外開挖施工也無法進行。

為此，必須尋求對失穩(wěn)土體再次加固的方法。經(jīng)比較論證，確定采用冷凍法施工，以保證下步施工的安全。

5 施工效果分析

總的說來，本工程中高噴灌漿沒有達到預(yù)期效果。

（1）盾構(gòu)始發(fā)段近洞口側(cè)井外土體、背洞口側(cè)井外土體、豎井底部土體和地連墻槽段間旋噴止水4個部位高噴加固中，只有盾構(gòu)始發(fā)段近洞口側(cè)井外土體加固是必須單獨和直接經(jīng)受荷載的，它在使用時發(fā)生滲漏和塌陷。

（2）試驗樁在30 m以下樁徑明顯縮小，沒有達到設(shè)計要求。

（3）其他施工部位對土體的加固要求都是間接的、補充性的，單憑檢查孔檢查結(jié)果看不出好壞。

高噴灌漿沒有達到預(yù)期效果的原因可能有二：①加固深度太大。盾構(gòu)始發(fā)段近洞口土體加固高程為81.15～55.50 m；背洞口土體加固高程為75.5～55.5 m，旋噴孔深度為50.1 m；豎井底部土體加固高程為55.5～45.5 m，旋噴施工深度為60.1和18 m；地連墻槽段間旋噴封水加固深度為60～64 m。其高噴深度大都大于50 m，由試驗樁情況看，樁和樁之間不能可靠地搭接。如果再考慮鉆孔偏斜的情況，效果還要差。②隨著深度的增加，地層的密實度加大。在這樣密實的地層里，高壓噴射灌漿影響范圍肯定要變小。

鑒于高噴灌漿法在本工程實施效果不令人滿意的情況，今后類似工程如需采用高噴灌漿方案時應(yīng)當(dāng)慎重考慮。