王文威

（中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司，山東青島 266000）

1 工程概況

HP3盾構(gòu)井～HP3風(fēng)井區(qū)間長(zhǎng)距離下穿中粗砂層，盾構(gòu)機(jī)從HP3中間風(fēng)井始發(fā)到達(dá)HP3盾構(gòu)井，全長(zhǎng)2 746.239 m；平面位置，上軟下硬頂部中粗砂層段區(qū)域起點(diǎn)為HP3盾構(gòu)井至廣深港高鐵處向北約100 m，YDK22+623.678～YDK23+363，長(zhǎng)約739.322 m。本段重難點(diǎn)工程為集團(tuán)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)情況

該區(qū)段從上到下地質(zhì)為：<1-2>素填土、<2-1A>淤泥質(zhì)土/<2-1B>淤泥、<2-2>淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、<2-1B>淤泥質(zhì)土、<3-2>中粗砂、<7-2>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、<8>中風(fēng)化巖層，隧道洞身處于<3-2>中粗砂、<7-2>、<8-3>和<8-2>地層，局部夾微風(fēng)化。隧道埋深31.04～35.62 m。

隧道主要位于強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與中粗砂層，隧道上方中粗砂層最厚處超20 m，砂層上方基本為淤泥質(zhì)粉細(xì)沙與淤泥質(zhì)土，地層反應(yīng)較為敏感。進(jìn)行本段補(bǔ)勘取芯，對(duì)巖芯進(jìn)行天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，最高強(qiáng)度達(dá)到104.8 MPa。

2.2 水文情況

地下水主要為第四系松散層孔隙和基巖裂隙水，周邊小河涌、小河溝、魚(yú)塘較多，地表水較發(fā)育，南沙大道初見(jiàn)水位約2 m，穩(wěn)定水位約3 m。根據(jù)古德曼經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合該DK22+600～DK23+296地層情況，計(jì)算涌水量1 017.9 m3/d。

3 盾構(gòu)超前注漿施工選擇

南沙地區(qū)為軟弱地層，總包要求在上軟下硬地層中采用全土壓掘進(jìn)，確保盾構(gòu)掘進(jìn)安全。2020年1月12日開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)段掘進(jìn)，第一環(huán)掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)較為正常，第二環(huán)掘進(jìn)時(shí)推力明顯增大、渣溫升高、出土量增大掘進(jìn)參數(shù)異常，項(xiàng)目立即組織專(zhuān)家組進(jìn)行分析，確定采用向土倉(cāng)內(nèi)注膨潤(rùn)土改善渣土，繼續(xù)掘進(jìn)可參數(shù)變化不大，隧道斷面上部1/5為中粗砂層，出現(xiàn)噴涌。

針對(duì)此情況項(xiàng)目部分析是否可以采用超前地層加固進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，由于地面是南沙大道（南沙區(qū)的唯一交通要道）進(jìn)行地面注漿加固較為困難，只可通過(guò)向洞內(nèi)注漿來(lái)實(shí)現(xiàn)加固效果。該措施存在盾體固結(jié)、土倉(cāng)充滿(mǎn)固結(jié)漿液刀盤(pán)糊死等風(fēng)險(xiǎn)。為克服困難立項(xiàng)目技術(shù)組進(jìn)行分析討論，決定采用盾構(gòu)徑向孔、土倉(cāng)注滿(mǎn)膨潤(rùn)土（土倉(cāng)壓力高于隧道斷面頂部壓力0.1 MPa），后向徑向孔打入20 m注漿管進(jìn)行超前注漿加固試驗(yàn)，第一次注漿加固耗時(shí)1.5個(gè)班，掘進(jìn)耗時(shí)1.5個(gè)班，采用2/3倉(cāng)氣壓輔助掘進(jìn)模式掘進(jìn)8環(huán)。

根據(jù)試掘進(jìn)情況進(jìn)行分析，按照此前掘進(jìn)方式掘進(jìn)每班即可掘進(jìn)1環(huán)，利用超前注漿孔打入20 m進(jìn)行超前注漿加固一次可加固盾構(gòu)掌子面12 m左右，盾構(gòu)可掘進(jìn)8環(huán)，用時(shí)3個(gè)班（1.5 d），平均每天可掘進(jìn)5.33環(huán)，掘進(jìn)效率提高5.33倍。

