軟土地層盾構穿越密集房屋群水平定向注漿加固技術

劉國棟， 袁馮丹， 許 超

(中交第二航務工程局有限公司工程裝備分公司， 湖北 武漢 430014)

0 引言

隨著我國地鐵建設的大規模開展，盾構法以其安全、快速、對周圍環境影響小等優點，在城市軌道交通建設領域得到廣泛應用[1]。地鐵盾構隧道穿越城市密集區的頻率越來越高，且沿線一般存在大量建(構)筑物。盾構在敏感軟弱地層中施工會對土體產生擾動，極易造成建(構)筑物不均勻沉降，甚至開裂、倒塌[2]。

目前常用的盾構下穿建(構)筑物加固技術有建(構)筑物及其基礎預加固技術[3-7]和袖閥管跟蹤注漿加固技術[8-11]。李樹武等[12]選用擴散式傾斜鉆桿回抽注漿法對隧道土體進行注漿加固處理； 汪珂等[13]依托西安地鐵4號線區間隧道下穿和平門古城墻工程，采用袖閥管注漿加固及門洞鋼拱架支護等方法對城墻進行加固處理； 吳昌將等[14]針對盾構側穿鄰近古建筑物，采用MJS預注漿加固，并對加固效果進行研究； 歐陽林等[15]采用高壓旋噴樁聯合袖閥管注漿加固法對路基進行加固。以上研究取得了一定成果，但受環境、技術等條件的影響，均存在一定的局限性： 雙液漿加固漿液凝固時間短，滲透范圍小，難以形成均勻的加固體； MJS預注漿加固效果好，但造價較高； 袖閥管及高壓旋噴注漿設備難以進入房間距狹小地帶作業。此外，上述技術還存在占用道路、城市地面二次破壞嚴重、接茬部位薄弱等弊端，施工易受地表建筑物及地下管線位置的影響，且施工過程中對居民生活影響嚴重。

鑒于此，本文以廣州地鐵14號線1標盾構下穿姓鐘圍房屋群為背景，將地面注漿技術與定向鉆孔技術相結合進行水平定向注漿加固。通過埋設預制鋼閥管，既可以克服地面建筑物和市政管線等的阻礙，實現對滲透性較好的砂卵層、巖層破碎帶及滲透性較差的黏性土層等軟弱地層的超前預加固和盾構推進過程中的跟蹤注漿，同時兼具管棚支護的效果，加固效果可靠。而且該技術可遠離加固地點進行作業，有效避免社會人員對施工的干擾，可為解決軌道交通建設過程中穿越密集房屋群工程提供參考。

1 工程概況

廣州市軌道交通14號線1期工程1標段鄧村站—江埔站區間盾構隧道下穿姓鐘圍房屋群(村民自建房)，房屋1—7層不等，基礎均為條形基礎，埋深1.5～3.0 m，抗變形能力較差。姓鐘圍區域地層自上而下依次為〈1〉人工填土、〈4N-2〉可塑黏性土、〈3-1〉粉細砂、〈3-2〉中粗砂、〈3-3〉礫砂、〈7-1〉強風化砂礫巖、〈8-1〉中風化砂礫巖、〈9-1〉微風化砂礫巖。

盾構隧道穿越的主要地層為〈3-2〉中粗砂、〈3-3〉礫砂、〈7-1〉強風化砂礫巖、〈8-1〉中風化砂礫巖。其中，〈8-1〉中風化砂礫巖所占比例達到50%，巖石平均強度為20 MPa，最高強度為28 MPa，該段為典型的上軟下硬地層。注漿加固的目的層位為〈3-2〉中粗砂層和〈3-3〉礫砂層。

2 水平定向鉆孔注漿加固技術

2.1 設計方案

如圖1所示，姓鐘圍建筑群B-17—B-24建筑物左側共布置4個鉆孔。2#、3#鉆孔鉆探至B-19建筑物，加固B-17—B-19房屋基礎； 1#、4#鉆孔分別沿右線隧道邊線及頂線鉆進，鉆探至B-24建筑物，加固右線隧道開挖輪廓以外的土體，提高其強度和自穩能力。水平定向注漿加固技術如圖2所示，各鉆孔長度如表1所示。

圖1 注漿鉆孔平面布置圖Fig. 1 Plan of layout of grouting drilling holes

圖2 水平定向鉆孔注漿加固示意圖

Fig. 2 Sketch of horizontal directed drilling and grouting reinforcement

表1姓鐘圍水平定向鉆注漿鉆孔長度

Table 1 Lengths of horizontal directed grouting holes at Xingzhongwei section m

孔號造斜段長水平段長總長1#60.053.0113.02#50.020.070.03#61.220.081.24#68.060.0128.0共計239.2153.0392.2

