喻濤鋒

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

在天津地區(qū)軟土中施工盾構(gòu)隧道，需要對盾構(gòu)隧道的盾構(gòu)井進(jìn)行加固。在通常情況下，采用的加固方式有地面攪拌樁加固、地面旋噴樁加固或者是攪拌樁加旋噴樁加固;但是在有地面障礙、盾構(gòu)井較深等情況下，使用地面加固的方法已不適用。前人已進(jìn)行了其他方法的嘗試，如水平注漿加固、水平凍結(jié)法加固等。實(shí)踐證明前進(jìn)式水平注漿加固效果好，經(jīng)濟(jì)性較好，具有良好的應(yīng)用前景。

在長大隧道中，注漿加固止水應(yīng)用比較普遍，隨著注漿工藝的發(fā)展，在城市地鐵中采用注漿法加固也越來越普遍。鐘鋒等［1］研究了前進(jìn)式水平注漿在地鐵中的應(yīng)用，但是應(yīng)用地質(zhì)條件不一樣，地層為風(fēng)化巖層，而本文研究的是軟土富水地層?？缀愕龋?］研究了水平分段注漿后形成加固體，起到臨時(shí)支護(hù)的作用，主要是填充注漿。本文重點(diǎn)是研究前進(jìn)式水平注漿加固在軟土富水地層中的應(yīng)用。

1 天津地區(qū)的地質(zhì)條件特點(diǎn)

天津地區(qū)地層主要為海、路相交互沉積層。地表以下3～5 m為人工雜填土、素填土，該層以下土體主要有粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土、粉砂等。地下水豐富，有潛水和承壓水，地表以下2 m有一含水層，受大氣補(bǔ)給，水位變化受季節(jié)影響，通常被稱為潛水;在地表以下20 m左右有一淺層承壓水，水壓約0.16 MPa，水頭穩(wěn)定，通常被稱為微承壓水或者淺層承壓水;地表以下70 m左右有一層承壓水，水壓約為0.6 MPa，水頭穩(wěn)定，通常被稱為深層承壓水。

2 盾構(gòu)隧道在天津地區(qū)的應(yīng)用

天津地鐵1號(hào)線于2002年開工，2005年基本完成，但是在地鐵1號(hào)線施工過程中很少采用盾構(gòu)法施工區(qū)間隧道。盾構(gòu)法施工主要興起于天津地鐵2號(hào)和3號(hào)線。經(jīng)過地鐵施工的驗(yàn)證，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他地下工程。

3 天津地區(qū)地質(zhì)條件對盾構(gòu)法施工的影響

天津地區(qū)地質(zhì)均勻，土體以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂為主，易于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn);但由于地層土體承載力小、含水豐富、穩(wěn)定性差，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)的過程中容易發(fā)生透水事故。

4 前進(jìn)式水平注漿在天津的應(yīng)用

4.1 天津地鐵2號(hào)線靖江路站

天津地鐵2號(hào)線靖江路站盾構(gòu)井深約為19 m，盾構(gòu)井加固原設(shè)計(jì)方案為地面攪拌樁加旋噴樁加固。在攪拌樁、旋噴樁施工完成以后進(jìn)行鉆芯取樣，發(fā)現(xiàn)加固的效果不是很理想，不能滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)要求。而后采用前進(jìn)式水平注漿進(jìn)行補(bǔ)充加固，注漿完成以后進(jìn)行鉆芯取樣，經(jīng)檢驗(yàn)加固效果能夠滿足始發(fā)要求，施工過程始發(fā)、到達(dá)均沒有發(fā)生透水現(xiàn)象。

4.2 天津海河“共同溝”劉莊橋隧道

天津海河“共同溝”劉莊橋隧道盾構(gòu)井深約27 m，盾構(gòu)井加固原設(shè)計(jì)方案采用地面旋噴樁加固，加固后經(jīng)檢驗(yàn)加固效果一般，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中發(fā)生涌水涌砂，造成盾構(gòu)機(jī)淹沒。后采用前進(jìn)式水平珠江進(jìn)行補(bǔ)充加固，注漿完成以后進(jìn)行鉆心取樣，經(jīng)檢驗(yàn)加固效果能夠滿足始發(fā)要求。

5 常見的幾種盾構(gòu)井加固方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

通常采用的盾構(gòu)井加固的方法有地面攪拌樁、旋噴樁垂直加固、凍結(jié)法加固、前進(jìn)式水平注漿加固等，幾種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 常見的幾種盾構(gòu)加固方法比較Fig.1 Normal shield grouting methods

6 前進(jìn)式水平注漿法加固的設(shè)計(jì)與施工

以海河“共同溝”劉莊橋隧道為例說明前進(jìn)式水平注漿法加固的設(shè)計(jì)與施工。

海河“共同溝”劉莊橋隧道位于天津海河劉莊橋附近，橫穿海河，海河兩側(cè)各設(shè)1個(gè)盾構(gòu)井作為盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)和接收井。盾構(gòu)始發(fā)井深27 m，接收井深28 m，地址條件主要以粉土、粉質(zhì)黏土、粉沙為主，地下水豐富，有淺層承壓水。盾構(gòu)井原采用地面旋噴樁加固，效果不佳，后采用前進(jìn)式水平注漿補(bǔ)充加固。

