全斷面注漿止水大斷面暗挖技術(shù)

魏健鵬 金 奕 朱占穩(wěn) 丁志堅(jiān) 朱 偉 李笑男

(北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100088)

1 工程概況

1.1 工程總體概況

北京地鐵亦莊線起于三環(huán)外宋家莊，穿越四環(huán)路、五環(huán)路及京津塘高速公路到達(dá)京津城際鐵路亦莊站，并向北下穿正在運(yùn)營(yíng)的京津高速公路，到達(dá)臺(tái)湖車輛段，全長(zhǎng)23.2 km，是一條聯(lián)系市中心地區(qū)和亦莊新城的軌道交通線路。圖1表示本工程在全線中的位置。

圖1 本暗挖段在全線的位置

亦莊線下穿京津高速公路暗挖工程左、右線，從亦莊火車站后開始以垂直于京津城際鐵路方向前行，起止里程為右 K22+947.025 ～ 右 K23+069.000，全長(zhǎng)121.975 m。

為保證計(jì)劃工期的實(shí)現(xiàn)，在京津高速兩端各設(shè)置一座施工豎井，相向開挖，圖2是暗挖工程的平面。

圖2 暗挖工程平面

暗挖隧道起止里程為右K22+963.728～右K23+060.000，長(zhǎng)96.272 m，線路在此處設(shè)置交叉渡線，隧道采用單洞大斷面形式，斷面尺寸為寬 12.7 m，高9.471 m。設(shè)計(jì)初期支護(hù)厚度350 mm，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法分6導(dǎo)洞進(jìn)行施工;設(shè)計(jì)二襯底板結(jié)構(gòu)厚度650 mm，墻頂結(jié)構(gòu)厚度600 mm，完成后結(jié)構(gòu)凈空寬10.8 m，高7.435 m(見圖 3)。

1.2 工程水文地質(zhì)情況

1.2.1 地質(zhì)情況

本工程暗挖結(jié)構(gòu)拱頂主要位于粉細(xì)砂③層，側(cè)墻及仰拱主要位于粉質(zhì)黏土④層，粉細(xì)砂④3層局部侵入仰拱，暗挖作業(yè)易發(fā)生拱頂坍塌及仰拱涌水。地質(zhì)情況如圖4所示。

1.2.2 水文情況

此項(xiàng)目位于北京東部的通州臺(tái)湖地區(qū)，地下水十分豐富，施工場(chǎng)區(qū)分布有4層地下水，類型分別為上層滯水(1)、潛水(2)、承壓水(3)和承壓水(4)，對(duì)于施工產(chǎn)生影響的主要是前3種。

暗挖初襯結(jié)構(gòu)頂部埋深距自然地面6.1 m(距高速路面8.3 m)，底板埋深距自然地面為15.5 m(距高速路面17.7 m)。底板下部距承壓水(3)很近，平均只有300 mm，局部已進(jìn)入粉細(xì)砂層，如圖5所示。

圖5 水文地質(zhì)縱剖面

2 工程控制的重點(diǎn)及難點(diǎn)

暗挖施工重點(diǎn)控制的是初襯開挖的安全，而對(duì)地下水的控制、實(shí)現(xiàn)無(wú)水開挖就成了重中之重。隧道下穿京津高速路，不具備路面打設(shè)降水井的條件。同時(shí)，在十分不利的地質(zhì)條件下，進(jìn)行交叉渡線的單洞大斷面暗挖施工，并保證沉降量在可控范圍內(nèi)是施工的難點(diǎn)。因此，止水效果和路面沉降的控制是工程施工管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 全斷面注漿止水施工

全斷面超前預(yù)注漿止水施工工藝是在整個(gè)斷面上布孔，通過(guò)注漿形成截水帷幕，并加固周圍巖體，創(chuàng)造穩(wěn)定可靠的施工環(huán)境［1］。

3.1 施工機(jī)械設(shè)備

3.1.1 鉆孔設(shè)備

鉆孔施工采用ZDY-1500型鉆機(jī)，是動(dòng)力頭式全液壓分體式鉆機(jī)，具有輕便、容易操作等特點(diǎn)。

3.1.2 注漿設(shè)備

注漿設(shè)備采用KBY-50/70型雙液注漿泵，為單缸雙液往復(fù)式。該注漿泵壓力、流量可以在泵的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中任意調(diào)節(jié)，且體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單。

3.2 注漿材料選擇

TGRM超細(xì)水泥作為注漿材料在注漿工程和市政工程中大量采用，是專為地下工程注漿施工而發(fā)明的。

前進(jìn)式深孔注漿工藝由于其TGRM超細(xì)水泥漿液的獨(dú)特性，特別適合城市隧道下穿既有構(gòu)筑物的超前止水加固施工。TGRM超細(xì)水泥注漿材料的特點(diǎn)見表1。