2.2 加固范圍

注漿水平范圍與注漿孔布置、地層特點、注漿參數等相關。根據以往工程經驗，漿液水平方向擴散距離取3 m，垂直方向以隧道頂線向上偏移3 m為鉆孔中心，鉆孔具體位置需要根據現場情況調整。

3 水平孔鉆探工藝

3.1 管線探查

在施工前，采用開挖探槽和管線探測儀，探明管道的具體位置及延展方向，結合施工藍圖，分析管線的影響范圍。在保證加固效果的前提下調整施工孔位和施工角度，必要時申請管線改遷。

3.2 鉆探設備

選用TDX150鉆機，該鉆機采用全液壓驅動，履帶行走； 尺寸為17 600 mm×3 100 mm×3 350 mm，最大推進回拉力為1 500 kN，最大推進回拉行程為13 m。動力頭采用低速大轉矩馬達驅動，2檔無級調速，結構簡單可靠； 齒輪齒條推拉給進系統，運動平穩可靠； 桅桿可在0～25°調整鉆機入土角度，并可前后移動； 整機重心低，穩定性好。配有起重能力為3 t、可360°旋轉的隨機輔助吊車。

3.3 鉆進泥漿

針對姓鐘圍房屋群基礎下伏砂層(〈3-1〉粉細砂層、〈3-2〉中粗砂層、〈3-3〉礫砂層)結構松散、地下水位高的特點，選擇膨潤土水基鉆井液，泥漿主劑采用鉆井優質膨潤土，加重劑采用重晶石粉，其他添加劑包括廣譜護壁劑、防塌防卡劑、地層增壓劑、純堿、植物膠等。鉆探泥漿材料、泥漿配比及添加劑量如表2所示。

表2 泥漿材料、配比及添加劑量對應表Table 2 Materials and ratios of mud and additive dose

3.4 水平鉆孔測斜定向工藝

3.4.1 隨鉆測斜及施工

本工程采用泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀，鉆進過程中及時測量井眼傾角、方位角和工具面角等參數，并通過泥漿脈沖形式將數據發送到地面，經地面控制系統分析處理后，得到實時的井眼軌跡參數。鉆機司操人員根據分析結果實時調整鉆進角度，實現造斜段與水平段鉆進的轉變，為水平孔的鉆進質量提供保證。

3.4.2 定向施工

本工程定向糾斜設備采用φ153 mm導向鉆頭和螺桿鉆具。開孔軟土層采用導向鉆頭。導向板以一定斜度安裝在鉆頭前端，其工具面方向角等分為12份，在方向力作用下，鉆桿推進時造斜。

轉向糾偏時換用螺桿鉆具定向施工，根據無線隨鉆測斜儀數據，地面鉆機調整鉆頭斜度向設計軸線方向靠攏，地面鉆機停鉆，通入鉆進泥漿至螺桿鉆具以驅動鉆頭旋轉鉆進，從而實現定向。本工程開孔時即標明鉆孔走向，鉆機回轉軸線與鉆孔設計方位線基本重合，方位角控制相對容易。開孔入土角約15°(頂角75°)，為實現水平鉆進(頂角90°)，造斜段增斜角度為15°。

3.4.3 特殊工況處理

3#孔采用導向鉆頭開孔，鉆進至20 m位置(垂深5.17 m)左右，遭遇硬質地質體，排除管線及房屋基礎、樁等情況。鉆進中發現導向鉆頭進尺異常緩慢，起鉆發現導向板磨損嚴重(見圖3)，換用牙輪鉆頭(見圖4)鉆進，鉆進速度明顯提高。

考慮鉆進層段砂層分布不均勻，且地下水豐富，鉆孔施工時極易塌孔埋鉆，因此在注漿段采用鉆注結合的方法施工。基于套管段，每鉆進9 m進行1次注漿，以將該段地層進行預加固，直至鉆注至設計孔深位置。

圖3 導向鉆頭磨損情況Fig. 3 Wear of guide bit

圖4 牙輪鉆頭Fig. 4 Cone bit

3.5 注漿管下放及環形空間充填

3.5.1 套管下放及固管

開孔時，采用φ153 mm導向鉆頭鉆進9.0 m后，換螺桿鉆具繼續鉆進2～3 m，下入φ133 mm×8 mm套管，待確定套管下至設計深度后，在套管內下止漿塞，止漿塞一般下至距套管底部3～4 m處，檢查止漿效果，注入早強復合水泥漿固管。待套管外緣返出濃漿后，即停止注漿，再定量壓入清水。6～8 h后起塞，12 h后掃出套管內距底部1.0～1.5 m以上的水泥漿，繼續養護24～36 h，掃孔至原深，進行套管內壓水試驗(壓力2 MPa左右)，套管外不返水并達到固管質量要求后，認為固管合格，否則繼續固結。

