复杂场地条件下盾构进洞端头井加固技术

房安民,钱 新,王 岩

(1.北京中铁诚业工程建设监理有限公司,北京 100055； 2.北京住总集团市政工程公司,北京 100029)

盾构法隧道施工中,端头井土体加固是盾构机始发、到达技术的一个重要组成部分,也是盾构机始发、到达事故多发地带,即端头井土体加固的成功与否直接关系到盾构机能否安全始发、到达。因此,合理选择端头井加固施工工法和必要的加固措施,是保证盾构法隧道顺利施工的非常重要的环节。北京市轨道交通大兴线黄村火车站—义和庄站区间,右线盾构于2009年10月9日到达接收井,盾构到达前3个月对端头井进行了加固。由于端头井范围内存在雨水、污水、电信3条管线(图1)且端头井管线改移后回填土及地质条件极差,致使在盾构进洞时地表沉降过大及污水管线断裂,洞门发生了涌水涌砂,不仅耗费了大量的人力、物力、财力,而且工期也受到影响；左线盾构在总结右线进洞的基础上,并结合现场实际情况对端头井采取了小管棚注浆的加固方法,于2009年10月29日顺利实现了接收。

1 工程概况

北京市轨道交通大兴线01标段黄村火车站—义和庄站区间起止桩里程：DK14+874.500～DK16+746.9,区间左线长度1 863.462 m,区间右线长度1 872.057 m,总长度共计为3 735.519 m。黄村火车站—义和庄站区间工程采用2台海瑞克土压平衡盾构机施工,右线先从义和庄站始发,左线随后平行施工。

2 工程地质及水文地质概况

根据详勘报告,黄村火车站接收井土质从上至下分别为：①素填土①1层、杂填土①2层；②粉土②层、粉质黏土②1层、粉细砂②2层,土层厚度0.8～6.7 m；③粉质黏土③层、粉土③1层、粉细砂③2层、黏土③3层,土层厚度12.9～19.3 m；④粉细砂④1层、粉土④2层,土层厚度1.2～9.3 m；⑤粉土⑤1层,土层厚度1.5 m；⑥圆砾⑥层、粉细砂⑥1层,粉质黏土⑥3层,土层厚度2.0～14.5 m；⑦粉质黏土⑦层、细砂⑦1层、圆砾⑦2层,土层厚度2.1～7.8 m。

盾构隧道洞顶位于粉细砂③2,隧道结构主体地基持力层主要为③层粉质黏土和③1层粉土及③2层粉细砂,属中压缩性土。

根据详勘报告,黄—义区间地下水主要为上层滞水、潜水和层间潜水,上层滞水主要为农田灌溉所致,无稳定水位；由于层间潜水受大气降水影响较大,水位有一定的变化,变化幅度一般在2～3 m。

本区间隧道结构在地下稳定水位以上。

3 场地环境

盾构左右线端头井加固范围内有3条管线：φ300 mm污水管道、2.0 m×1.2 m雨水管沟、6孔电信管道,且污水、雨水管线均含有水,管线具体位置如图1所示。

4 盾构进洞技术难点

(1)现场管线复杂,端头井加固难度大,效果差。右线盾构进洞原设计方案为垂直旋喷桩加固,由于场地管线复杂,该加固无法正常实施,结合现场情况改为斜向单孔注浆并对管线进行保护,旋喷机器跳开管线进行加固。该加固方法旋喷桩不能咬合,管线周围存在加固盲点,浆液扩散半径小,加固效果差；

(2)隧道顶部及断面内粉细砂层较厚,密实且自稳性极差,动荷载作用下极易塌落；

(3)对右线地表塌方现场查看,端头井管线改移后回填土多为生活垃圾,稳定性极差；

(4)右线端头井失效导致左线端头井土质扰动极大,二次沉降风险较大；

(5)右线端头井污水管断裂,致使左线端头井范围存在水源,易导致洞口涌水、涌砂事故。

为了确保左线盾构顺利接收,综合考虑现场情况后,对左线盾构进洞端头井加固采用封闭洞门后在其掌子面内实施小管棚注浆方法。

5 左线盾构进洞加固方案

5.1 加固机理

在封闭的洞门圈内钻孔并插入导管,用速凝干水泥粉封堵钻孔孔口,待水泥凝结后利用注浆设备与小导管密封连接进行注浆,浆液在压力作用下充填导管、导管与钻孔间空隙、周围土层,浆液扩散半径为1.5～2 m。