4 超前注漿施工工藝

隧道上部為富水砂層，進(jìn)行地層超前加固時(shí)易出現(xiàn)超前注漿孔涌砂現(xiàn)象，產(chǎn)生不良影響。但在上軟下硬富水砂層盾構(gòu)掘進(jìn)施工安全質(zhì)量安、經(jīng)濟(jì)效果明顯，但施工過(guò)程控制要求高，技術(shù)難度大[1]。

4.1 施工準(zhǔn)備

（1）明確盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造。

為了完善施工準(zhǔn)備工作，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)時(shí)，在盾體四面預(yù)留6個(gè)中部鉆孔、4個(gè)頂部鉆孔，即10個(gè)可進(jìn)行超前鉆孔的施工位置。該設(shè)計(jì)是為了保證注漿加固施工效果，即在打開(kāi)該10個(gè)超前鉆孔位置閘閥后，安裝上由項(xiàng)目部自主開(kāi)發(fā)的安全閥與鉆機(jī)設(shè)備，通過(guò)鉆孔與注漿來(lái)加固盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前端的地層。鑒于本項(xiàng)目隧道上部沙層、下層巖層的地質(zhì)特點(diǎn)，只要加固隧洞拱部指定范圍即可。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)拱部4個(gè)注漿孔進(jìn)行了超前注漿加固操作。

（2）鉆孔參數(shù)。

本項(xiàng)目中，為了保障盾構(gòu)機(jī)的施工效果，經(jīng)多次勘察與探討后，在盾體上預(yù)留了直徑125 mm、角度8°的鉆孔；鉆機(jī)鉆桿及鉆頭直徑為42 mm（單節(jié)鉆桿長(zhǎng)2.0 m，鉆桿內(nèi)有注漿孔道）；為了夯實(shí)加固效果，在上述超前鉆孔所預(yù)留位置設(shè)置了法蘭盤(pán)，以更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的行接與固定。本項(xiàng)目鉆孔深度為20 m，即5根注漿管[2]。

鉆孔深度與盾構(gòu)機(jī)關(guān)系如圖1所示。

圖1 鉆孔深度與盾構(gòu)機(jī)關(guān)系（單位：mm）

（3）漿液參數(shù)。

漿液為雙液漿，水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃為40be（按1∶1稀釋?zhuān)?，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，漿液凝結(jié)時(shí)間20～30 s，注漿壓力控制在約2.0～2.5 MPa。

在注漿過(guò)程中，為了避免因壓力過(guò)大而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封被破壞，應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)的壓力值，其必須要小于盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封所要求壓力，預(yù)留出規(guī)定范圍內(nèi)的安全系數(shù)。土倉(cāng)采用膨潤(rùn)土進(jìn)行填倉(cāng)，若注漿時(shí)出現(xiàn)壓力上升加快，及時(shí)停止注漿，注漿過(guò)程中隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，防止刀盤(pán)被漿液凝固。

4.2 超前注漿總體施工流程

超前注漿總體施工流程如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)超前注漿加固施工總體流程

4.3 超前注漿加固施工方法

（1）拆除上部管片。

為保證施工作業(yè)空間，施工前一環(huán)腰部以上的管片進(jìn)行拆除。

（2）鉆機(jī)就位。

在調(diào)整鉆機(jī)前，使用手拉葫蘆來(lái)完成鉆機(jī)就位環(huán)節(jié)。為確保鉆進(jìn)參數(shù)的科學(xué)性與合理性，在鉆桿與盾體預(yù)留孔道方向相同前提下，根據(jù)實(shí)際施工情況適當(dāng)調(diào)整鉆機(jī)鉆桿傾斜度。為了確定設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與施工的順利進(jìn)行，在鉆孔前需調(diào)試鉆機(jī)，采取覆蓋防護(hù)措施來(lái)保護(hù)設(shè)備，以免其在鉆孔時(shí)被污染。

