富水動壓砂層地質條件下盾構開倉的加固區施工技術

胡鷹志

深圳市隧道工程有限公司 廣東 深圳 518028

復合式的土壓平衡盾構機在近海區域復雜地質條件下富水動壓砂層進行盾構開倉作業是盾構施工中的挑戰，帶壓開倉作業在富水動壓砂層條件下很難實現，常壓開倉則需要對加固區地基土進行地基處理，在安全可靠的條件下才具備開倉條件。在富水動壓砂層條件下，常規的地基處理技術（旋噴樁、壓密注漿、攪拌樁等）很難達到預期效果，迫切需要一種新的地基處理技術及方案。

1 事件概況

深圳地鐵三號線南延線福保站—益田站盾構區間出福保站后，由東向西延伸，下穿紅花路及紅花路與絨花路之間，逐漸向北偏轉，先后下穿紅柳道、深福保單身公寓A棟、鳳凰道、桂花路、廣深高速，最后沿正北方向轉入益田中街，再側穿益田村小區，接已經運營的益田站。線路平面由直線段、曲線段和緩和曲線段構成，線路最小曲線半徑351 m。線間距14.2～17.2 m。區間隧道埋深15.5～24.6 m。使用2臺NFM復合式土壓平衡盾構掘進。

圖1 項目工程平面示意

所使用的2臺盾構機均由于中心回轉體與刀盤脫落，需要開倉進行機械結構的修復及改裝。開倉所處區域是近海的填海區域，開倉所處地層一部分處于全、強風化花崗巖地層，一部分處于富水動壓砂層，帶壓作業掌子面不能安全保壓，且需要在土倉中進行動火作業，帶壓作業開倉操作難度極大，因此需要選擇常壓進行開倉作業。

本次加固區采用φ600 mm雙管旋噴咬合樁@450 mm密排咬合布置，加固寬度為隧道邊線外擴1 m，加固豎向深度范圍為隧道上方5 m至下方2 m，隧道埋深頂部為18 m，底部為24 m。加固完成后對加固區進行抽芯，發現實際成樁效果不理想，樁身完整性較差，短時間開倉查看了前方圍巖情況，前方加固體有失穩情況發生，并向土倉中流泥和流水，因此，本次加固是失敗的。

2 加固失敗的原因分析

2.1 水文、地質情況分析

地勘資料顯示，加固區自上而下主要為：①1素填土，②3淤泥質粉質黏土，④9中砂，④2粉質黏土，④10粗砂，⑦1-2礫質黏性土，⑧1中等風化石英巖脈，⑧2全、強風化花崗巖。加固區為近海填海區，地下水水位埋深為地下1.2～2.1 m，地下水主要為潛水，帶有一定的承壓性，且具有流動性。

從打開土倉查看前方圍巖情況看，在中風化和全、強風化花崗巖地層中，旋噴樁加固的樁身完整性較好，但在砂層、礫質黏性土地層中的樁身完整性較差。砂層孔隙較大，含水豐富，具有流動性和承壓性，與海水有一定的連通性，受潮汐水影響嚴重，采用高壓旋噴樁施工高壓噴灌的漿液很難停留在加固半徑范圍內，漿液在富水區域被稀釋并隨著流動水流失，很難實現凝固結晶，導致加固效果很差，這是導致采用雙管高壓旋噴樁進行加固施工失敗的主要原因。

2.2 高壓旋噴樁施工工藝原因分析

2.2.1 樁的水平位置及垂直度

鉆機應按設計樁位準確定位，并必須作水平校正，鉆桿頭對準樁位，精確控制樁機對中位置，允許偏差為50 mm，樁機導向架傾斜度控制在小于1.5%的范圍內，每鉆進5 m測量垂直度，孔斜率不大于0.5%。

