濱海地層盾構開挖土體加固技術研究

韓 君，曹樹森，齊士樂，王禮武

（1.臺州市軌道交通建設開發(fā)有限公司，浙江 臺州 318001；2.中車智能交通工程技術有限公司，北京 100071；3.江蘇中車城市發(fā)展有限公司，江蘇 無錫 214101）

0 引言

隨著我國城市建設的快速進行，軌道交通的建設也亟待解決［1］，尤其是經(jīng)濟發(fā)達的濱海城市地區(qū)軌道交通的數(shù)量更是呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢。在城市用地日益緊張的格局下，軌道交通規(guī)劃線路多穿經(jīng)城市建筑物密集區(qū)域。濱海地區(qū)土體多為軟土或上軟下硬土體，土性飽水、松軟、承載力低，盾構法作為目前最為先進的隧道施工方法，是我國軟土地區(qū)軌道交通隧道建設的首選方法。但在盾構機掘進過程中，勢必會對土體造成擾動，土體強度會進一步下降，如何對濱海地層盾構開挖土體進行加固，保證施工安全十分重要。因此有必要開展濱海地層盾構開挖土體加固技術研究，為后續(xù)類似項目提供指導。本文就臺州市域鐵路 S1 線一期工程盾構開挖土體加固技術進行研究。

1 工程概況

臺州市域鐵路 S1 線一期工程全線設站 15 座，其中地下站 7 座，高架站 8 座。臺州地區(qū)土質(zhì)為第四系濱海平原沉積層，屬典型的軟土地區(qū)，表層土除卻人工填土、雜填土基本以淤泥層為主，其具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低密度、低強度、低滲透性等特點［2］，土體具有很大的流變性和蠕變性，盾構區(qū)間掘進段穿越市府大道等主干道，采用大直徑土壓平衡盾構掘進盾構。

2 軟土地層土體加固技術

2.1 始發(fā)、接收端頭井土體加固技術

2.1.1 技術參數(shù)

端頭井土體加固的質(zhì)量是盾構機安全、順利始發(fā)、接收的關鍵。針對軟土地層始發(fā)端，采用三軸攪拌樁+雙管旋噴樁相結合的方式。三軸攪拌樁技術指標：水泥使用 P.O42.5 級，加固水泥摻量 20 %，無側(cè)限抗壓強度為 1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s；弱加固水泥摻量 7 %，無側(cè)限抗壓強度為 0.5 MPa。高壓旋噴樁技術指標：水泥使用 P.O42.5 級，水泥漿液的水灰比為 0.7～1.0，無側(cè)限抗壓強度為 1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s；弱加固水泥摻量 7 %，強加固區(qū)水泥用量控制為 300 kg/m。

2.1.2 試樁取芯試驗情況

通過將取芯狀況與試樁的檢測結果進行對比發(fā)現(xiàn)，當水泥摻量為 30 %，采用雙重管芯樣連續(xù)，成樁效果好，自檢和第三方檢測結果一致。高壓旋噴樁試樁施工具體參數(shù)如表1 所示。

表1 高壓旋噴樁試樁施工參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 聯(lián)絡通道土體加固技術

對于軟土地層聯(lián)絡通道加固，主要采用冷凍加固技術，即先將土層降溫凍結，再在凍結的土層上進行掘砌施工。

2.2.1 凍結參數(shù)

對聯(lián)絡通道進行冷凍加固常用的參數(shù)為：①低溫鹽水的溫度保持在-28～-30 ℃；②低溫鹽水的單孔流量不得＜ 5～7 m3/h；③凍結 7 d 后將鹽水溫度降至-18 ℃ 以下，凍結 15 d 后將鹽水溫度降至-24 ℃ 以下，然后開挖時鹽水溫度降至-28 ℃ 以下，去、回路鹽水的溫度相差不超過 2 ℃［3］；④設計積極凍結時間為42～45 d；⑤維護凍結時間預計為 30 d。

2.2.2 凍結制冷設備選型

設置一個凍結站；凍結站內(nèi)分別安設 2 臺冷凍機組，1 臺為聯(lián)絡通道凍結供冷，1 臺備用；每個冷凍機組配鹽水循環(huán)泵 2 臺，其中備用 1 臺；凍結站冷卻水循環(huán)泵選用 IS125-125～200 型 2 臺，其中備用 1 臺。

2.2.3 管路選擇

凍結管選用Φ89×10，20# 低碳無縫鋼管，絲扣加焊接連接，單根長度 1～2 m；測溫孔管選用與凍結管一樣的鋼管。供液管和冷卻水管分別選用Φ42×4 塑料管與Φ127×4.5 鋼管。鹽水干管和集配液圈均選用Φ159×4.5 鋼管。