表1 注漿材料性能對(duì)比

由于隧道開挖時(shí)對(duì)街道地面下沉控制的嚴(yán)格要求，注漿材料采用TGRM超細(xì)水泥基特種灌漿料，具有超細(xì)性、耐久性、微膨脹性、抗分散性、早強(qiáng)性等特點(diǎn)，與其他漿液相比有許多優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

通過(guò)對(duì)各項(xiàng)性能的比較，從漿液凝結(jié)時(shí)間、凝固后的強(qiáng)度、膨脹性能等方面考慮，TGRM超細(xì)水泥漿比較適合于本工程的粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂層。

3.3 施工工藝

前進(jìn)式分段注漿工藝具體過(guò)程是:首先采用鉆機(jī)成孔，先進(jìn)行內(nèi)圈鉆孔，后進(jìn)行外圈鉆孔，間隔鉆孔即跳孔施工。鉆孔深度為12 m，開挖10 m，留2 m作為下一循環(huán)施工的止?jié){巖盤。鉆孔直徑80 mm，成孔后穿入直徑60 mm的袖閥管，每隔300 mm打一圈小孔，并用橡皮套將孔口封住，橡皮套在鉆孔灌漿過(guò)程中起到逆止閥門的作用［2］。將袖閥管安放好后，進(jìn)行前進(jìn)注漿工作。從孔口開始，由外向內(nèi)進(jìn)行注漿，即插入一根直徑40 mm的注漿鋼管，在鋼管前端1 m范圍內(nèi)打小孔，設(shè)置前后兩個(gè)止?jié){塞(見圖6)，將漿液限定在注漿區(qū)域的任一段范圍內(nèi)進(jìn)行灌注，達(dá)到分段注漿的目的［3］。注漿時(shí)靠注漿壓力將袖閥管孔口的橡皮套沖開使?jié){液擴(kuò)散到外圍土體，每次前進(jìn)1 m，當(dāng)壓力穩(wěn)定達(dá)到終壓的0.3～0.6 MPa后，繼續(xù)前進(jìn)注漿……，如此循環(huán)，直到注漿深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 止?jié){塞

注漿孔打設(shè)方式及前進(jìn)式分段注漿工藝如圖7～圖8所示。

注漿管布設(shè)間距為1.5 m，采用梅花形布設(shè)，每個(gè)注漿孔的擴(kuò)散半徑為800 mm，達(dá)到孔與孔之間的咬合，注漿范圍及加密注漿如圖9所示。

針對(duì)砂層進(jìn)行加密注漿，采用20 mm的PVC塑料管，塑料管需提前打好小孔，注入的漿液是水泥水玻璃雙液漿，漿液配比為水∶水泥∶水玻璃=0.8∶1∶1。這種漿液與粉細(xì)砂結(jié)合得比較緊密，它的主要作用還是固化砂層，防止開挖過(guò)程中流砂現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3.1 鉆孔施工

鉆孔施工前必須封閉掌子面，防止在注漿時(shí)漏漿。施工鉆孔在掌子面范圍內(nèi)進(jìn)行布設(shè)，根據(jù)漿液擴(kuò)散范圍確定其角度及長(zhǎng)度。馬頭門及洞內(nèi)施工如圖10～圖11所示。

1)施工順序:在鉆孔施工過(guò)程中，先進(jìn)行內(nèi)圈鉆孔施工，后進(jìn)行外圈鉆孔施工，間隔鉆孔。

2)鉆孔施工工藝流程，如圖12所示。鉆機(jī)就位后，利用垂球結(jié)合水平尺，檢查鉆機(jī)水平及鉆桿垂直度［4］。

圖12 前進(jìn)式注漿工藝中的鉆孔施作流程

3.3.2 注漿施工

1)注漿施工參數(shù)。注漿施工參數(shù)要根據(jù)地層實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)，并在現(xiàn)場(chǎng)施工中不斷完善調(diào)整，注漿過(guò)程中結(jié)合注漿壓力變化情況，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化注漿參數(shù)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土地層特性，預(yù)設(shè)定注漿參數(shù)如表2所示。

表2 注漿參數(shù)

2)注漿施工工藝流程，如圖13所示。

圖13 前進(jìn)式注漿工藝中的灌漿施作流程

3.3.3 注漿施工常見問(wèn)題及對(duì)策

注漿過(guò)程中容易產(chǎn)生孔間串漿、注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升以及注漿引起地表隆起等問(wèn)題，依據(jù)如下預(yù)案處理這些問(wèn)題［5］。