3.5.2 注漿閥管下放

鉆孔至設計深度后，應立即清理鉆孔，適當加大泵量，進行沖孔，攜出井底砂粒及大顆粒鉆屑。待井口返漿中無明顯巖粉時，進行泥漿調整，加大泥漿相對體積質量和黏度，防止巖粉沉淀及塌孔堵塞鉆孔，造成閥管下放困難。

泥漿調整完成后即可提鉆，提鉆過程中嚴格控制上提速度，避免提鉆引起的“負壓”抽吸效應誘發塌孔。同時還需對注漿閥管進行預處理，主要包括： 1)清理套管中的鐵屑，檢查兩端絲扣的質量，除去毛刺；2)檢查閥管環槽質量，將環槽打磨光滑，涂加潤滑油，并套上密封橡膠套。

提鉆及閥管預處理完成后，準確丈量鉆具，校正孔深，按軌跡配備閥管，采用斜孔導向鉆機進行套管逐段連接并按順序下放。

注漿閥管結構如圖5所示，同樣分為造斜段和水平段2部分。造斜段不注漿，采用普通鋼管； 水平段需進行定位注漿，采用φ108 mm×8 mm單向注漿閥管。閥管上每隔50 cm加工1條環槽，設計花眼，然后套上橡膠密封套，閥管間采用絲扣連接。

圖5 注漿閥管結構Fig. 5 Overall structure of grouting valve pipe

3.5.3 環形空間充填

注漿閥管下放至設計位置后，應立即采用充填材料進行注漿閥管環形空間充填。充填材料既要滿足固管止漿的強度要求，又能被漿液壓力擊穿滲入地層實現加固目的。經過多次試驗，本工程配制飽水砂層環形空間充填材料，滿足泵送要求，析水率在5 %以下、初凝時間為0.5～1 h、終凝時間為6～10 h、早期強度為1.0 MPa。充填步驟包括：

1)將φ50 mm鉆桿連接止漿塞下至離管底1～2 m，拉塞止漿。

2)壓注凝結材料，直至孔內泥漿全部上返。

3)待孔口返出純充填材料后，壓少量清水替換鉆桿內充填材料，悶壓1～2 h，提出孔內鉆桿，下鉆掃孔，環形空間充填結束。

3.6 地面預注漿施工

注漿漿液以水泥黏土漿和單液水泥漿為主。注漿設備包括制漿系統、注漿管路、定位止漿塞和注漿泵等。注漿管路包括高壓膠管和φ50 mm鉆桿； 止漿機具為水力式定位止漿塞； 注漿泵采用NBB-390泵，該泵為臥式三缸單作用活塞泵； 采用氣胎離合器，使用和維修方便，操作簡單。

3.6.1 注漿材料

注漿材料主要包括復合水泥漿和黏土水泥漿。

復合水泥漿配比如表3所示，添加劑包括食鹽、三乙醇胺和穩定劑。必要時可添加復合添加劑，以改變漿液凝結時間和析水率。配比相同的復合水泥漿與普通水泥漿析水率對比如圖6所示，可知： 復合水泥漿可明顯減小固結體積收縮，更有利于空隙的充填，保證加固效果。

表3 復合水泥漿材料配比Table 3 Composite grout material ratios

Fig. 6 Comparison of water splitting rate between composite grout and ordinary grout

黏土水泥漿以水泥、黏土、水玻璃為主要原材料，其配比如表4所示。考慮到本工程為加固工程，配制黏土漿采用優質紅黏土，水泥用量、黏土漿相對體積質量和水玻璃用量均取上限。

表4 黏土水泥漿現場配比參數(2 m3)Table 4 Site matching parameters of clay slurry (2 m3)

復合水泥漿加固性能較好，但析水率高，砂層中注漿擴散性能差，結石體固結收縮對地面沉降控制不利。水泥黏土漿具有良好的可注性和密實充填性能，凝結時間較長，堵水性能好。采用黏土水泥漿和復合水泥漿交替注漿，可實現同一注漿段定點、定量、多次重復注漿加固。

3.6.2 止漿機具

根據水平孔注漿的特點，本工程采用水力止漿塞，其結構包括膠筒、充水高壓管及注漿花管等部件。在水壓力作用下，止漿塞膠筒產生橫向膨脹與鉆孔孔壁擠緊，起止漿作用。止漿塞與注漿花管通過絲扣連接，充水高壓管連接地面打壓泵，經地面打壓泵控制，實現止漿塞的脹塞和解塞，為精細化注漿控制提供保障。

