郭建文

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

1 概述

海河隧道是天津市中央大道穿越海河的控制工程，隧道長3.38 km，雙向6車道，其中K28+492～K28+747段穿越海河，長255 m，采用沉管法施工工藝。

沉管段由3節(jié)預制管段組成，管段長85 m(E1、E2管段)，80 m+5 m(E3-1、E3-2管段)。沉管斷面為2孔三管廊箱形結構，寬36.6 m，高9.65 m，底板厚1.4 m，頂板厚1.35 m，外側墻厚1.0 m，中隔墻厚0.6 m。沉管基礎由60 cm厚碎石+40 cm厚膨潤土砂漿構成。注漿基礎從隧道內(nèi)部，采用壓漿設備，通過預埋在管段底板上的壓漿孔，向管底空隙壓注混合砂漿[1]。

海河隧道引入注漿基礎工藝，注漿基礎可操作性、安全性、檢驗的方法和標準，目前沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，作為沉管管段的承托層，注漿基礎的質量決定管段的沉降變形，沉降變形量一旦超過設計允許值，就會加大沉管隧道運營風險，并且增加后期處理的難度[2]。通過實體模擬試驗，確定各項參數(shù)及檢測方法，優(yōu)化設計，指導施工實踐，在注漿基礎施工過程中對各項參數(shù)進行驗證和確認，對注漿工藝進行合理改進，確保注漿質量滿足設計要求。

2 工藝試驗

2.1 試驗目的

2.1.1 確定水泥砂漿配合比

通過對不同配比的水泥砂漿開展室內(nèi)物理、力學性質試驗，從而確定適合海河隧道壓力注漿使用的漿液配合比。

2.1.2 確定注漿壓力與擴散半徑

為了保證漿液能夠充分且均勻地填充管底與碎石墊層之間的空隙，采用適合的注漿壓力以及合理的注漿管間距至關重要[3]。擬通過試驗和理論分析相結合的方式，確定此次施工中使用的注漿壓力和擴散半徑。

2.1.3 制定現(xiàn)場觀測方案

對注漿基礎過程實施有效的監(jiān)控是保證漿液能很好填充管底與碎石墊層之間空隙的有效環(huán)節(jié)，擬通過試驗確定施工中的注漿觀測方案。

2.1.4 提出注漿效果的檢測方法

注漿施工結束后應采用有效的手段監(jiān)測漿液的填充效果，本項研究擬采用注漿試驗并結合以往成功工程經(jīng)驗提出注漿效果的檢測方法。

2.1.5 提出注漿施工技術要點的建議

此次進行的水下壓力注漿與陸上的壓力注漿具有明顯的區(qū)別，不僅要考慮水流、水壓力對注漿過程的影響，而且需將注漿壓力控制在合理的范圍內(nèi)，以防止沉管段被抬高，并能保證注漿的均勻性。本項研究擬結合工藝試驗提出施工中的技術要點。

2.2 試驗研究方法

2.2.1 室內(nèi)砂漿配比試驗

對不同的水泥砂漿配合比進行研究，分別測定砂漿的黏度、泌水率、流動度(稠度)凝結時間，7 d和28 d抗壓強度，分析砂漿配合比試驗中減水劑的作用，并通過試驗結果給出試驗最終配合比。

2.2.2 注漿模擬試驗

(1)模擬試驗裝置

壓漿模擬試驗裝置包括灌漿裝置和1個大型水池內(nèi)架設1個平面尺寸為10 m×26 m的混凝土板平臺，平臺底板厚40 cm，平臺側墻高1.2 m，按實際管段初步設計配筋方案配筋?；炷涟迤脚_模擬管段底板，平臺具有儲水功能，可模擬管段的不同抗浮系數(shù)，平臺四周用混凝土支撐托住、定位，沿平臺軸線設注漿孔A，B，C(圖1)。

圖1 注漿基礎試驗模型示意(單位：m)