在盾構機開倉查看前方圍巖情況時，發現高壓旋噴樁樁身在全、強風化花崗巖地層中存在咬合不完全的情況，說明高壓旋噴樁在施工過程中沒能很好地控制垂直度，影響了加固效果。

2.2.2 高壓旋噴過程中冒漿量的控制

在高壓旋噴注漿施工中，冒漿（內有土粒、水及漿液）量小于注漿量的20%時，為正常現象；但超過20%或完全不冒漿時，為不正常現象。本次高壓旋噴注漿加固在遇上砂層施工時地表返漿量較少，采取相關措施后，地表返漿量仍然較少，說明旋噴漿液的竄漿以及漿液流失嚴重，直接影響加固效果；在遇到中風化和全強風化地層時，地表返漿量較大，采取了減小噴射壓力、適當縮小噴嘴直徑、適當加快提升速度等措施后，返回地面的漿量仍然較多，且水泥漿含量較大，說明在對該地層進行旋噴施工時，漿液強行切割土體的效果差，對土體形成擠壓密實的加固效果不理想。

2.2.3 鉆孔時遇到障礙物

高壓旋噴樁加固地層屬于近海填海區域，在填海過程中不可避免地回填了拋石、漂石。拋石、漂石的存在嚴重阻礙了鉆機的鉆進并導致了偏移。根據高壓旋噴樁施工記錄，存在樁機鉆進遇到障礙，難以鉆進及樁位偏移的情況，導致加固體出現斷樁和畸形樁，采取了引孔措施后仍有部分樁位偏移和卡鉆現象，導致該加固位置加固效果出現短板，達不到加固質量要求。

2.2.4 注漿壓力異常

根據施工記錄，在高壓旋噴樁施工過程中，旋噴鉆頭提升至砂層位置時，發現旋噴注漿壓力驟減，查明原因是砂層中含水豐富，具有承壓性和流動性，在旋噴注漿的過程中，注入漿液被水流稀釋及帶走，很難形成固結體，極大地影響了加固質量，使加固體達不到要求而失敗。

3 新加固方案的比選

3.1 盾構開倉對加固方式的要求

1）加固效果好。地層加固體要有良好的完整性、強度及穩定性，以避免盾構在開倉作業過程中圍巖發生坍塌，確保倉內作業工人的安全。

2）加固效益高，作業周期短。地鐵施工工期相對都較緊張，加固方法必須快速、高效，以減少對盾構施工進度的影響。

3）經濟合理。地層加固屬于臨時施工措施工程，其費用的高低直接影響整個工程的造價成本。因此，所選取的加固方式要求經濟合理。

4）節地。地鐵施工地段一般都在市區，在市區施工不可避免地會對市民生活造成影響。加固方式要求少占用地表土地，爭取做到不擾民施工。

3.2 盾構開倉加固方式比選

根據本工程加固區工程特點，針對富水動壓、砂層等地質條件，要求選取的加固方式能形成良好的隔水帷幕，并在隔水帷幕內進行加固[1]。具體的比選情況如下：

1）高壓旋噴樁。該加固方式適用于砂層、淤泥、流塑、軟塑、可塑黏性土等地層，但在礫砂層、黏著力大的黏土層、地下水流速過大的地層、埋深深度超過25 m的地層中加固效果差。其優點是施工工藝成熟，成樁效果好，加固后的加固體整體防水性能好，工期短。缺點是在砂層中或軟弱地層中水流過大時加固效果差，施工返漿量大，加固地層容易變形，對周邊環境（特別是管線）影響較大，工程造價高。

2）深層攪拌樁。該加固方式主要適用于飽和軟黏土、淤泥質亞黏土、新填土、沉積粉土，但在砂層中加固效果差。其優點是施工工藝成熟，加固體自穩性較好，工期短、費用低。加固施工無振動、噪聲小，加固體地面無較大隆起或沉降，對相鄰建筑物無有害影響。其缺點是加固深度超過14 m時加固效果很差，對地層較硬（標貫大于18擊）的地段加固較難，加固后的土體整體止水性較差。

3）素混凝土地下連續墻＋壓密注漿。該加固方式采用素混凝土墻作止水帷幕，在帷幕范圍內實施壓密注漿，基本上適用于所有地層，特別是在不良地質條件下效果顯著。其優點是適用地層范圍廣，特別適用于不良地質條件地層，對地層加固效果顯著，加固后的土體整體止水性及自穩性很好，施工工期短。其缺點是需要大型設備成槽機進場，施工占地要求較大，工程造價相對較高。