2.2.4 其他

冷凍機油、制冷劑以及冷媒劑分別選用 N46 冷凍機油、氟立昂 R-22 和氯化鈣溶液。

2.2.5 效果監(jiān)測

聯(lián)絡通道開挖施工前應根據(jù)關鍵節(jié)點施工前條件驗收規(guī)定逐條進行核查驗收，驗收條件合格后可進行施工。聯(lián)絡通道滿足以下條件時方可開挖：積極凍結時間超過 45 d；凍結孔的單孔流量≥5 m3/h；凍土帷幕厚度不小于設計厚度，平均溫度低于-10 ℃；泄壓孔壓力上漲超過 7 d；已安裝防護門；隧道支撐安裝完畢；人員、應急材料、設備已全部到位；確保設備正常運轉(zhuǎn)。

2.3 洞內(nèi)加固技術

2.3.1 加固范圍及要求

1）應在洞內(nèi)加固段管片內(nèi)加設注漿孔；盾構隧道下半斷面注漿管采用φ38×5 mm 鋼花管。鋼花管注漿壓力按照 0.3～0.5 MPa 控制，注漿擴散半徑≥0.5 mm。

2）管片底部 90°范圍（以盾構隧道堅向中心線為對稱軸，向兩側(cè)各偏移 45°，下同）注漿管要求伸入非軟土層≥0.5 m，該種要求注漿管不得＜3 根；管片底部 90°～120°范圍內(nèi)注漿深度≥5 m；管片底部120°～180°范圍注漿深度≥3 m。

3）注漿材料采用水泥漿或水泥砂漿，具體應按照現(xiàn)場試驗進行確定。

4）為防止隧道發(fā)生側(cè)移，應兩側(cè)對稱同時進行注漿，并現(xiàn)場控制注漿的順序，相鄰管片不可同時注漿。

5）洞內(nèi)注漿結束后，鋼花管應拔出，為后續(xù)處理提供條件。

2.3.2 注漿材料及設備

1）注漿材料及制漿。注漿水泥的強度等級不得低于 42.5，使用普通硅酸鹽水泥；注漿水泥通過 80 μm 方孔篩篩余量≤5 %［4］，每 15 d 進行一次細度檢測；細骨料：砂的細度模數(shù)為 2.4～2.8，最大粒徑≤2 mm。粗骨料：粒徑 5～10 mm；宜在現(xiàn)場安裝集中制漿站集中制漿，制備普通純水泥漿液，制漿比例為 0.5∶1；注漿漿液使用前應過篩，漿液溫度在 5～40 ℃；注漿一般不摻加任何外加劑。

2）注漿及觀測設備。注漿工程所用的風、水、電專線專用，不得混用；注漿管路采用鋼絲編織膠管；注漿采用雙缸或多缸活塞式注漿泵，注漿進漿管口處應安裝壓力表；注漿工程應設置集中制漿站，并確保漿液溫度能保持 5～40 ℃。

3）注漿工藝要求。利用機械針對預留注漿孔進行鉆孔，擊穿 50 mm 外側(cè)混凝土；鉆孔時應正對注漿孔圓心，鉆孔精度差不得超過 1 mm，鉆孔直徑比鋼管直徑大 1～2 mm；鉆孔過程中應采取可靠的防斜措施［4］；保證孔向準確，孔斜偏差值不得大于孔深的 0.5 %，注漿壓力按 0.3～0.5 MPa 控制；純水泥漿的水灰比為 0.5～1.0，注漿漿材具體配比根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

3 上軟下硬地層土體加固技術

3.1 始發(fā)、接收端頭井主體加固技術

針對于上軟下硬地層，始發(fā)接收端采用 WSS 注漿加固技術，無收縮（WSS）雙液注漿技術是采用二重管坑道鉆機鉆孔至預定深度后注漿。

3.1.1 施工方法

1）注漿平面范圍與注漿孔位布置。對隧道掘進方向長 5 m，寬 9 m土體進行加固；注漿孔間距 0.85～0.9 m，中心部分孔位按梅花形布置，間距 1 m，孔數(shù)為 66 孔。位布置為四周密排布孔位，其中第 2 排孔位于刀盤切口環(huán)后邊 0.28 m。

2）注漿平面范圍與注漿孔位布置。

①注漿量。根據(jù)計算公式（1）確定注漿量，由于漿液的擴散半徑與土孔隙很難精密確定。

Q=Anα（1）式中：Q為注漿量；A為注漿范圍體積；n為孔隙率；α為漿液填充率。

②注漿壓力。根據(jù)地層性質(zhì)，地層水土壓力，盾構機刀盤主軸承密封性能對注漿壓力計算，注漿壓力暫定為 0.3～0.35 MPa。注漿量達到設計值或注漿壓力達到設計值時，停止注漿。

③注漿施工。注漿孔開孔直徑≥73 mm。注漿過程中，邊注漿邊提鉆桿，提升速度要合適，每步提升 0.3～0.4 m，當注漿壓力達到設計要求后再提桿。

3.1.2 注漿效果檢測

1）施工前對原材料、機械設備及注漿工藝等進行檢查，主要有：原材料的質(zhì)量合格證及復驗報告，拌合用水的鑒定結果；每批水泥進場必須出具合格證明；漿液配合比是否合適。

