馮紅喜,李一博,張忠炎

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

在盾構(gòu)施工技術(shù)中，盾構(gòu)接收是主要的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，存在地下水滲漏、突泥突水、地層沉陷等諸多風(fēng)險(xiǎn)，為規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，通常會(huì)對盾構(gòu)洞門前的地層進(jìn)行加固處理，以期降低盾構(gòu)接收面臨的施工風(fēng)險(xiǎn)。常用的加固技術(shù)多為旋噴樁、三軸攪拌樁、凍結(jié)、化學(xué)注漿等，也存在多種加固技術(shù)組合應(yīng)用的情況[1]。盾構(gòu)進(jìn)洞接收?？紤]環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、水文地質(zhì)、場地條件等諸多因素，選擇直接破洞接收、鋼套筒接收、整體接收、箱體接收等技術(shù)[2-6]。

本文結(jié)合鄭州市某軌道交通區(qū)間盾構(gòu)進(jìn)洞實(shí)例，分析了三軸攪拌樁加固這一傳統(tǒng)加固技術(shù)的不足，提出利用WSS水平注漿+旋噴進(jìn)行加固，并選用鋼套管接收技術(shù)，確保盾構(gòu)穿越富水砂層順利接收，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某軌道交通區(qū)間隧道長度約1 500 m，埋深為10.79 m～21.73 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m。采用兩臺(tái)φ6 470 mm的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，分別從始發(fā)站間隔2個(gè)月先后到達(dá)樂昌站大里程端接收井后解體、吊出。

1.1 水文地質(zhì)

該區(qū)間穿越地層主要為②41層粉砂、②51層細(xì)砂。區(qū)間接收端隧道范圍內(nèi)主要地層為②41粉砂層和②51細(xì)砂層，地下水穩(wěn)定水位埋深約為8 m，屬于典型的富水砂層。

1.2 周邊環(huán)境

區(qū)間接收端即樂昌站(3層地下車站)-3層?xùn)|端頭，位于西運(yùn)河西南側(cè)河堤上，臨近西運(yùn)河，河堤頂部寬度9 m～11 m。車站端頭距離河面49 m，接收端區(qū)間隧道底部埋深約27.6 m，隧道頂部埋深約21.4 m。河堤底部為斜坡狀，高差8 m～11 m。車站端頭埋設(shè)有1根埋深2 m～3 m的DN250中壓燃?xì)夤埽?根埋深13.5 m的DN650熱力管，經(jīng)核實(shí)施工現(xiàn)場暫無管線改遷條件。

2 方案比選優(yōu)化

2.1 初始方案

初始方案按照常規(guī)接收方案，采用φ850@600 mm三軸攪拌+φ800@550 mm三重管旋噴樁加固方案。三軸攪拌樁縱向加固長度為8.0 m，加固寬度為隧道輪廓線左右各3 m，豎向?yàn)樗淼垒喞€上下各3 m，并在加固體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間采用一排φ800@550 mm三重管旋噴樁堵縫補(bǔ)強(qiáng)。

加固前，在加固區(qū)兩側(cè)布置至少6個(gè)降水井，以保證施工安全。

2.1.1 初始方案優(yōu)點(diǎn)

方案較為常規(guī)，施工工藝成熟，加固范圍滿足盾構(gòu)接收的要求，降水井的布置也考慮到地層高水位特點(diǎn)。

2.1.2 初始方案缺點(diǎn)

1)富水砂層地質(zhì)，盾構(gòu)直接破洞接收，施工風(fēng)險(xiǎn)高，存在較大可能性發(fā)生地表沉陷、漏水冒漿等工程風(fēng)險(xiǎn)。2)場地條件受限。端頭加固區(qū)距離河提及綠化帶較近，場地坡度較大，三軸攪拌施工無作業(yè)空間。3)端頭存在中壓燃?xì)夤芎蜔崃埽芟抻谖鱾?cè)運(yùn)河存在，遷改困難，如執(zhí)意遷改，項(xiàng)目工期加長較多，費(fèi)用花銷較大。

2.2 優(yōu)化方案

基于以上對施工場地、環(huán)境條件和富水砂層等的研判，考慮采用WSS(無收縮雙液注漿)注漿加固取代三軸攪拌樁加固，并輔以鋼套筒接收措施。

2.2.1 WSS注漿加固

1)加固原理。WSS注漿加固技術(shù)采用二重管鉆機(jī)鉆孔至預(yù)定深度后，用同步雙液注漿機(jī)注漿。先通過AB液(水玻璃與磷酸混合液)將土層顆粒間的水強(qiáng)迫擠出，再利用AC液(水玻璃與水泥漿混合液)使該土層黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角增大，從而使地層黏結(jié)強(qiáng)度及密實(shí)度增加，起到改良土層和加固作用；顆粒間隙中充滿了不流動(dòng)而且固結(jié)的漿液后，使土層透水性降低，而形成相對隔水層。