6.1 孔位設(shè)計(jì)

全斷面注漿始發(fā)井縱向加固長度為15 m，徑向加固范圍隧道開挖工作面及開挖輪廓線以外4 m，為減小注漿盲區(qū)在8 m處增設(shè)1個(gè)補(bǔ)孔斷面。由于隧道洞身及附近地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土，漿液擴(kuò)散較困難，為了有效的對地層進(jìn)行加固滿足開挖要求，注漿設(shè)計(jì)A-A斷面和B-B斷面的最外圈擴(kuò)散半徑按1.5 m布置，其他區(qū)域擴(kuò)散半徑按1.2 m布置。注漿孔位平面布置見圖1，剖面見圖2，隧道注漿斷面終孔交圈示意圖見圖3。

圖3 A-A斷面注漿孔縱剖面布置圖Fig.3 Profile of grouting holes at A-A section

6.2 注漿參數(shù)

水平前進(jìn)式深孔注漿參數(shù)見表2。

表2 水平前進(jìn)式深孔注漿參數(shù)表Table 2 Parameters of advancing horizontal detection grouting

6.3 注漿材料

根據(jù)地質(zhì)情況及堵水加固的要求，擬采用普通水泥-水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽水泥-水玻璃［3］。施工過程根據(jù)涌水情況及地質(zhì)情況進(jìn)行選擇調(diào)整。

原材料:硫鋁酸鹽水泥(早強(qiáng)快硬，P·O42.5);普通硅酸鹽水泥(P·O42.5);水玻璃(濃度35 Be'，模數(shù)2.4～2.8)。

所使用材料必須合格、保質(zhì)、新鮮。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果測試漿液性能如表3所示。

表3 注漿材料性能參數(shù)表Table 3 Performance of grouting materials

6.4 注漿順序

鉆孔注漿施工采取間隔跳孔分2序進(jìn)行實(shí)施劈裂擠密型注漿加固［4-5］，施工順序先外后內(nèi)，先下后上。

6.5 注漿工藝

前進(jìn)式水平注漿工藝流程見圖4。

圖4 前進(jìn)式水平注漿施工工藝流程圖Fig.4 Flowchart of advancing horizontal grouting

1)標(biāo)定孔位確定鉆進(jìn)外插角后，安放孔口管。

2)孔口管采用φ 89無縫鋼管預(yù)埋，長0.9 m，鉆孔機(jī)械采用電動(dòng)空心鉆，鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度后用水泥基錨固劑錨固，以保證孔口管安設(shè)牢固不漏漿，孔口管預(yù)埋如圖5。孔口管鉆孔時(shí)要通過儀器定位，保證孔口管預(yù)埋的位置以及角度準(zhǔn)確。

圖5 孔口管預(yù)埋示意圖Fig.5 Orifice pipe insertion

3)為防止鉆孔過程中突發(fā)涌水突泥，孔口管安設(shè)完成前端須安設(shè)法蘭，發(fā)生涌水時(shí)立即推出鉆桿，然后利用法蘭安裝注漿堵頭，關(guān)閉堵頭上的閘閥以后涌水就立即停止。關(guān)閉閘閥以后漿注漿機(jī)注漿管與注漿堵頭另一端的管頭連接，當(dāng)注漿壓力大于水壓時(shí)打開閘閥進(jìn)行注漿，注漿管與孔口管連接見圖6。

圖6 孔口管與注漿管連接圖Fig.6 Connection of orifice pipe and grouting pipe

4)注漿鉆孔過程中每次鉆深1～2 m后安設(shè)注漿堵頭進(jìn)行注漿施工，當(dāng)該段注漿達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，拆除注漿堵頭在原孔深基礎(chǔ)上再鉆進(jìn)1～2 m，注漿到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，再鉆孔，如此循環(huán)直到鉆注到設(shè)計(jì)深度，施工中可根據(jù)地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整鉆注段長。前進(jìn)式水平原理見圖7。

圖7 前進(jìn)式水平注漿原理圖Fig.7 Mechanism of advancing horizontal grouting

6.6 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

6.6.1 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿以定量定壓相結(jié)合。

1)定量標(biāo)準(zhǔn)。注漿量根據(jù)地層圍巖孔隙率30%，每m注漿量控制在4.0 m3，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取調(diào)整漿液配比縮短凝膠時(shí)間或進(jìn)行間歇注漿等工藝使注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，結(jié)束該孔注漿。

2)定壓標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地層涌水壓力注漿終壓定為:前8 m注漿壓力控制在3～4 MPa，6 m以后壓力控制在4.0～5.0 MPa(注漿過程根據(jù)漿液擴(kuò)散情況并結(jié)合注漿量大小對注漿壓力終值進(jìn)行驗(yàn)證，確定合適的注漿終壓力。)單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并維持10 min以上可結(jié)束該孔。

