高始軍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司,江蘇南京 211800)

由于盾構施工技術及施工工程地質(zhì)的復雜性和多樣性，一方面，刀具在施工過程中的磨損是無法規(guī)避的問題，所以泥水盾構在施工過程中需要經(jīng)常停機帶壓進艙換刀，如何保證停機帶壓換刀的安全性是研究的主要目的之一；另一方面，地層的多樣性導致地層加固成為換刀施工成功與否的決定因素，因此選擇合理的加固區(qū)域至關重要。為了保證停機部位掌子面土體穩(wěn)定，為作業(yè)人員提供安全的作業(yè)環(huán)境及保證換刀工作的安全、有序、快速進行，需要根據(jù)沿線建構筑物分布，選擇最合理的換刀加固區(qū)域，并根據(jù)工程地質(zhì)情況，采取最合適的加固工藝。

目前，在國內(nèi)大直徑泥水盾構施工方面有較為豐富的成功實例，但帶壓進艙作業(yè)仍然是泥水盾構技術中不可避免的施工風險之一，所以如何保障安全、高效、合理的進艙作業(yè)是盾構施工中的重點。

本文依托新建京張鐵路清華園隧道，對于該工程泥水盾構停機點位置選擇原則及地層加固方案進行探討，對進艙作業(yè)技術進行總結(jié)分析，為類似工程問題提供可供參考依據(jù)，提高施工效率，進而推廣泥水盾構技術的使用。

1 工程特點

1.1 工程環(huán)境特點

工程范圍內(nèi)均為第四系地層，圍巖自穩(wěn)能力普遍較差，須考慮上覆土層的穩(wěn)定性，如掘進速度控制不當，會產(chǎn)生較大的地面沉降。洞頂附近可能存在粉、細砂層，若上述土層存在上層滯水，易產(chǎn)生坍塌及突然涌水、涌沙等問題。

1.2 工程水文特點

根據(jù)第四系地層中松散巖類孔隙水埋藏條件進行劃分，該平原地區(qū)地下水主要由上層滯水、潛水和承壓水等組成。其中由于上層滯水存在分布不均、水位高低變化幅度較大等問題，水位標高通常約44.91～49.62 m(埋深0～4.6 m)，主要地下水由大氣降水補給，此外管溝滲漏也會對地下水進行補充。承壓水主要分布在中、下部，被若干隔水層分隔，形成多層承壓水，水頭標高為22.5～26.0 m(水頭埋深為23.6～27.1 m)。由于存在區(qū)域性地下水位降低，在部分地區(qū)局部承壓水已經(jīng)失去承壓性。

1.3 工程自身特點

清華園隧道是京張高鐵的控制性工程，其主要施工內(nèi)容為6.02 km隧道和4.467 km路基，該工程包括盾構隧道(4 448.5 m)、明挖隧道(1 516.5 m)、暗挖隧道(55 m)；京張高鐵清華園隧道為單洞雙線隧道，管片采用單側(cè)預制管片襯砌，管片內(nèi)徑11.1 m，管片厚度0.55 m,分開模型采用“6+2+1”。

2 盾構區(qū)間停機換刀選取原則

(1)根據(jù)施工調(diào)查報告中的內(nèi)容，掌握地面構建筑物與隧道的位置關系，地下管線的位置和與隧道的關系。

(2)獲悉隧道的行走路線，合理選取換刀地點。

(3)通過地質(zhì)詳勘報告和地質(zhì)補勘報告，對整個區(qū)間的地質(zhì)情況進行分段，選擇換刀區(qū)域。

(4)依據(jù)刀盤選型，刀具配置形式，預估刀盤刀具在不同地層的磨損值，選擇合理的換刀位置。

(5)根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況分段，并設置一換刀點。

(6)根據(jù)掘進情況設一換刀點。

根據(jù)上述選擇原則，計劃換刀點位如表1所示。

3 換刀點地層加固方法

3.1 加固原理

高壓噴射注漿法是一種近年發(fā)展起來的注漿方法，該方法在城市基坑、地鐵等工程中得到了廣泛的應用。該方法的原理是采用水泥漿等加固材料與土體混合形成固結(jié)體，以達到加固土體、止水防滲的目的。在工程實踐中，常采用帶有噴嘴的注漿管作為鉆桿并進行鉆孔，待鉆進至設計位置后，采用20～30 MPa的水泥漿或水或空氣利用高壓設備進行噴射、沖切，擾動，破壞土體，與此同時鉆桿以一定速度逐漸提升，并強制攪拌、混合漿液和土壤顆粒，待漿液和土體凝固后，形成圓柱形固結(jié)體。

