大盾構超前注漿技術在不良地層下穿民房群的應用

肖羅峰

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

受地面房屋密集管線眾多、施工條件及其它因素影響，上軟下硬地層掘進容易超方，在無法實現地面注漿加固的情況下，可采用洞內超前注漿對刀盤上前方土體進行加固。其主要目的是為了密實盾構施工區域土體，減小土體透水性[1]，擠壓土體使其形成一個半圓形的密閉殼體，提高盾構刀盤前方土體穩定性。利用盾構機上半部的超前注漿孔進行注漿，加固范圍為前方2～12 m[2]，漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，漿液劈裂式擠壓土體，形成分支漿脈，注漿結束后即可恢復盾構掘進，無須等待漿液強度，實用性和操作性強。

1 工程概況

1.1 施工環境

廣州市軌道交通二十二號線番祈中間風井-2#盾構井區間長2.5 km。隧道外徑8.5 m，管片環寬1.6 m，厚度0.4 m。區間盾構需下穿沙圩一村民房群，下穿沙圩一村房屋長度約120 m，距離較長；區間共正穿建筑物25棟，其中11棟為天然基礎、14棟為樁基礎，隧道兩側50 m影響范圍內房屋共計59棟，樁徑0.6～1.0 m、樁長為5～13 m；房屋多為2～5層，房屋結構形式為磚混結構，少數房屋年代久遠，外觀質感差，房屋鑒定報告揭示房屋為“一般損壞房”。

1.2 地質情況

地勘資料揭示，下穿沙圩一村部分房屋時，洞身范圍內為〈7H〉強風化花崗巖、〈8H〉中風化花崗巖、局部底部〈9H〉微風化花崗巖的上軟下硬地層，隧道上方為〈6H〉全風化花崗巖、砂質粘性土、砂層和素填土層。地質揭示情況如圖1所示。地下水主要以承壓水和基巖裂隙水為主，地層特性如下：

圖1 地質芯樣

(1)花崗巖全風化帶〈6H〉，巖體呈褐黃色、紅褐色等，巖芯完全風化呈密實砂、土芯遇水易軟化崩解。進行標準貫入試驗平均38.9擊。

(2)花崗巖強風化帶〈7H〉，巖體呈褐黃色、紅褐色等，巖芯呈半巖半土狀或巖塊狀，質軟，巖塊手捏易碎，遇水易軟化崩解。進行標準貫入試驗平均59.5擊。結合經驗，該層屬于極軟巖。

(3)中風化花崗巖〈8H〉，巖面起伏，巖塊較破碎，揭示強度14.5 MPa。

(4)微風化花崗巖〈9H〉，巖石強度54.3～60.7 MPa，巖塊較破碎。

大直徑盾構在上軟下硬復合地層中掘進刀盤振動明顯，掘進速度慢，洞身上部〈6H〉、〈7H〉地層自穩性差，掘進過程中容易出現上部土體散落超方現象，易造成房屋不均勻沉降、裂縫或傾斜危害[3]。

2 洞內超前注漿加固

2.1 加固方案設計

鐵建重工生產的直徑8.8 m土壓盾構機中盾位置四周設計預留了10個超前鉆孔位置，其中腰部鉆孔6個，頂部鉆孔4個，超前注漿孔設計外插角度為8°[4]。根據洞內可操作空間以及加固的目標范圍，一般只選擇頂部的4個孔(從左至右編號為2#、3#、4#、5#孔,如圖2所示)，對刀盤前方拱部土體進行加固。頂部的4個孔孔間距為1.2 m,注漿擴散半徑按R=1.0 m計算，4個注漿孔加固的水平寬度約5.6 m。

圖2 超前注漿孔位置

根據外插角度模擬，超前注漿桿總長設計按20 m計算，其中有效注漿范圍為刀盤前方約12 m，加固最高高度在隧道上方1.9 m。根據經驗，出漿口高度超過隧道上方2 m后，盾構機掘進到該位置時上部土體加固效果不明顯，故設計最大鉆孔深度為20 m。鉆桿布置如圖3所示。

圖3 超前注漿鉆孔(單位：mm)

盾體上設計的超前注漿孔直徑為100 mm，選用的鉆頭和鉆桿直徑均為42 mm，單節鉆桿長2.0 m，鉆桿內為單通道注漿孔道，盾體預留的超前注漿口接頭與鉆機鉆頭位置設置法蘭盤連接，如圖4所示。

圖4 注漿孔法蘭盤連接

2.2 超前注漿原理

分段后退式超前注漿原理：采用鉆機鉆孔至設計深度后，漿液采用A液與B液，混合后通過管路、鉆桿注入土體，注漿時實施定量、定壓雙液注漿把土體劈裂、擠壓、加固后具有一定的穩定性，注完一段后將鉆桿后退一定距離再次注漿。注漿作業工作原理如圖5所示。