2)加固特點(diǎn)。a.團(tuán)結(jié)硬化時(shí)間容易調(diào)整，設(shè)計(jì)硬化時(shí)間長的注漿液也具有很高強(qiáng)度。b.滲透性良好，特別是對微細(xì)砂層的滲透性。c.地層中有流動(dòng)水的情況下也具有很強(qiáng)的團(tuán)結(jié)性能。d.漿液強(qiáng)度、硬化時(shí)間、滲透性能可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要任意調(diào)整。e.漿液不流失、團(tuán)結(jié)后不收縮，硬化劑無毒，對地下水不會(huì)造成污染。f.注漿加固所用鉆機(jī)體型較小，移動(dòng)方便，適用較困難的施工環(huán)境。g.注漿加固施工靈活，可垂直注漿，也可傾斜注漿，且從鉆孔至注漿完畢，可連續(xù)作業(yè)。

3)加固適用范圍。因WSS具有極強(qiáng)的加固地層并起到隔水層的作用，故其廣泛適用于隧道及地下工程，如盾構(gòu)隧道及地下工程周圍土層改良盾構(gòu)、隧道及地下工程掘進(jìn)豎井洞口地層加固、地下管線保護(hù)、隧道通過地面建筑物基礎(chǔ)的跟蹤注漿等。

2.2.2 優(yōu)化方案優(yōu)點(diǎn)

1)采用WSS注漿加固與三軸攪拌加固相比較，其主要優(yōu)勢如表1所示。

表1 WSS注漿加固工法與三軸攪拌樁加固工法比較

2)方案技術(shù)可靠先進(jìn)，相對于初始方案，在解決場地條件受限問題的同時(shí)，加固效果更好。采用鋼套筒接收，能夠有效規(guī)避富水砂層條件下盾構(gòu)接收過程中易發(fā)生的透水漏漿地表沉降等風(fēng)險(xiǎn)，提高工程安全系數(shù)。

3)變豎向加固為水平加固，場地占用面積大大減小，現(xiàn)場熱力和燃?xì)夤芫€無需進(jìn)行遷改，較大程度的降低工程費(fèi)用和節(jié)省工期。

2.2.3 優(yōu)化方案缺點(diǎn)

相較于初始方案，優(yōu)化方案新增鋼套筒2套，施工流程加長，施工控制技術(shù)要求提高。

3 實(shí)踐應(yīng)用

3.1 注漿加固

采用環(huán)形布置，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置4環(huán)，增設(shè)1環(huán)加強(qiáng)環(huán)。注漿孔直徑42 mm，孔與孔的間距為0.8 m，注漿凝結(jié)時(shí)間20 min～30 min，壓力控制0.5 MPa～2.0 MPa。注漿時(shí)先內(nèi)圈后外圈，由上到下，其中外側(cè)兩環(huán)斜孔與水平孔角度為25°，注漿順序?yàn)橄茸⑺娇?，后注斜?見圖1)。

3.2 鋼套筒安裝

3.2.1 鋼套筒設(shè)計(jì)參數(shù)

接收鋼套筒主體部分總長9.6 m，直徑(內(nèi)徑)6 500 mm，外徑6 840 mm。共分成三段，每段3 200 mm，每段又分為上下兩個(gè)半圓。筒體采用鋼板卷制而成，由1個(gè)過渡連接環(huán)、4個(gè)筒體、1個(gè)后端蓋、后部斜撐及左、右支撐等部分組成。

3.2.2 拼接

鋼套筒拼接在完成場地標(biāo)高核準(zhǔn)后，依次進(jìn)行鋼套筒下半部和上半部分的連接；再進(jìn)行鋼套筒過渡環(huán)與洞門鋼環(huán)連接，確保密封完好性，防止接收時(shí)出現(xiàn)漏水、漏沙。

3.2.3 支撐體系

套筒的管片拼接后，進(jìn)行鋼套筒支撐體系安裝，包含套筒底部、中部、頂部以及后端部支撐。

3.2.4 密封性檢查

鋼套筒拼接和支撐體系完成后，開始向鋼套筒內(nèi)注水進(jìn)行密封性檢查，重點(diǎn)關(guān)注連接環(huán)與洞門環(huán)焊縫、環(huán)片接口處等薄弱地方。最后在鋼套筒底部60°范圍內(nèi)澆筑15 cm厚的C40細(xì)石混凝土基座。

3.2.5 填料

上述流程完成后即可向鋼套筒內(nèi)填料。填料可采用盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土，但需增加膨潤土對渣土進(jìn)行改良，使其具有一定的流動(dòng)性，能夠在鋼套筒內(nèi)緊密填充，又能保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒時(shí)平穩(wěn)掘進(jìn)。