（3）鉆孔施工。

記錄詳細(xì)的鉆桿節(jié)數(shù)是重要環(huán)節(jié)，作為確定鉆孔深度有力參考保證該深度參數(shù)的準(zhǔn)確性。在正式開(kāi)始進(jìn)行鉆孔試過(guò)過(guò)程中，以合適的慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，更好地在掌握地層對(duì)鉆機(jī)所造成影響基礎(chǔ)上，進(jìn)一步保證鉆進(jìn)參數(shù)。實(shí)時(shí)跟進(jìn)鉆機(jī)的鉆進(jìn)情況，若發(fā)生卡鉆或鉆進(jìn)困難現(xiàn)象，必須馬上停止鉆進(jìn)，待相關(guān)技術(shù)人員探究原因后重新施工，確保自制安全閥的密封效果。

（4）漿液材料及制漿。

注漿漿液采用雙液漿，比例為1∶1∶1。水泥漿的水灰比為1∶1；水玻璃原漿濃度40波美度，用水調(diào)配出水玻璃稀釋液；水泥漿：水玻璃稀釋液=1∶1（體積比）。具體配比可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)凝結(jié)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

（5）注漿作業(yè)。

采用后退式注漿（每次后退0.5 m），待鉆孔完成后進(jìn)行封口，壓力高于上部土壓0.3 MPa后，后退鉆桿，進(jìn)行下一段的注漿作業(yè)，如此循環(huán)，直至該孔結(jié)束。注漿過(guò)程中，邊注漿邊提鉆桿，嚴(yán)格控制提升幅度，每步為0.5 m，勻速回抽，注意注漿參數(shù)變化，當(dāng)注漿量或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后繼續(xù)進(jìn)行提桿。注漿壓力需高于上部土壓0.2 MPa。注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿壓力，密切關(guān)注注漿量，壓力突然上升或從超前注漿孔壁溢漿時(shí)，應(yīng)立即停止注漿，查明原因后采取調(diào)整注漿參數(shù)或移位等措施重新注漿。

（6）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

定量標(biāo)準(zhǔn)：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，可采取速凝漿液等措施結(jié)束該孔注漿。

定壓標(biāo)準(zhǔn)：注漿過(guò)程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力后，吸漿量較少或不吸漿時(shí)可結(jié)束本孔注漿。

（7）保壓測(cè)試。

第一個(gè)孔注漿作業(yè)完成后，即可進(jìn)行開(kāi)挖倉(cāng)的加壓、保壓測(cè)試。若加壓過(guò)程中倉(cāng)內(nèi)壓力不斷增加，隨后倉(cāng)內(nèi)壓力能夠到達(dá)帶壓進(jìn)倉(cāng)的壓力要求而不卸壓時(shí)，說(shuō)明保壓測(cè)試成功。若保壓測(cè)試失敗時(shí)，則進(jìn)行另外的備用預(yù)留孔鉆孔注漿施工，直到保壓測(cè)試成功為止。

4.4 注意事項(xiàng)

施工原始記錄清晰、真實(shí)、準(zhǔn)確且能夠及時(shí)匯總、整理、分析，指導(dǎo)注漿工作順利進(jìn)行；確保土倉(cāng)、盾體壁厚填滿(mǎn)膨潤(rùn)土且壓力高于隧道斷面上部土壓不得少于0.1 MPa；做好注漿壓力控制，防止?jié){液進(jìn)入土倉(cāng)、土體壁厚；做好超前注漿空密封措施，防止出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象；做好施工協(xié)調(diào)，確保施工連貫性。

5 結(jié)語(yǔ)

本段地層采用超前注漿加固掘進(jìn)與加入膨潤(rùn)土改良渣土掘進(jìn)大幅度加快施工進(jìn)度，克服盾構(gòu)在上軟下硬富水砂層中出現(xiàn)的超挖、噴涌的現(xiàn)象，確保盾構(gòu)掘進(jìn)安全，但在施工過(guò)程中技術(shù)難度大，特別是在注漿壓力，超前注漿孔密封效果要求高。在本段施工過(guò)程中，施工技術(shù)人員不斷對(duì)施工方法、工藝、材料配比進(jìn)行分析、創(chuàng)新、總結(jié)，提出上軟下硬富水砂層盾構(gòu)掘進(jìn)超前注漿加固施工技術(shù)，在施工過(guò)程中安全、經(jīng)濟(jì)可行，為以后上軟下硬富水砂層及易超挖地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工提供借鑒。