4）素混凝土鉆孔咬合樁＋壓密注漿。該加固方式采用素混凝土咬合樁（墻）作止水帷幕，在帷幕范圍內實施壓密注漿，基本上適用于所有地層，特別是在不良地質條件下效果顯著。其優點是適用地層范圍廣，特別適用于不良地質條件地層，對地層加固效果顯著，加固后的土體整體止水性及自穩性很好，施工工期短，施工場地要求低，對周邊干擾較小。其缺點是工程造價相對較高。

針對該地質條件及工程特點，本次選擇素混凝土鉆孔咬合樁＋壓密注漿進行地層加固方案，原因是受場地所限，地表提供的場地狹小，施工工期短，并且采用的加固方案安全、可靠、有效。

4 咬合樁墻施工

4.1 加固方式及范圍

加固里程選取范圍為ZDK1114.4～ZDK1122.2，加固形式為長7.8 m、寬11.9 m的閉合矩形素混凝土咬合樁（墻）止水帷幕，并對盾構機擬定停機開倉位置掌子面處施工一排素混凝土樁以穩定掌子面。

咬合樁采用鉆孔樁施工[2]，樁徑為1.2 m，樁間咬合0.4 m，樁長27.0 m，止水帷幕伸入隧道底3.0 m，上澆筑至地面標高，采用C20P8水下混凝土。

完成咬合樁施工以后，為防止咬合樁搭接不到位，對樁間采用袖閥管注漿。袖閥管注漿深約28 m，具體需考慮現場填平后場地標高。注漿段為隧道底下3 m，上注漿到接近地面，加固段長度約28 m。漿液采用水泥水玻璃雙液漿。

4.2 旋挖鉆咬合樁施工注意要點

1）護筒埋設。護筒內徑比樁徑大30 cm，埋設好的護筒頂面高出地下水位1.5 m。護筒中心軸線對正樁位中心，確保軸線誤差±10 mm，樁垂直度0.5%，護筒頂面平整度5 mm。埋設的護筒質量影響著成孔質量，確保其平面位置及豎直度，保證護筒底腳密實度，是提高成孔質量的有效途徑。

2）樁成孔過程中垂直度監測和檢查。依靠旋挖機自身的儀表控制系統，靠旋挖機進行自我調整來完成，以達到控制成孔垂直度的目的；在地面選擇2個相互垂直的方向，用2個經緯儀監測地面以上的垂直度，發現偏差隨時糾正。

3）泥漿質量控制。制備泥漿是旋挖鉆機能否成孔的關鍵，也是影響鉆孔進度和樁基混凝土質量的關鍵，泥漿過稀時不能浮渣影響鉆進，過稠時泥漿附在孔壁上，影響樁基混凝土的質量。成孔采用制備泥漿作為孔樁護壁，泥漿材料選用膨潤土或黏土，制備泥漿在泥漿池內進行，每立方米泥漿需膨潤土450～500 kg，加入適量燒堿可提高泥漿的黏度。施工中根據出渣情況判斷土層結構，及時合理地調整泥漿性能指標，遇松散地層時適當增大。

4）孔深質量控制。在開孔前對鉆具的總長度準確計算并做好記錄，根據轉盤標高、設計孔深及鉆具總長度計算成孔深度。達到設計孔深時可停止鉆進，將鉆頭提離孔底20cm左右空轉，稀釋孔底泥漿進行清孔，用測繩準確測量孔深，達到設計孔深時停止清孔，否則應重新清孔。

5）樁咬合質量控制。鉆孔咬合樁施工順序為A1—A3—A2—A5—A4—A7—A6（圖2）。

圖2 咬合樁施工順序

在鉆孔咬合樁施工過程中，若因A1樁超緩凝混凝土的質量不穩定出現早凝現象或機械設備故障等原因，在A2樁成孔施工時，其一側A1樁的混凝土已經凝固，使旋挖機不能按正常要求切割咬合A1、A3樁，此時宜向A3樁方向平移A2樁樁位，使旋挖鉆機單側切割A3樁，并在A1樁和A2樁外側另增加1根旋噴樁作為防水處理。

5 結語

本次地層加固通過查找高壓旋噴樁加固失敗的原因，探尋了一種新的加固方式，針對富水動壓砂層等不良地質條件，可以快速、安全、有效地完成對所需土體的加固，并取得良好的效果，縮短了盾構機停機時間，保證了盾構機常壓開倉修復中心回轉體的安全性和可靠性。