沿注漿孔徑向等間隔布置漿液擴散監(jiān)測線。其中：漿液擴散觀察采用預埋條狀高強有機玻璃方式，以提高觀測精度，注漿模型實體如圖2所示。

圖2 注漿模型實體示意

各注漿孔布置膜式壓力表，監(jiān)測漿液擴散的同時測量注漿壓力，以便建立擴散半徑與注漿壓力的相關關系。并在池底鋪上一層碎石墊層，平臺底面與池底墊層的距離同管段與基槽底部墊層的距離一致，模擬河底施工的工況條件，池中灌水淹沒至平臺底面。平臺上面壓載使試驗荷載盡可能接近實際荷載。

(2)試驗觀測設計

①池中注水高過平板底部即可，根據(jù)研究，現(xiàn)場壓力不影響漿液的收縮率，故水深對浮托力不會造成影響[4]。

②考慮到注漿過程中漿體需要達到一定的交匯程度，考慮單個孔注漿時使用A孔，考慮相鄰孔注漿影響時使用B、C孔。

③壓力盒用來觀察板底浮托力的變化。

④觀察窗主要是用來觀測在什么時間漿體流過空隙，從而確定漿體充滿程度和擴展半徑。

⑤運用面波法、沖擊影像法和地質雷達檢測的方式，實時全過程動態(tài)跟蹤漿液填充效果。

(3)試驗步驟

①單孔(A孔)注漿漿液擴散研究

根據(jù)設計在水池底部鋪設墊層，安裝支撐，將已經(jīng)安裝好壓力盒的平臺平放于支撐上，調整支撐使平臺到達設計高度，安裝注漿設備，在平臺上部壓載，壓載量接近實際管段壓力值。在水池中注水至稍高于平臺底，用以模擬抵抗浮托力，在邊緣設置標尺。

開始注漿，控制注漿壓力使混凝土板沉降量在設計要求內(nèi)，浮托力控制在允許值內(nèi)。當漿液流擴展到平臺邊緣，有大量漿體涌出，或管路內(nèi)的壓力值超過允許的上限值，或試驗平臺抬起超過允許值時，則結束注漿。

②雙孔(B、C孔)注漿漿液擴散研究

B、C孔同步注漿，步驟同①，其中，B孔與A孔的注漿結果用于研究分期注漿擴散特性，B孔與C孔的結果用于研究同期注漿擴散特性。

(4)壓力注漿效果檢測方法

采用探地雷達、沖擊影像法、表面波探測相結合的方式對壓力注漿充填效果進行綜合評價，并應用于其后的現(xiàn)場施工過程中，以保證結構和基底受力均勻，減少不均勻沉降。在模型試驗中對探測工藝進行研究，探討一種快速、簡便、準確、經(jīng)濟的填充效果探測方法，以便在今后的施工中推廣應用[5]。

2.3 主要試驗設備與儀器

定制的大型注漿機；RIS(1600、400 MHz天線)型探地雷達；McSeis-170f改進型數(shù)字地震儀；動圈式垂直成分速度型檢波器；小型靜載試驗壓力裝置，以及壓力盒、觸探儀、千分表、膜式壓力表(0.6 MPa)等。

2.4 試驗研究成果

(1)砂漿配比(kg/m3)