1)孔間串漿。出現(xiàn)串漿問(wèn)題時(shí)，首先調(diào)整注漿參數(shù)，適當(dāng)減少注漿壓力和速度，或者采取間歇注漿及進(jìn)行跳孔注漿作業(yè)。

2)注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升。可以采取調(diào)整漿液材料配比、添加水玻璃等化學(xué)劑，縮短凝膠時(shí)間。

3)施工區(qū)域地表隆起。首先要加強(qiáng)高速公路的監(jiān)測(cè)和觀察，防止發(fā)生路面的隆起變形，一旦出現(xiàn)，立即停止施工，評(píng)價(jià)地表隆起對(duì)道路安全有無(wú)影響，再適當(dāng)調(diào)整注漿參數(shù)。

3.3.4 全斷面注漿的效果

圖14 注漿效果(形成的漿脈)

通過(guò)調(diào)整注漿壓力及采取砂層加密等一系列措施，使全斷面注漿達(dá)到良好的效果，在砂層中形成漿脈，如圖14所示。在各導(dǎo)洞施工中基本做到無(wú)水作業(yè)，為安全施工初襯創(chuàng)造了條件［6］。1#導(dǎo)洞、2#導(dǎo)洞洞通效果如圖15、圖16所示。

4 地面補(bǔ)償注漿施工

受高速公路路基沉降不穩(wěn)定，地下水補(bǔ)給豐富、路基受重載及動(dòng)載作用頻繁等不利因素的綜合影響，暗挖施工實(shí)際沉降值必然大于理論計(jì)算值。為了降低這幾個(gè)因素對(duì)沉降量的影響，通過(guò)研究論證，制定高速公路兩側(cè)坡腳的補(bǔ)償注漿措施。即在全斷面注漿的同時(shí)，在 K22+959.621 ～K22+963.621 和 K23+018.00～K23+014.00段道路兩側(cè)4 m邊坡腳位置設(shè)注漿孔，向高速公路路床結(jié)構(gòu)下基礎(chǔ)土層注水泥漿。注漿孔布設(shè)位置如圖17、圖18所示。

圖17 高速公路兩側(cè)邊坡下腳注漿孔平面布置

坡腳注漿的原理與全斷面注漿一樣，漿液變成了普通水泥漿，采用調(diào)整角度的方式以確保加固范圍。通過(guò)注漿，使高速公路基礎(chǔ)3.5～6 m土層得到加固，能有效延緩路基下天然地基壓縮變形的發(fā)展、阻隔地下水的補(bǔ)給，形成一個(gè)2.5 m左右厚的水泥漿固化的土層整體板塊，使路面整體沉降得到控制。

圖18 F注漿孔注漿剖面

5 沉降監(jiān)測(cè)情況

沉降控制是本次施工控制的重點(diǎn)，分別在高速路的中央隔離帶、主路路面、兩側(cè)應(yīng)急停車帶布設(shè)了6排施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)路面的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖19所示。

圖19 高速監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

監(jiān)測(cè)的時(shí)程曲線圖中折線位置說(shuō)明了補(bǔ)償注漿對(duì)路面的抬升效果，如圖20所示。在初襯6個(gè)導(dǎo)洞全部洞通后，沉降趨于穩(wěn)定，從后續(xù)二襯施工的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，沉降量沒有明顯變化，這與初襯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及全斷面注漿、補(bǔ)償注漿的效果密不可分。

圖20 監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本工程實(shí)踐證明:暗挖隧道全斷面注漿施工技術(shù)具有分序、分段、定深、定量、間歇、重復(fù)灌注等特點(diǎn)［7］，在含水砂層等惡劣地質(zhì)條件下，有明顯的適用性。

1)采取全斷面注漿止水施工，避免了因降低地下水對(duì)于高速公路路基的影響，而地面補(bǔ)償注漿又對(duì)局部沉降量大的位置進(jìn)行了抬升與調(diào)整，使路面平順，將施工對(duì)道路及群眾出行的影響降低到最小，確保了施工期間京津高速的正常運(yùn)行。

2)全斷面注漿止水施工，對(duì)初襯周邊土體有固化作用，止水效果明顯，確保了導(dǎo)洞開挖及初襯格柵施工在無(wú)水的條件下進(jìn)行，有利于初襯施工質(zhì)量控制，同時(shí)，有效地避免了洞內(nèi)流水、流砂、塌方等事故的發(fā)生，保證了工程質(zhì)量，確保了施工安全。

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