趙立財(cái)

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，300072，天津∥博士研究生)

地鐵隧道施工中不可避免會(huì)遇到穿越地下各種樁基礎(chǔ)。欲防止樁基礎(chǔ)下沉、側(cè)斜等不良情況，保證樁基以上的結(jié)構(gòu)不受或少受影響，其關(guān)鍵是采取不同的措施對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)。在隧道穿越橋梁樁基開挖掘進(jìn)中將不可避免地因應(yīng)力釋放、地下水流失、爆破振動(dòng)等諸多因素導(dǎo)致土體固結(jié)沉降、樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩擦力，如不采用有效的加固措施將會(huì)使樁基產(chǎn)生不均勻沉降或傾斜，甚至裂縫，影響立交橋行車安全。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定對(duì)離地鐵隧道較近的樁基采取地面大管幕支護(hù)與袖閥管注漿技術(shù)，對(duì)橋梁樁基進(jìn)行保護(hù)，避免因失水而導(dǎo)致樁基下沉的現(xiàn)象發(fā)生，以確保隧道開挖及立交橋安全。

1 工程概況

深圳地鐵4號(hào)線二期工程大腦殼山隧道，穿越梅觀立交橋，全長1 608 m。在隧道線路兩側(cè)分布有橋墩20 處，樁基類型均為摩擦樁。其中橋樁基距K9 +222 處摩擦樁離隧道開挖輪廓線距離近僅為5.4 m。該位置車流量密集，沉降反應(yīng)敏感，且位于V～VI 級(jí)松散圍巖地段;地表以下18.5 m 為人工填石，18.5～22.6 m 為粉質(zhì)黏土，22.6 m 以下為強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r;地下水豐富，屬于強(qiáng)透水流砂層。

2 總體方案選定

結(jié)合本工程特點(diǎn)，梅觀立交橋梁樁基選用了袖閥管注漿工藝進(jìn)行加固，袖閥管注漿可以分段、定量、間歇、多方位、多角度注漿，注漿后能形成止水帷幕，有效地減少因失水和爆破引起的基礎(chǔ)沉降，增強(qiáng)樁基整體的剛度及樁側(cè)摩擦力。但根據(jù)最新勘探鉆孔可知，Ⅵ級(jí)圍巖地段(右K9 +205～250)的隧道拱頂開挖線已經(jīng)進(jìn)入砂層，隧道本身開挖引起的塌落拱效應(yīng)會(huì)使隧道拱頂?shù)貙赢a(chǎn)生下沉，進(jìn)而影響樁基礎(chǔ)，需要在隧道洞內(nèi)采取一定措施用以加大拱部止水帷幕厚度。經(jīng)研究分析，大腦殼山的隧道穿越橋梁樁基時(shí)僅僅使用袖閥管注漿技術(shù)是無法確保洞內(nèi)施工安全的。因此，在袖閥管注漿基礎(chǔ)上選用管幕對(duì)洞內(nèi)圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，該結(jié)構(gòu)施工后在充當(dāng)永久結(jié)構(gòu)的同時(shí)也作為支護(hù)結(jié)構(gòu)使用，承擔(dān)圍巖的全部荷載，可減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，能很好地控制周邊圍巖沉降和收斂。

3 施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)

在隧道開挖前，從地表沿樁基兩側(cè)垂直打設(shè)深孔袖閥注漿管，同時(shí)在洞內(nèi)橫向打設(shè)管幕鋼管復(fù)合工藝，使樁基與隧道周邊土體形成整體結(jié)構(gòu)，以增大樁身摩擦力，減少因地下水流失固結(jié)產(chǎn)生的沉降。管幕與袖閥管注漿工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

3.1 樁基袖閥管注漿技術(shù)

袖閥管注漿法的基本施工工序可分為泥漿護(hù)壁成孔、澆注套殼料、下袖閥管，以及固管止?jié){、注漿等步驟，如圖2所示。具體工藝如下。

(1)袖閥管布置:在橋墩承臺(tái)以外1.5 m 開始打設(shè)兩圈袖閥管，袖閥管間距為40 cm ×40 cm，并相互咬合布置，袖閥管共174 根，每根深為26.6 m，深入隧底以下3 m。袖閥管布置如圖3所示。