3.3 盾構(gòu)接收

盾構(gòu)接收的掘進(jìn)分四個(gè)階段：第一階段：盾構(gòu)機(jī)刀盤距加固區(qū)100 m推進(jìn)至加固區(qū)外邊緣；第二階段：刀盤穿越加固區(qū)到達(dá)車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)；第三階段：刀盤磨樁作業(yè)破除洞門(接收端圍護(hù)結(jié)構(gòu)為800 mm厚玻璃纖維筋地連墻)；第四階段：盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒。

3.3.1 第一階段：刀盤距加固區(qū)100 m推進(jìn)至加固區(qū)外邊緣

該階段應(yīng)重點(diǎn)保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整，目標(biāo)值為水平±15 mm，垂直+20 mm～+30 mm，推進(jìn)過程嚴(yán)控速度和總推力，確保及時(shí)二次注漿，至加固區(qū)外邊緣停機(jī)檢修和確認(rèn)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。

3.3.2 第二階段：刀盤穿越加固區(qū)到達(dá)車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)

從倒數(shù)15環(huán)開始向接收端方向進(jìn)行二次注漿，漿液為水泥-水玻璃雙液漿，漿液凝固時(shí)間控制在1 min左右，以保證注漿效果。注漿采取從后向前，從底部往上部，隔1環(huán)注1環(huán)，往返反復(fù)注漿的方式，保證注漿飽滿到位。期間推進(jìn)速度在10 mm/min～20 mm/min為宜，推力小于8 000 kN，土倉壓力0.6 bar～0.8 bar，在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中土倉內(nèi)及刀盤前加注潤滑劑改良土體。

3.3.3 第三階段：盾構(gòu)機(jī)刀盤磨樁作業(yè)破除洞門

利用盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行磨樁作業(yè)，直至盾構(gòu)機(jī)破除洞門實(shí)現(xiàn)隧道貫通。

本階段應(yīng)控制推速小于5 mm/min，推力小于6 000 kN，盾構(gòu)刀具貫入度不宜超過4 mm，采用碾壓、慢磨的切割方式使玻璃纖維筋及混凝土破碎；同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測和現(xiàn)場巡視工作，并做好管片二次注漿以形成閉水環(huán)箍。

3.3.4 第四階段：盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒

盾構(gòu)破除洞門后即可正式進(jìn)入鋼套筒，待最后一環(huán)管片拼裝后，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)及時(shí)將倒數(shù)第3環(huán)以后的管片進(jìn)行二次注漿并形成閉水環(huán)箍。控制推速小于5 mm/min；推力小于4 000 kN，進(jìn)入套筒時(shí)做好姿態(tài)控制，以實(shí)際測量的鋼套筒安裝中心線為準(zhǔn)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，要求中心線偏差控制在±20 mm之內(nèi)。同時(shí)做好盾尾后方管片及時(shí)二次注漿和洞門封堵注漿。

4 效果分析

4.1 實(shí)施效果

通過方案優(yōu)化，采用WSS水平注漿加固+降水+鋼套筒接收技術(shù)，克服了場地空間受限、管線復(fù)雜難遷、富水砂層等諸多不利因素，實(shí)施過程中各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均在控制范圍之內(nèi)，有效確保了盾構(gòu)區(qū)間的順利接收。其施工速度快、安全性好、適用性強(qiáng)，為富水砂層地質(zhì)盾構(gòu)接收提供了有力的保障，取得了顯著的實(shí)施效果，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

4.2 經(jīng)濟(jì)效果

優(yōu)化方案相較于原方案，有效克服了管線遷改無路由和注漿加固場地不足的現(xiàn)實(shí)情況，合計(jì)節(jié)約造價(jià)35萬元，節(jié)省工期90 d，具體對比詳見表2。

5 結(jié)論與討論

1)本工程通過對盾構(gòu)接收方案的優(yōu)化，順利實(shí)現(xiàn)了富水砂層場地受限條件下的接收，其接收過程安全可靠，在縮短工期和控制造價(jià)上作用突出，證明WSS注漿加固+鋼套筒接 收這一組合技術(shù)的可靠性和先進(jìn)性，為類似項(xiàng)目應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

表2 方案效益對比表

2)WSS注漿加固技術(shù)具有加固方式靈活、施工機(jī)具方便和加固效果良好等特點(diǎn)，尤其適用于場地條件受限、管線復(fù)雜和富水砂層地質(zhì)，在適用性和實(shí)用范圍上也具有較大的優(yōu)勢，值得進(jìn)一步探索在其他工程背景中的應(yīng)用。

3)目前對加固方式研究較多，但進(jìn)洞接收較少，應(yīng)進(jìn)一步研究加固技術(shù)和洞內(nèi)接收組合方式的多樣性，以期適應(yīng)不同工程類型、周邊環(huán)境和水文地質(zhì)條件下的要求。