2）施工中重點檢查鉆桿的垂直度及鉆頭定位、A 液、B 液、C 液的配比、注漿速度、注漿壓力、注漿量、鉆桿提升速度等。

3）施工后對加固土體進行檢查，檢查內(nèi)部樁體的均勻程度，及其抗?jié)B能力。

4）試樁結論。經(jīng)過試驗結果對比分析，SZ-6 試驗結果均滿足設計要求。綜合加固效果、工效、施工過程控制和成本等情況，建議采用 SZ-6 參數(shù)用于后續(xù)施工。

綜上，通過對比發(fā)現(xiàn)空樁水泥摻量為 8 %，實樁水泥摻量為 20 % 時，成樁效果好，施工參數(shù)如表2 所示。自檢和第三方檢測結果一致，處理結果有效。

表2 WSS 注漿加固試樁施工參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 聯(lián)絡通道土體加固技術

1）聯(lián)絡通道地面加固方式采用Φ850 mm 三軸攪拌樁，三軸攪拌樁地面加固應在區(qū)間盾構隧道通過前實施。

2）攪拌樁加固的水泥摻入量應在施工前根據(jù)地層類型進行摻入量的強度及其他參數(shù)的試驗。根據(jù)車站三軸攪拌樁試樁總結，聯(lián)絡通道三軸攪拌樁加固指標：強加固區(qū)與弱加固區(qū)的水泥摻量分別取 20 % 與 8 %；水泥型號選 P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥；加固體 28 d 無側(cè)限抗壓強度≥1.0 MPa，滲透系數(shù)＞1×10-7cm/s；加固土體具有良好的均勻性、密封性、止水性和自立性。

3）攪拌樁的加固效果的抽檢根數(shù)不得少于總樁數(shù)的 2 %，且不得少于 6 根，抽檢鉆孔應在加固范圍內(nèi)均勻分布，宜位于原攪拌樁樁體搭接位置。

3.3 盾構換刀原位加固技術

3.3.1 加固處理

1）地面預加固前，應做好開倉換刀處詳細的現(xiàn)狀調(diào)查。

2）在盾構機換刀前，地面采用φ800@500 雙管旋噴樁對盾構機前端軟弱地層進行預加固，提高其自立能力，加固長度為 3 m，加固范圍為盾構機上、左、右外輪廓線外 3 m，下部加固至基巖土分界線。

3）旋噴樁加固區(qū)攪拌樁水泥摻入量建議值取 300 kg/m，采用 P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥。施工前必須進行試樁。

4）地層加固前必須對該地段地下管線進行核查。

5）地面預加固完成后，做好地質(zhì)狀況取芯檢測工作，確保地面預加固的土體強度檢測，形成強度檢測報告，合格后方可進行開倉換刀施工。

3.3.2 取芯檢測

經(jīng)加固的土體應有很好的均質(zhì)性、自立性，其中無側(cè)限抗壓強度≥1 MPa，滲透系數(shù)應＜10-7cm/s。旋噴樁加固區(qū)以上到地面為空鉆區(qū)。

3.3.3 試樁取芯試驗情況

試樁成樁 28d 后取芯試驗設備開始取芯，3#、6#、9#、12# 樁芯樣整體情況在 0～24.5 m 較為完整連續(xù)，底部存在部分攪拌不均勻情況，但芯樣無側(cè)限抗壓強度均能滿足設計要求［5］。

3.3.4 試樁結論

經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn) 3#、6#、9#、12# 樁試驗結果均滿足設計要求。綜合加固效果、工效、施工過程控制和成本等情況，建議采用 6# 樁參數(shù)用于后續(xù)施工。

綜上，根據(jù)取芯狀況及試樁檢測結果對比分析，當水泥摻量為 25 %，采用雙重管芯樣連續(xù)，成樁效果好。自檢和第三方檢測結果一致，處理結果有效。初擬采用加固段土體天然密度平均值對應實樁水泥摻量 25 %，水灰比 1.2，泥漿流速 39 L/min，提升速度為 0.1 m/min。

4 結論

本文以臺州市域鐵路 S1 線一期工程盾構區(qū)間為研究案例，通過室內(nèi)試驗，施工現(xiàn)場原位試驗，施工實踐檢驗，并通過與原位試驗所得數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗規(guī)范值進行對比，對濱海地層盾構開挖土體加固技術進行了研究，主要結論如下。

1）針對始發(fā)端土體加固，常采用的方法包括雙管旋噴樁以及三軸攪拌樁加固技術。針對軟土地層采用單一的加固方法并不能起到絕佳效果，因此往往采用兩者相結合的方法進行土體加固；而上軟下硬地層穩(wěn)定性分布不均勻，采用無收縮（WSS）雙液注漿往往會達到更好的效果，為始發(fā)掘進保駕護航。

2）針對聯(lián)絡通道加固，主要控制的除了土體加固以外另一點便是防水，但對于含水量較高、淤泥質(zhì)地層或者地質(zhì)條件較差地層，常用的 SMW 不能滿足最終要求，需用采用冷凍加固技術進行聯(lián)絡通道和泵房的掘砌施工，而其他地層一般情況下施作三軸攪拌樁便可以實現(xiàn)預期目標。Q