止漿塞下放過程中應保證高壓充水管位于注漿管頂部并緊貼注漿管，避免充水管的閥管接箍部位被蹭破。注漿開始之前進行壓水以檢驗止漿效果，孔口無返漿、返水時，表明止漿效果良好。

3.6.3 注漿施工工藝

待環形空間充填材料形成強度后，即可開始預注漿施工。采用分段注漿方式，分段長度為4.0 m，從孔底逐段后退注漿。首先下入水力式止漿塞至預定注漿段，然后充塞止漿并檢驗止漿效果，止漿效果符合要求即可開始注漿施工。注漿過程中嚴密觀測注漿壓力及流量，注漿壓力超限立即停泵檢查，單次注漿量達到3～5 m3即停止注漿，嚴禁超壓、超量注漿。每次注漿完成后，起出注漿管及止漿塞，用清水將注漿閥管沖洗干凈，防止殘漿堵孔，以實現各注漿段的重復注漿。

3.6.4 注漿壓力控制與結束標準

施工過程的難點之一是注漿壓力的控制。注漿壓力過大將導致地面變形超限、地表產生裂縫及地面冒漿等問題。注漿壓力不足則難以保證注漿效果。

在注漿施工過程中，漿液需突破橡膠密封圈，壓裂環形充填料進入地層，啟動壓力必須保證漿液沖開閥管及環形充填料，結合軟土層袖閥管注漿施工經驗，本工程啟閥壓力設計為0.2～0.6 MPa，在實際施工過程中，部分注漿段啟閥壓力峰值達到0.8 MPa，平均值在0.5 MPa左右。漿液突破密封圈及環形充填料后，存在較大的壓降，甚至無壓現象。啟閥階段壓力變化較大，壓力峰值持續時間短，控制的重點在于防止橡膠密封圈被壓裂。

本工程距離地面較近，注漿壓力的取值和控制應確保地面不發生較大抬升。原則上注漿壓力不宜過高，設計注漿壓力警戒值為0.8 MPa，停泵壓力為1.5 MPa。施工過程中，嚴密監視注漿壓力變化，當注漿壓力接近停泵值時，及時停泵憋壓。

2#孔第3注漿段壓力變化情況如圖7所示，該段孔深66～70 m，垂深9.1 m。從圖7可以看出： 該段共進行了4次注漿，注漿壓力隨注漿次數的增加而增加。在同一次注漿中，注漿壓力存在一定的波動，但總體為增加的趨勢。由于本工程還存在后期盾構掘進期間的跟蹤注漿，預注漿結束標準由注漿壓力及注入量雙重指標控制。注漿終壓根據工程經驗確定為1.2 MPa，注入量標準為設計量的85%。

圖7 2# 孔第3注漿段注漿壓力變化曲線

Fig. 7 Grouting pressure curves of grouting section No. 3 of hole #2

3.6.5 注漿施工分析

本工程于2015年8月30日正式開始注漿， 10月5日預注漿施工正式完成，跟蹤注漿只有在盾構推進過程出現地面沉降異常時才啟動。漿液注入量統計如表5所示，37 d共注入267.5 m3漿液，其中復合水泥漿87.5 m3，黏土水泥漿180 m3。

表5姓鐘圍水平鉆孔預注漿注入量統計

Table 5 Statistics of pre-grouting amount of horizontal hole at Xingzhongwei section

孔號注漿長度/m開始時間結束時間注漿段數水泥漿/m3黏土漿/m31#5309-1410-021322652#2009-0509-29518.530.53#2008-3009-2551433.54#6009-2810-06153351共計1533887.5180

3.7 預注漿施工地面變形分析

在本工程施工之前，設置地表測量網，以實現對鉆探和注漿擾動地面變形的監控。如圖8所示，地面變形監測時共設置4個監測斷面，分別編號為850、860、870、880，各斷面監測點個數分別為5、2、4、2，共計13個。

3.7.1 鉆進過程地表變形情況

鉆探施工期間，重點對鉆孔軸線附近的監測點進行觀測，1#、3#孔鉆探及環形空間充填材料待凝期間其軸線附近的監測點的變形情況分別如表6和表7所示。

圖8 地表變形監測斷面設置

Fig. 8 Layout of monitoring section for ground surface deformation

表6 1#孔鉆探期間地表監測點變形情況統計

Table 6 Statistics of ground surface deformation monitoring points during construction of hole #1 mm