水泥∶砂子∶水∶粉煤灰∶膨潤土=189∶1134∶378∶264.6∶37.8；稠度121 mm；凝結時間：在漿料送進注漿泵后不小于3 h。

(2)注漿孔漿盤擴散半徑為5.8 m，注漿量為設計值的1.4倍(部分漿料流失)。

(3)檢測方法：注漿基礎的飽和度最終采用沖擊影像法、表面波法確定[5]。

(4)停泵指標

①管段姿態(tài)控制：管段振動擺幅5 mm，出現(xiàn)單邊上升時，可停泵。

②壓力差：當出口壓力比開始注漿時壓力大于37.16 kPa時，可用沖擊影像法檢測，確定是否可停泵。

③千斤頂頂力：在穩(wěn)定狀態(tài)下，千斤頂壓力出現(xiàn)下降，當壓力小于2 000 kN時，可停泵。

④方量控制：當連續(xù)3排孔的實際方量大于試驗注漿量時，可通過沖擊影像法進行檢測，滿足要求后可停泵。

⑤沖擊影像法檢測結果滿足要求后可停泵。

3 注漿基礎試驗研究成果的應用

3.1 注漿孔預留位置的優(yōu)化設計

依據(jù)注漿模擬試驗結果，對注漿孔的平面布置進行適當調整，管內(nèi)布置一次注漿管4排，2個行車道內(nèi)各2排，縱向間距3.05～7.2 m，橫向間距8.56～9.24 m；預留二次注漿管，供運營期間需要補注漿時使用，在3個管廊內(nèi)各布置1排，每排布置11根。一次注漿管管徑為152 mm，二次注漿管管徑為76 mm。注漿孔平面布置如圖3所示。

圖3 E1管段注漿孔平面布置示意(單位：m)

3.2 注漿工藝

3.2.1 注漿前準備工作

根據(jù)施工工藝要求，沉管碎石基礎在沉管沉放之前施工完成，確保碎石墊層施工精度控制在±5 cm，在沉管尾部距離端頭5 m位置，在碎石與沉管之間安裝φ700 mm水囊1條[6]，里面充滿水，防止注漿液外溢。沉管兩側采用2～8 cm碎石鎖定，距沉管基底以上高度4.0 m，距離沉管側墻寬度11.0 m，連續(xù)鎖定。管段端頭位置預留8～12 m，與第二節(jié)管段一起鎖定。基底注漿橫剖面見圖4。

圖4 基底注漿橫剖面(單位：m)

采用混凝土液壓輸送車替代注漿泵，由計算機控制注漿壓力和流量；管道采用混凝土輸送專用管路，每節(jié)4～6 m，主管為φ125 mm的鋼管，支管為φ125 mm的橡膠軟管。在管道始端安裝膜式壓力表(2.5 MPa)，在注漿孔閥門的前端安裝膜式壓力表(0.6 MPa)。

3.2.2 砂漿要求

對膨潤土砂漿配比要求：嚴格按照試驗配合比配料，嚴格控制原材質量，保證配制的漿液性能，有良好的和易性和流動性，低泌水率[7]，滿足長距離注漿的要求。

3.2.3 施工工藝

在2個行車道內(nèi)各采用1條管路，同時對稱施工；采用由低向高，先中間后兩邊的順序；2個車道注漿速度相差控制在2孔之內(nèi)。采用橡膠軟管與注漿孔閥門連接，注漿前，將注漿孔上方閥門緩慢打開，海河水通過注漿孔進入壓漿管內(nèi)，此時注漿口壓力在0.18～0.21 MPa。對輸送泵采用小流量啟動，逐漸增加流量，流量控制在30 m3/h以內(nèi)。單孔注漿完成，輸送泵停止供料，將閥門進行徹底關閉，進行換孔注漿。注漿過程，采用沖擊影像法，對注漿飽滿度提供實時檢測意見。

3.3 各項參數(shù)的確認

3.3.1 壓力差值

根據(jù)試驗結果，當出口壓力比開始注漿時壓力大于37.16 kPa時，可用沖擊影像法檢測，確定是否可停泵。注漿過程中發(fā)現(xiàn)，注漿的速度也會影響注漿的壓力變化，注漿速度越快，壓力增加越大，為此控制注漿速度不超過30 m3/h，單孔注漿完成時，注漿壓力差控制在40～60 kPa。如果注漿速度增加，壓力差值還會增大。

3.3.2 注漿量

由于管段注漿孔設計間距不同，鄰近注漿孔的相互影響，因此每個孔的注漿量不可能完全一致，行車道外側注漿孔，注漿量大了會從沉管碎石鎖定處流失。單孔注漿量超過20 m3，就開始進行沖擊影像法檢測，每注漿10 m3檢測1次，正在注漿的孔與相鄰已經(jīng)注漿完成3個孔，共計4個孔注漿量進行對比分析，采用平均單孔注漿量，經(jīng)多孔注漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計，控制注漿量達到設計值1.8倍，注漿的飽滿度滿足設計要求，比試驗數(shù)值偏大一些。