圖5 超前注漿原理

2.3 超前注漿關鍵技術

2.3.1 施工準備

(1)根據超前注漿施工的現場作業條件，需要用到的設備及材料有：①鉆機1臺(配套鉆桿及小型工具)，型號ZLJ-1200；②攪拌桶1個；③雙液注漿泵1臺，型號SYB-60/5；④水玻璃,40波美度；⑤P.O42.5水泥；⑥磷酸；⑦搭設平臺的腳手架鋼管及扣件、走道板、油布等。

(2)土倉內保實土壓：超前注漿前需把土倉內渣土留滿，注入泡沫和膨潤土漿保實土壓，同時轉動刀盤攪勻，過程中要做好渣土改良，防止土倉內渣土結泥餅，一般土倉上部與下部的土壓差控制到0.9 bar倉內即滿倉，以防注漿漿液大量流入土倉結塊。

然后在盾尾注入膨潤土漿，膨潤土漿會流入盾殼外周進行填充保護，以防水泥漿液把盾殼包裹住。

(3)鉆孔平臺搭設：需把掘進油缸伸長至少1.4 m以上，在盾尾拼裝區域內提供搭設腳手架平臺空間。平臺搭設如圖6所示。平臺搭設完成后，將鉆機主機及其他零部件吊至平臺上組裝，在盾殼頂部焊接吊耳，用吊帶將鉆機主機懸吊進行高度調節，以便鉆頭與超前注漿口接頭對接和傾斜角度調整，并在平臺四周設置安全護欄。

圖6 平臺搭設

2.3.2 施工工藝流程

整個超前注漿過程施工流程為：搭設腳手架→固定鉆機→鉆孔作業→洗管→注入磷酸、水玻璃(水泥)混合液→注漿作業→封孔作業→下一個孔施工[1]。

(1)鉆孔施工：鉆孔過程中詳細記錄鉆桿長度，保證鉆孔深度的準確，實時反映地層松軟情況，為注漿施工提供準確的地質水文情況。

(2)注漿施工：注漿采用后退式注漿，待鉆孔完成后，先進行封口，注入清水徹底清洗一遍注漿管并注入適量的磷酸混合液止水，隨后開始注入水泥+水玻璃雙液漿，壓力達到后，后退鉆桿，以每0.5 m步距后退，進行下一段的注漿作業，依次循環，直至該孔結束[5]。

注漿過程中勤轉動刀盤，每3～4 h轉動一次，謹防漿液進入土倉裹住刀盤或盾體。

在注漿過程中，需要不間斷的轉動鉆桿，防止出現卡鉆。

(3)鉆孔過程中采用磷酸止水，漿液配比為水∶磷酸=10∶1，磷酸稀釋液∶水玻璃=1∶1。

水泥+水玻璃漿液配比∶水灰比= 1∶1，水玻璃40 °be＇(1∶5稀釋)，水泥漿∶水玻璃=1∶1，實測初凝時間約50 s。

2.3.3 注漿過程控制

(1)土倉壓力變化：注漿期間，土倉壓力會隨注漿量和注漿壓力變化而變化，注到一定量時，注漿量難以注入，一般以不超過刀盤主驅動能承受的最大壓力的70%為極限值，一般控制在不超過5 bar，以免造成主驅動密封進漿損壞，達到壓力時暫停注漿，待漿液在地層中自然擴散和泄壓后再注漿。

注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa范圍波動，需能將土體劈裂，注漿期間，上部土倉壓力從3.0 bar上漲至4.5 bar，暫停后自然下降至3.0 bar再啟動注漿，等待時間較長。

(2)注漿施工記錄：以4#鉆孔注漿為例，詳見表1。4#鉆孔深度為17.6 m，主要加固地層為〈6H〉全風化花崗巖、〈7H〉中風化花崗巖，在鉆孔過程鉆桿進尺較勻速，每一根(2 m)鉆孔用時3～5 min，未出現卡鉆現象。

表1 4#孔注漿施工記錄

注漿壓力基本穩定在1.0～1.5 MPa，結束時0.5 MPa，但隨著注漿總量增多，土倉壓力出現瞬間上漲現象最高達4.5 bar。通過觀察注漿數據，注漿深度距離刀盤越近，則土倉壓力上漲越明顯。受地層和裂隙地下水等影響，注漿過程中，漿液流入土倉，出現土倉壓力整體上漲現象。

4#注漿孔累計水泥使用3.9 t，水玻璃 0.9 t；2#注漿孔累計水泥使用7.0 t，水玻璃1.1 t；3#注漿孔累計水泥使用7.2 t，水玻璃1.5 t；5#孔基本難以注入，一般4個孔只能注完3個孔，土倉壓力難以下降等待時間太長，即注漿結束，水泥使用總量約18.1 t。

隧道內操作空間有限，在盾尾拼裝區域搭設施工平臺耗時約12 h；鉆機移位對孔、校正角度耗時約在3～4 h/孔，換孔3次約用時9～12 h；注漿和等待降壓時間約22 h；拆機和架子平臺約2 h；實施一次超前注漿約用時48 h。