(2)鉆孔:采用XY-100 型探礦鉆機(jī)引孔，針對(duì)不同地層采用合金鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法成孔，成孔直徑為90 mm。在現(xiàn)場施工中，由于樁基附近地質(zhì)有填土層和流沙層，很容易塌孔，所以必須采用優(yōu)質(zhì)稀泥漿護(hù)壁，必要時(shí)還得采用φ108 mm 套管護(hù)孔，待孔內(nèi)注入套殼料并下入袖閥管后，將φ108 mm 套管提出孔外。如需要鉆吹砂孔，則適當(dāng)增大套管直徑。在鉆孔過程中，為了不破壞已鉆好的孔，采用隔兩孔再鉆孔的鉆孔順序。成孔后連接注漿管，用注漿泵向孔內(nèi)泵送大量清水，將孔內(nèi)的泥漿和沉渣沖出孔外，直至孔口返出清水。

(3)下套殼料:鉆孔至設(shè)計(jì)深度并采用清水洗孔后，立即將套殼料通過鉆桿泵送至孔底，自下而上灌注套殼料至孔口溢出符合濃度要求的原漿液為止。套殼料以黏土為主、以水泥為輔組成，主要用于封閉袖閥管與鉆孔孔壁之間的環(huán)狀空間，在橡膠套和止?jié){塞的作用下，迫使灌漿段范圍內(nèi)擠破套殼料(即開環(huán))而進(jìn)入地層，又能在高壓注漿時(shí)，阻止?jié){液沿孔壁或管壁流出地表。套殼料配比為水泥∶ 黏土∶ 水 =1∶ 1.5∶ 1.88，漿液比重約為 1.5，漿液經(jīng)過漏斗運(yùn)用時(shí)間漏斗黏度24～26 s;施工時(shí)根據(jù)地下水情況，調(diào)整配比，以控制套殼料凝固時(shí)間。

在定義了所有矩陣F,H,Q和R之后,按照式(8)和式(9)方法進(jìn)行了機(jī)器人位置的預(yù)測、更新.由于Bk描述的系統(tǒng)狀態(tài)在每次迭代時(shí)都被跟蹤,因此,可實(shí)時(shí)獲得矩陣Bk的特征向量和特征值,并根據(jù)式(3)獲得機(jī)器人的位置信息.

(4)安裝袖閥管:袖閥管分花管和實(shí)管2 部分，每根袖閥管長度為4 m，管上每隔330 mm 鉆一組8 個(gè)φ5 mm 的射漿孔，每組射漿孔外部包裹一層橡膠套(長度為6 cm，厚2 mm)。袖閥管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

袖閥管施工順序?yàn)?先將袖閥管下入注漿鉆孔中，要確保注漿管下到孔底，上部要高出地面20 cm;然后用水注入內(nèi)部封閉的袖閥管內(nèi)，利用重力作用，使袖閥管不會(huì)浮起之后將φ108 mm 套管緩慢地提出;最后在袖閥管外花管與孔壁之間的環(huán)狀間隙在地面1 m 處以下采用砂或碎石填充，在地面1 m 處以上至地面段和孔口周圍采用速凝水泥砂漿封堵，以防止注漿過程中冒漿現(xiàn)象發(fā)生。

(5)提管注漿:選用HFV-5D 型雙液注漿泵與32.5 普硅水泥雙液漿(配合比為 A 液∶ B 液 =1∶1)。待套殼料養(yǎng)護(hù)5～7 天具有一定強(qiáng)度后，在袖閥管內(nèi)放入雙塞的注漿管進(jìn)行退后式分段注漿。在施工中，由于有流砂層的影響，必須保證注漿壓力達(dá)到1.5 MPa 后，才能往上提升注漿管，每次上提注漿步距為30～50 cm，這樣可以有效地減少地層不均性對(duì)注漿效果的影響。注漿采用隔孔注漿的順序，并從最外的一圈往內(nèi)注漿，外面的一圈注漿完后，再注里面的一圈，這樣可以對(duì)外圈的注漿體作進(jìn)一步的補(bǔ)充，有利于提高注漿效果，使之達(dá)到互相咬合的效果。

(6)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和效果評(píng)定:注漿壓力逐步升高達(dá)到1.5 MPa，并繼續(xù)注漿10 min 以上，結(jié)束注漿。每一循環(huán)注漿結(jié)束后采用鉆孔取芯或物探等方 法進(jìn)行效果評(píng)定，不合格及時(shí)補(bǔ)孔加強(qiáng)。

圖2 袖閥管注漿工序圖

圖3 袖閥管平面布置圖

圖4 袖閥管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 洞內(nèi)管幕支護(hù)施工

首先將φ299 mm 鋼管鎖口連接鉆入隧道開挖線以外土體內(nèi)，然后對(duì)鋼管進(jìn)行管內(nèi)外注漿，使之形成水密性地下支護(hù)體系。具體施工工序如圖5所示。