編號累計變化量1 d2 d3 d4 d5 d6 d850-20-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1850-30.10000-0.1860-1000000870-2000-0.1-0.1-0.1880-1-0.100000

表7 3#孔鉆探期間地表監測點變形情況統計

Table 7 Statistics of ground surface deformation monitoring points during construction of hole #3 mm

編號累計變化量 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d850-40-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1850-5000-0.10-0.1860-2000000870-400-0.1-0.1-0.1-0.1

從表6和表7監測數據可以看出： 鉆探施工對地表變形基本無影響，實現對房屋住戶零干擾。采用高相對體積質量、高黏度的化學泥漿，孔壁穩定性控制良好，施工中保持孔內地壓平衡，地表基本沒有發生變形。

3.7.2 注漿過程地表變形情況

在注漿施工期間，對各監測點變形進行測量，地表變形警戒值為10 mm。870-4監測點變形曲線如圖9所示，可知： 注漿初期，870-4監測點處地表變形較小，正式注漿開始后，地表有規律均勻抬升，注漿結束后，地表變形逐漸趨于穩定，最大抬升量為5.1 mm。

注漿結束10 d后各監測點的累計變形情況如表8所示，可知平均抬升量為4.9 mm，說明本次預注漿加固較好地控制了地表變形。

圖9 870-4監測點變形曲線Fig. 9 Deformation curve of monitoring point 870-4

表8注漿后地表監測點變形情況統計

Table 8 Deformation statistics of ground surface monitoring points after grouting

斷面編號變形/mm60 85012.625.334.943.553.160 86014.724.5斷面編號變形/mm60 87015.627.636.545.160 88014.925.6

4 應用效果

4.1 加固效果評價

左右線盾構穿越水平定向注漿加固區隧道軸線測點隆沉量情況如圖10和圖11所示，可知： 水平定向注漿加固區域，中間形成密集管棚加固聯合體，加固效果明顯，左線隧道靠近水平定向注漿加固區域軸線上的點隆起幅度更大，說明水平定向注漿改變了注漿位置處土體性質，形成了強度較高的整體加固體。

水平定向注漿加固有一定效果，提高了近房屋側土體強度，改變了天然原狀土體顆粒組合形式，使得同一里程樁號處左右線測點隆沉幅度有明顯差別，左線隆沉幅度更大且大部分為隆起； 此外，水平定向注漿加固形成密集管棚式加固體的區域加固效果更好。

圖10 左右線穿越水平定向注漿加固區隧道軸線測點隆沉量對比

圖11 左線軸線測點與右線軸線測點隆沉幅度對比Fig. 11 Deformation amplitude comparison of measuring points between left line axis and right line axis

4.2 經濟效益分析

以MJS高壓旋噴樁加固為例，按加固長度60 m計，豎直偏角16°，平均樁長2 m，樁徑2 m，旋噴角度160°，設置2排咬合樁，則共需注漿3 768 m3，注漿單價為2 000元/m3，則注漿總費用為753.6萬元。而利用水平定向注漿施工總費用僅約為145.5萬元(見表9)，可節省費用600余萬元，水平定向注漿經濟效益顯著。

表9水平定向注漿技術費用統計

Table 9 Cost statistics of horizontal directed grouting technology

單位工程名稱類別數量單價/元 總價/元鉆孔水平鉆孔392.2 m2 500981 250注漿單液水泥漿87.5 m375065 625黏土水泥漿180.0 m3600108 000措施費設備進出場費200 000200 000監測費100 000100 000共計1 454 875

4.3 社會效益分析

采用水平定向注漿技術，其施工作業區可避開人員密集的街區，進行遠距離地下施工，不需要進行管線搬移和房屋拆遷等工作，不影響交通和居民的正常生活，可大幅減少管理協調工作量，有助于緩解社會矛盾，保障社會穩定。

5 結論與建議

1)水平定向鉆孔預注漿可實現對開挖影響范圍內建筑物的遠距離超前注漿加固，提高建筑物的自穩定能力。在盾構推進過程中，可根據地表變形監測情況，及時進行定點、定量精細化跟蹤注漿，有效控制建筑物的異常隆起和沉降，起到了很好的加固作用。

2)地層變化對水平定向鉆孔效率影響較大，需針對性地做好詳勘及應對措施，合理配置鉆孔設備。

3)注漿后地表變形均呈現隆起態勢，但水平定向注漿壓力及注漿量均小于設計值，建議注漿期間加強監測，并結合監測數據調整注漿參數。

4)由于水平定向注漿加固技術在城市軌道交通領域鮮有應用，其施工標準與質量檢驗方法等尚未統一，有待進一步研究。