表1 2#～1#、3#～2#盾構區(qū)間換刀點加固位置

3.2 工藝流程

本工程采用二重管高壓旋噴法來進行換刀點地層加固，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 二重管高壓旋噴法實施工序

3.3 施工方法

3.3.1 場地平整

首先，將場地平整以消除地面和地下的所有障礙物。在地表凹陷區(qū)域采用黏性土料進行回填并進行夯實，并且應做好場區(qū)的排漿溝開挖及修整工作。

3.3.2 測量定位

在旋噴樁施工之前，應由測量人員進行孔位、孔口高程及樁軸線的測量放樣，將各軸的基準點投影到安全可靠且易于操作的位置。通過觀察位置，并用水泥釘標記原始的混凝土路面孔位。從孔位移開，并清除周圍的雜物，用噴漆進行標記，然后根據(jù)軸線對孔進行統(tǒng)一編號。

3.3.3 機具就位

將鉆機移至指定的樁位，并由專人指揮用水平尺和定位錘校準打樁機，以使樁機保持水平，導向架和鉆桿與地面垂直，且傾斜率小于1.5 %。調(diào)整不符合垂直度要求的鉆桿，直到鉆桿的垂直度滿足要求。如果鉆桿垂直度滿足要求，則進行低壓射水試驗，首先調(diào)整鉆機將鉆頭對準孔位的中心，并調(diào)整鉆桿的垂直偏差不超過1 %。滿足上述要求后，首先進行低壓射水試驗(試驗壓力一般不超過0.5 MPa)，檢查設備是否正常。

3.3.4 鉆孔

測量并放樣孔位后，使用地質(zhì)鉆頭鉆孔。

3.3.5 旋噴臺車就位

把臺車移動就位到鉆孔的附近位置，為了使噴桿自然垂直通過轉(zhuǎn)盤中央與鉆孔孔口，需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)臺盤的轉(zhuǎn)盤和天車。

3.3.6 試噴

在通過鉆孔檢查后，在準備好將噴頭和噴桿下降到鉆孔內(nèi)之前，應進行試噴以檢查高壓泵是否運轉(zhuǎn)良好，漿液管道密封是否良好，以及噴桿、噴嘴是否泄漏。

3.3.7 下入噴具

調(diào)試好地面后，為了防止噴具在下入孔內(nèi)過程中泥砂進入噴嘴，應設法保護噴嘴(先使用透明膠包扎漿氣水嘴，然后使用現(xiàn)場廢棄的水泥袋包裹噴頭)。

3.3.8 攪拌水泥漿液

采用水泥進行注漿，水泥漿的水灰比為1∶1。根據(jù)JGJ 63-89《混凝土攪拌水標準》的要求選擇用于攪拌水泥漿的水。在制漿過程中采用高速攪拌機，首先將水和水泥根據(jù)規(guī)定的水灰比放入攪拌桶中并充分攪拌，在攪拌完成后使用比重計測量水泥漿液的比重。配置后時間超過4 h漿液是禁止使用的。

3.3.9 高壓旋噴灌漿

(1)在旋噴灌漿開始時，啟動機械設備應遵循漿、氣的先后順序，注漿泵首先將水泥漿輸送到鉆孔中，然后使用空氣壓縮機輸送氣體。在停止旋噴灌漿時，根據(jù)以下先后順序：氣、電、漿進行關閉。

(2)為了使噴具迅速達到正常施工時所需的壓力狀態(tài)，在其到達孔底后，請盡快調(diào)整好壓力大小。在開始時，將噴桿保持在孔底并持續(xù)旋轉(zhuǎn)，當水泥漿液從孔口中冒出時，再根據(jù)施工技術參數(shù)來開始提升噴具。

(3)現(xiàn)場施工員統(tǒng)一指揮操作人員和供漿系統(tǒng)，各方人員密切配合，并進行現(xiàn)場原始記錄。

(4)灌漿機操作人員需要做到熟練掌握相關技術參數(shù)，在現(xiàn)場施工員和技術員的指導下，根據(jù)孔深和孔內(nèi)的變化，及時調(diào)整有關技術參數(shù)，并定時測量進漿和回漿比重。