3.2.1 管幕鋼管布設(shè)

在地鐵隧道的開挖線外側(cè)，沿隧道軸線方向?qū)⒁慌纽?99 mm×8 mm 的管幕鋼管水平鋪設(shè)在土體里，隧道底部鋼管打設(shè)鎖腳錨管，并施作C35 混凝土作為加固基礎(chǔ)。鋼管沿拱部環(huán)向布置至混凝土加固基礎(chǔ)，鋼管側(cè)壁焊接C 型鋼鎖口，φ229 mm 管棚的環(huán)向布置間距為10 cm，每施工段布置39 根，長40 m，管節(jié)長為10 m。同時(shí)在φ299 mm 鋼管連接處打入φ60 mm鋼花管(鋼花管上預(yù)留注漿孔)，通過φ60 mm 鋼花管對(duì)土體進(jìn)行注漿加固，并使φ299 mm 鋼管成為一個(gè)整體，形成止水帷幕套拱，以確保隧道開挖安全。隧道管幕與袖閥管加固體系如圖6所示。

圖5 管幕施工工序示意圖

3.2.2 導(dǎo)向鉆孔

結(jié)合K9 +222 處地質(zhì)情況，鉆孔采用50T 水平鉆機(jī)完成(水平鉆機(jī)設(shè)有軌道，平移、升降鉆機(jī)平臺(tái))，利用φ159 mm×5 mm×6 m 的鋼管作鉆桿，兩端為 φ159 mm×12 mm 接手。鉆頭為 φ325 mm 楔掌斜板型，斜板加安硬質(zhì)圓柱合金，可破除一般石塊，打設(shè)時(shí)采用泥漿護(hù)壁，一次性成孔。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)施工時(shí)，在鉆頭內(nèi)部安裝探棒，通過導(dǎo)向接收儀及機(jī)臺(tái)顯示屏觀測鉆頭的深度、左右偏差、傾角和工具角(導(dǎo)向板的方向:導(dǎo)向板朝上即為12 點(diǎn))，根據(jù)監(jiān)測鉆頭在鉆進(jìn)過程中的位置和方向與設(shè)計(jì)軌跡的差異，利用可調(diào)節(jié)方向的鉆頭來改變鉆頭的鉆進(jìn)方向;打設(shè)角度如偏下，可以把鉆頭調(diào)到12 點(diǎn)，即導(dǎo)向板朝上，直接頂進(jìn)，此時(shí)由于導(dǎo)向板底板斜面面積大，受到一個(gè)向上的力，鉆頭軌跡就會(huì)朝上運(yùn)動(dòng)。同理在6 點(diǎn)糾偏可以使鉆頭軌跡朝下，9 點(diǎn)、3 點(diǎn)分別是為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機(jī)會(huì)勻速旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，此時(shí)鉆桿軌跡是平直的，所以導(dǎo)向鉆頭是上下糾偏的關(guān)鍵，終孔偏差可以控制在15 cm 以內(nèi)。鉆進(jìn)切割產(chǎn)生的碎屑從鉆頭出水口進(jìn)入鉆桿管尾部排出。

圖6 管幕與袖閥管加固體系示意圖

3.2.3 夯管跟進(jìn)施工

導(dǎo)向孔完成后，將鉆桿與鉆頭拔出，采用50T 水平鉆機(jī)施以夯力使帶有連接互鎖導(dǎo)向裝置的鋼管順利頂入，直至將鋼管直至導(dǎo)向孔深度。同時(shí)在φ299 mm 鋼管前面加一個(gè)不大于φ299 mm 的擴(kuò)孔鉆頭，并在上方焊接φ60 mm 鋼花管，然后進(jìn)行夯錘作業(yè)，作業(yè)過程中仍采用泥漿護(hù)壁。當(dāng)?shù)谝桓摴芡七M(jìn)孔內(nèi)，孔外剩余40 cm 時(shí)，人工持鏈鉗進(jìn)行鋼管聯(lián)接，使兩節(jié)鋼管聯(lián)成一體，然后再低速推進(jìn)鋼管;在進(jìn)行第二根鋼管作業(yè)時(shí)要與先前跟進(jìn)的鋼管鎖口套接好，必須保證每根管之間連接緊密。