6.6.2 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)［6］

1)設(shè)計(jì)的所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象。

2)按總注漿孔的5% ～10%設(shè)計(jì)檢查孔，檢查孔滿足設(shè)計(jì)要求。

6.7 注漿效果檢查及評定

6.7.1 分析法

1)P-Q-t曲線法。通過對注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿速度Q進(jìn)行P-t，Q-t曲線繪制，根據(jù)地質(zhì)特征、注漿機(jī)、設(shè)備性能、注漿參數(shù)等對P-Q-t曲線進(jìn)行分析，從而對注漿效果進(jìn)行評判。

注漿施工中P-t曲線呈上升趨勢，Q-t曲線呈下降趨勢，注漿結(jié)束時(shí)，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿速度達(dá)到設(shè)計(jì)速度(常取5～10 L/min)。

2)漿液填充率反算。通過統(tǒng)計(jì)總注漿量，可采用下式反算出漿液填充率，根據(jù)漿液填充率評定注漿效果，即

式中:ΣQ為總注漿量，m3，V為加固體體積，m3，n為地層孔隙率或裂隙度;α為漿液填充率;β為漿液損失率。

地層富含水時(shí)，漿液填充率須達(dá)到70%以上。

6.7.2 檢查孔法

1)選擇可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行鉆孔檢查，檢查孔數(shù)量按注漿孔總數(shù)的10%控制。檢查孔無涌泥、涌砂，不塌孔，涌水量小于0.2 L/min·m。

2)選擇適當(dāng)數(shù)量檢查孔進(jìn)行鉆孔取芯，取芯率達(dá)到70%以上。

3)對檢查孔進(jìn)行注漿試驗(yàn)，反算地層的填充度。

6.8 施工監(jiān)測

為了保證在注漿過程中結(jié)構(gòu)的安全，防止因注漿或水壓過大而引起圍巖局部發(fā)生變形等，鉆孔注漿施工期間需對注漿工作面后方30m范圍進(jìn)行施工監(jiān)測。

監(jiān)測項(xiàng)目:地面沉降、管頂沉降、地連墻位移。監(jiān)測頻率:1次/d。

測點(diǎn)埋設(shè):每5 m布置1個(gè)斷面，每斷面布置水平收斂1對，拱頂下沉測點(diǎn)1個(gè)。

監(jiān)測儀器:DSZ-2+FS1自動(dòng)調(diào)平水準(zhǔn)儀、JS-3型坑道收斂計(jì)。

控制標(biāo)準(zhǔn):收斂速度v＜1 mm/d時(shí)正常施工;v=1～5 mm/d時(shí)應(yīng)加強(qiáng)觀測，適當(dāng)采取措施;v=5～10 mm/d時(shí)，應(yīng)調(diào)整施工方案，v＞10 mm/d時(shí)，暫時(shí)停止施工、采取措施進(jìn)行處理。

7 結(jié)論與討論

前進(jìn)式水平注漿法加固盾構(gòu)隧道盾構(gòu)井，在基坑較深、地下水的等軟土底層中具有加固效果好、速度快、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)過幾個(gè)工程實(shí)踐成功以后，該技術(shù)在天津地區(qū)應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，相信在天津乃至全國其他軟土地區(qū)會(huì)有更好的應(yīng)用前景。

當(dāng)然前進(jìn)式水平注漿加固在軟土富水地區(qū)應(yīng)用，如果要達(dá)到預(yù)定效果，需要采用劈裂注漿，注漿壓力較大，可能導(dǎo)致地面隆起，從本工程看，最終地面隆起約100 mm，需提前對地面管線進(jìn)行保護(hù)。如何在應(yīng)用前進(jìn)式水平注漿的同時(shí)確保不影響地面建筑物或者地下管線是下一步研究的重點(diǎn)。

［1］ 鐘鋒，張東生.某地鐵暗挖段TGRM前進(jìn)式分段深孔注漿工法探討［J］.西部探礦工程，2010(1):118-121.

［2］ 孔恒，彭峰.分段前進(jìn)式超前深孔注漿地層預(yù)加固技術(shù)［J］. 市政技術(shù)，2008(6):17-20.(KONG Heng，PENG Feng.The Technique of earth prestabilization with deeplevel grouting heading in segmently onward mode for shallow excavation tunneling ［J］. Municipal Engineering Technology，2008(6):17-20.(in Chinese))

［3］ 劉玉祥，柳慧鵬.礦冶水泥-水玻璃雙液注漿中的最優(yōu)參數(shù)選擇［J］. 礦冶，2005(4):4-6，25.(LIU Yuxiang，LIU Huipeng.Optimal parameter selection of cement-water glass two-shot grouting［J］.Mining and Metallurgy，2005(4):4-6，25.(in Chinese))

［4］ 鄺健政，昝月穩(wěn)，王杰.巖土注漿理論與工程實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［5］ 周富寬，彭峰.燃?xì)夤芫€下穿地鐵五號(hào)線注漿加固技術(shù)［J］. 科技信息，2007(2):245-246，248.

［6］ 上海市建設(shè)和管理委員會(huì).GB 50202—2002建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2002.