(5)隨時做好壓力和流量的觀測工作，對高壓灌漿的各項參數(shù)和出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象按照要求如實記錄。

3.3.10 終止旋噴灌漿

當噴頭位置提升達到設計高程時，說明注漿已完成，可以停止灌漿作業(yè)。

3.3.11 封孔

在確認旋噴樁的樁頂高程達到設計標高后，將水泥漿回填到旋噴樁以上的空洞中。

3.4 控制要點

(1)在開始正式注漿前應充分做好工藝性試樁試驗，確定合理的施工參數(shù)和漿液配比。

(2)在施工之前，需對設備情況進行進一步檢查，如噴嘴是否通暢，設備密封圈是在設定位置，通過后方可將漿液噴射。

(3)在制備漿料的時候，應該嚴格按照設計原則控制水灰比，不能夠隨意更換。不得使用受潮或過期的水泥。在攪拌漿液完成以后，將其送到吸料桶時，應使用篩網(wǎng)將其過濾。過濾篩孔最好小于噴嘴孔直徑的1/2。

(4)噴射時，在達到預定的噴射壓力、噴射量后，然后再逐步提升注漿管。為了防止樁體中斷，若中間發(fā)生故障，應該停止提升和旋噴，同時馬上檢查排除故障。如果旋噴由于機械故障而中斷，則應重新鉆孔至樁底的設計位置并重新旋噴。

(5)在旋噴過程中，正?，F(xiàn)象為冒漿量小于注漿量的20 %。如冒漿量過大或過小(不冒漿)，則應當暫停注漿并查明原因，采用針對性的措施，如調(diào)整旋噴參數(shù)等。

(6)在旋噴過程中，需要作好施工記錄。

(7)在高壓噴射灌漿完成后，應當立即將噴管拔出。

(8)施工期間要進行泥漿處理，并及時把泥漿運出。

3.5 質(zhì)量保證措施

(1)在放置注漿管之前，在地表上進行射水實驗。等到射噴壓力正常后，才可進行注漿管施工。

(2)為了防止相鄰高噴孔施工時出現(xiàn)串漿，在高噴施工時應隔兩孔施工，同時應注意施工時間間隔的相關要求(一般應不少于48 h)。

(3)在進場之前每批注漿水泥必須有合格證明，并應按照每批次在現(xiàn)場抽樣外檢，檢查合格后才能夠投入使用。施工過程中所有計量工具應該進行鑒定，為了防止水泥受潮結(jié)塊，在水泥進場后，應當墊高水泥存放臺，覆蓋防雨彩布。

(4)以現(xiàn)場試樁情況為準則，選擇漿液水灰比、漿液比重、每1 m樁體水泥用量等參數(shù)。為了確保漿液配比的正確性，運灰小車及攪拌桶都應該作明顯標記?；覞{攪拌應當均勻并進行過濾。為了防止水泥沉淀，噴漿過程中漿液應當連續(xù)攪動。

(5)為了保證成樁直徑不小于設計樁徑，由設計、業(yè)主、監(jiān)理、施工單位共同確定旋噴樁施工參數(shù)，并在施工前進行成樁試驗。

(6)為了保證樁的施工質(zhì)量，依照地質(zhì)條件的變化情況，應及時調(diào)整施工工藝參數(shù)。在調(diào)整參數(shù)之前，應及時向業(yè)主，主管和設計部門報告，并在批準后進行調(diào)整。

(7)為了保證機械設備發(fā)生故障時候能夠及時進行搶修，應當在施工現(xiàn)場配備常用機械設備配件。

(8)調(diào)制水泥漿時要戴好防塵口罩。

4 結(jié)束語

在城市大直徑泥水平衡盾構的施工中，為了保證工程施工質(zhì)量和安全，選擇停機換刀點是關鍵。本文通過京張鐵路清華園隧道盾構區(qū)間換刀點地層加固的一些工程實例，介紹了一般的停機換刀點位置選擇原則、加固方案及質(zhì)量保證措施等內(nèi)容，通過高壓噴射注漿法方式來解決，既保證了盾構換刀區(qū)加固施工工作的順利進行，又節(jié)省了施工工期和成本。