3.2.4 管幕頂進(jìn)后處理

(1)注漿加固。當(dāng)相鄰兩根鋼管頂進(jìn)結(jié)束后，通過φ60 mm 鋼花管向管道外壁壓入水泥漿(水灰比為1∶ 0.8)，注漿壓力0.6～0.8 MPa，進(jìn)行管壁外側(cè)空隙填充加固，以補(bǔ)償?shù)貙拥乃缮⒆冃?，使鋼管四周形成一個(gè)穩(wěn)定的加固圈。

(2)鋼管鎖口止水處理。為了防止管幕加固后，不發(fā)生滲漏泥水的現(xiàn)象，在完成注漿加固后，要利用φ299 mm 鋼管節(jié)上預(yù)留的注漿孔向鎖口部位壓注聚胺脂漿。同時(shí)，要預(yù)留足夠的跟蹤注漿孔，以便在隧道開挖過程中對(duì)局部滲漏點(diǎn)進(jìn)行二次注漿。

(3)混凝土填充。在鋼管鋼管鎖口處理后，在管幕φ299 鋼管內(nèi)利用導(dǎo)管灌注微膨脹混凝土，以加大管幕縱向的剛度，和避免管幕局部出現(xiàn)應(yīng)力集中而屈服。

4 施工監(jiān)測

4.1 測量點(diǎn)布置

4.1.1 管幕內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置

為了第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)在管幕布設(shè)及后續(xù)開挖過程中沉降數(shù)據(jù)，在左右兩邊各設(shè)一個(gè)空管作為測量觀測管，在每個(gè)測量觀測管內(nèi)設(shè)測量觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)距管端口15 m。

4.1.2 樁基及地面沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

在隧道軸線及右側(cè)橫向、縱向每5 m 布置3 組(共 11 個(gè))地面沉降觀點(diǎn)，即 K9 +227 ，DK9 +222 ，DK9 +217 處;同時(shí)在隧道K9 +222 右側(cè)橋墩共有12 根樁基，橋墩左側(cè)6 根，右側(cè)6 根，兩側(cè)對(duì)應(yīng)樁基位置各布置6 個(gè)沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測頻率均為每3 h監(jiān)測1 次。

4.2 沉降分析

本監(jiān)測數(shù)據(jù)為大腦殼山隧道掘進(jìn)至K9 +222處，運(yùn)用管幕支護(hù)及袖閥管注漿技術(shù)加固至K9 +222 處掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

4.2.1 地面沉降分析

由圖7 可以看出，在監(jiān)測的4 天內(nèi)，第二組監(jiān)測點(diǎn)地表整體表現(xiàn)出隆起狀態(tài)，最大值10.325 mm，這是由于管幕加固洞內(nèi)與袖閥管注漿加固樁基時(shí)，原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲的應(yīng)力，促使土體的初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，使地表土體隆起;第七日加固措施施工后，監(jiān)測沉降量趨近于零，土體產(chǎn)生固結(jié)沉降，逐漸恢復(fù)到原始應(yīng)力狀態(tài);第十日開始隧道掘進(jìn)，第一、二組監(jiān)測點(diǎn)沉降量仍趨近于零，這說明該加固技術(shù)的應(yīng)用可以有效控制地層土體應(yīng)力變化，地鐵隧道均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.2 橋墩沉降分析

從圖8 橋墩沉降變化曲線圖可以看出，隧道掘進(jìn)過程中，對(duì)樁體的影響不如土體那么明顯，樁體沉降值波動(dòng)較小，地鐵隧道掘進(jìn)時(shí)橋墩樁基礎(chǔ)沒有明顯的下沉現(xiàn)象。由于左右兩側(cè)樁基距隧道的距離不同，兩側(cè)沉降曲線變化也不具嚴(yán)格的一致性，說明隧道掘進(jìn)過程中橋梁樁基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 地面沉降變化曲線圖

圖8 橋墩沉降變化曲線圖

5 結(jié)語

在大腦殼山隧道施工中采用袖閥管注漿與管幕相結(jié)合施工技術(shù)，有效地減小了隧道穿越對(duì)樁基礎(chǔ)附加受力及變形的影響，保證了梅觀立交橋的行車安全。此方法可減少施工對(duì)橋基周圍土體的擾動(dòng)，具有較高的推廣價(jià)值。但在袖閥管注漿中，止?jié){塞與管壁間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦阻力，導(dǎo)致止?jié){塞翻轉(zhuǎn)增加了摩擦阻力，建議增加一個(gè)連通管，以平衡底部袖閥管的封閉空腔與上部空腔的壓力差。

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