(3)注漿結束標準以定壓方式控制。定壓標準：注漿過程中，注漿壓力上升至1.5 MPa或土倉壓力逐漸上升至4.5 bar左右且注漿深度停留在8.2 m(即鉆桿投影到水平方向至刀盤面板距離為2.6 m)時，結束該孔注漿。防止鉆桿距離刀盤太近，漿液流入土倉太多會裹死刀盤、盾體，以及土倉壓力太大對主驅動密封造成損壞。

(4)超前注漿結束后，做好盾構機復推準備工作，首先開始用螺旋機進行排渣，刀盤轉動將土倉內渣位試降低，此時盾構機不向前進尺，通過上、中、下的土壓傳感器壓力差和出渣量分析，判斷倉內渣土是否超方，掌子面是否穩定，以此來判斷加固效果。

2.4 掘進參數對比

超前注漿后，恢復掘進出渣土凈重量220～240 t，出渣土凈方量116～125 m3正常，地面監測正常，未出現沉降預警，與超前注漿加固前相比，掘進效果得到有效改善。掘進速度在20～35 mm/min，土倉壓力穩定無較大波動，上下土壓差較小，刀盤扭矩正常。注漿之前，掘進上下土壓差較大，刀盤扭矩偏大，掘進速度慢，出渣量過大，存在超方的現象。因此在地面不具備加固條件的情況下，采用洞內超前注漿的施工工藝，能夠有效的改良地層的自穩性。注漿前后具體掘進參數對比如表2所示。

表2 注漿前后掘進參數對比

2.5 監測布點和沉降標準

根據不同的建(構)筑結構類型，在建筑物四個角布設沉降監測點，受力柱上優先布設，在離墻角50 cm處的墻面采用鉆孔式，埋入彎成“L”型鋼筋，用植筑膠壓注固定。監測點位布置如圖7所示。

圖7 下穿沙圩一村監測布點

注漿作業過程中，地面沉降監測頻率調整為1次/4 h，加強聯動，及時對監測數據做出分析，以便及時對注漿壓力及注漿量做出合理調整。

盾構下穿階段(盾構機刀盤前后方距離50 m范圍)，按1次/6 h的監測頻率進行監測，若發生預警后則調高至1次/(3～4)h。

注漿期間地表沉降基本沒有明顯變化，注漿后盾構掘進地表沉降最大值在-15 mm以內。沉降值控制指標如表3所示。

表3 沉降控制指標

2.6 應急措施

(1)鉆孔噴水噴砂措施：①注漿工程專業性較強，必須由有經驗經過專門培訓的人員上崗操作。②當鉆孔過程中出現噴水噴砂時，立即停止鉆進，馬上進行磷酸水玻璃漿注漿封水，以最快速度封堵。

(2)防脫困措施：注漿前通過往土倉和盾尾注漿管打膨潤土漿，使之在盾體周邊擴散形成保護，同時往前中盾徑向孔注入膨潤土或者盾尾油脂，阻擋漿液流向盾構機外周，防止漿液包裹盾體。

2.7 施工中注意事項

(1)洞內采用后退式超前注漿，容易造成土倉壓力上漲，過程中難以控制，等待降壓時間較長，施工效率低，可在鉆進過程中注入磷酸水玻璃注漿，填充地層中裂隙并在刀盤上方形成保護層從而防止漿液流入土倉。

(2)由于土倉處于非滿倉狀態，漿液竄入土倉，造成刀盤面板、刀箱及開口被糊住，刀盤啟動脫困模式下，扭矩超過額定荷載，導致電機過載保護器銅頭被切斷，從而刀盤無法轉動，故需在超前注漿前把土倉內渣土留滿，注入泡沫和膨潤土漿保實土壓，同時轉動刀盤攪勻。

(3)盾尾被漿液包裹，造成復推時鉸接油缸壓力較大，盾構機難以脫困，故需在注漿前通過往土倉和盾尾注漿管打膨潤土漿，使之在盾體周邊擴散形成保護。

(4)注漿過程中需加強盾尾刷油脂注入，防止漿液擊穿造成漏漿。

(5)在整個注漿過程中，操作室值班司機須時刻關注土倉壓力以及各參數變化，并密切關注齒輪油泄露、油箱油質以及主軸承密封性能。

(6)注漿孔結束后，需用油脂進行填充，防止漿孔堵塞。

3 結束語

(1)大盾構在不良地層掘進容易超方，房屋密集不具備地面加固施工條件且由于埋深較深時，地面注漿加固效果不佳，采用洞內盾構超前注漿加固工效高效果好，該技術實用可行。

(2)超前注漿對地表沉降影響相對較小，漿液劈裂式擠壓土體，形成分支漿脈，注漿結束后即可恢復盾構掘進，無須等待漿液強度，實用性和操作性強。

(3)采用超前注漿時，操作不當可能造成盾構機設備損壞、土倉進漿、盾殼包裹等風險，需加強過程管理和專業技術指導。