在注漿過程中，相鄰4孔平均注漿量已經(jīng)達到設計值1.8倍，個別孔位沖擊影像法顯示0～5 m范圍不完全密實。為此增加注漿量，即使增加30～40 m3，單孔注漿量已經(jīng)達到設計值280%以上，還是顯示相同的結果，分析可能原因：注漿孔交叉布置，注漿過程可能形成水泡，注漿時間延長，注漿孔已經(jīng)形成漿盤，繼續(xù)注漿會破壞原有漿盤流向未注漿的部位，造成水泡位置不密實；行車道外排孔漿液容易進入沉管外側鎖定碎石內(nèi)，造成砂漿流失，出現(xiàn)注不滿情況。由于發(fā)生上述現(xiàn)象孔位低于5%，因此遇到這種情況時，該孔增加10 m3后，更換孔位，并不影響整體注漿質量。

3.3.3 千斤頂度數(shù)變化

根據(jù)理論計算，沉管尾端豎向千斤頂壓力變化范圍：2 000 kN

3.3.4 管段姿態(tài)數(shù)據(jù)

注漿過程在2個行車道內(nèi)注漿孔附近各安放固定測量塔尺1個，采用水準儀進行監(jiān)測，注漿過程中實施進行高程監(jiān)測，5～10 min采集1次數(shù)據(jù)，注漿過程中個別孔位出現(xiàn)高程變化，注漿位置抬高2～3 mm，暫停注漿后，5 min之內(nèi)又回到原位。

3.3.5 停泵標準

(1)注漿口壓力差：控制注漿速度不大于30 m3/h，當出口壓力與開始注漿時壓力差值達到40～60 kPa，采用沖擊影像法確認，0～5 m范圍密實，可停泵。

(2)注漿量：正在注漿的孔與相鄰已經(jīng)注漿完成3個孔，共計4個孔注漿量進行對比分析，平均注漿量為設計值1.8倍，采用沖擊影像法確認，0～5 m范圍密實，可停泵換孔；對于不飽滿部位，增加注漿10 m3后停泵。

(3)管段姿態(tài)：管段注漿孔位置高程抬升達到2～3 mm，暫停注漿5 min內(nèi)恢復到原位，可停泵換孔。

(4)采用沖擊影像法檢測，相鄰已經(jīng)注漿完成2個孔橫向5.5 m范圍全部密實，正在注漿的孔，0～5 m范圍全部密實，可停泵換孔。

3.4 檢測方法

注漿的飽和度采用表面波法及沖擊影像法進行檢測[9]，沖擊影像法檢測如圖5所示。2種方法都是在注漿前即開始進行數(shù)據(jù)采集，注漿過程及注漿后進行二次數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)分析確認注漿質量。上述2種方法使用1套設備，數(shù)據(jù)采集方法接近，分析出結果時間不同，沖擊影像法在10 min內(nèi)分析出結果，而表面波法需要2～3 d出結果，所以現(xiàn)場沖擊影像法更具有實際指導意義，用于進行現(xiàn)場注漿飽滿度判定，表面波法則用于結果復核。

圖5 沖擊影像法檢測示意(單位：cm)

4 二次注漿[10]

結合以往沉管隧道基礎存在不均勻沉降的情況，海河隧道對注漿基礎預留二次注漿管，在沉管隧道運營期間，如果管段的沉降量超過設計允許值時，進行二次注漿補救處理，在首次注漿基礎時暫不使用。其注漿工藝與一次注漿工藝相類似，在此不作介紹。

5 結語

海河隧道2011年12月30日完成全部3節(jié)沉管沉放對接作業(yè)，2012年1月11日完成沉管注漿基礎作業(yè)，經(jīng)沖擊影像法和表面波法檢測，基底注漿飽滿度達到92.1%，截止2012年8月中旬，沉管管段累計沉降為18 mm(設計值為100 mm)，沉管注漿基礎技術是可靠的，為國內(nèi)沉管基礎施工提供了借鑒。

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