导管既可以加固土体、对隧道顶部土体起到棚护作用,还可以防止在洞门凿除后隧道顶部粉细砂由于盾构动荷载作用下沿洞口与盾壳、围护结构与土体之间空隙流入接收井内,造成地表沉降较大而致使地面塌方；小导管注浆,浆液通过导管孔口进入封闭状态的被注地层(粉质黏土层、粉细砂层等),使浆液在被注地层中向四周扩散,达到充填、挤压、密实并增强土体稳定性作用；同时还可以利用小导管、浆液、土层三者间的粘结作用,更好地增强管棚的作用。

端头井加固完成后,盾构开始掘进,在盾构刀盘到达围护桩前,先不进行破洞,盾构机带压推进,待到盾构刀盘抵达洞门围护桩时,停止掘进,开始破除洞门,盾构进洞。

通过管棚及注浆的作用,可以减少拆除围护结构时振动对洞门周围土体的影响，确保在盾构进洞前围护桩破除后掌子面土体暴露状时间内(1～2 d)地层稳定；减小土体的渗透性,阻止盾构进洞前洞门与盾构、围护结构与加固土体间发生涌水、涌砂等事故；防止盾构土压建立困难造成洞门周边地层下沉、管线及掌子面坍塌等；同时要满足盾构大件吊装作业时地基承载力要求。

5.2 加固实施方案

(1)加固范围

端头井纵向加固长度沿隧道轴线方向6 m,地层土体加固深度为洞门圈周边向外约2～3 m。

(2)导管布置

在洞门圈水平中心线向上1 m、沿洞门圈周边布孔,钻孔间距25 cm,直径50 mm,角度向上8°～15°；利用钻机钻孔后插入小导管,小导管直径42 mm,长6 m,入土深度约5.8 m,露出约0.2 m与洞门圈焊接；共计32个导管。如图2、图3所示。

图2 小管棚注浆加固平面(单位：m)

图3 小管棚注浆法加固剖面(单位：m)

(3)施工材料

①加固设备：钻机、搅拌机、空压机、注浆泵、管线、储浆桶及各种材料；

②导向管：导向管长度6 m,外径42 mm,壁厚3.5 mm钢管,一端焊接内径25 mm的外丝。

(4)钻孔注浆顺序

在完成所有钻孔、导管插入钻孔及孔口封堵完成后,根据地质情况采用先上后下、由内至外、跳孔注浆的加固原则对每个导管注浆。

(5)注浆压力

注浆压力控制在0.5～1.0 MPa,注浆时要严格控制注浆压力,并根据现场实际情况适当调整,防止地层隆起破坏管线。

(6)注浆参数

注浆浆液的水泥浆水灰比为0.5∶1,水玻璃浓度为20～25 Be′,水泥浆和水玻璃体积比为3∶1。实际注浆过程中根据注浆量及压力的变化可适当调浓度,以确保施工质量,同时施工过程中做好施工记录。

(7)注浆结束标准

按设计达到注浆压力,在注浆设计终压下持续30 min,且进浆量明显减少。

(8)注浆孔检测

注浆结束后,按设计要求打设检查孔进行检测,沿洞门加固体范围内打设水平探孔,孔深5 m,观察分析加固效果,经检查注浆效果达到设计要求后即可凿除洞门,盾构开始进洞。

(9)注意事项

①机械钻孔外插角必须严格按照技术交底施工,保证注浆管外插角度；

②洞门圈内挂网喷混凝土厚度必须满足要求,使其成为止浆墙封闭注浆的浆液以防漏浆；

③各孔注浆时应间隔跳孔进行,以保证浆液扩散效果；

④严格控制注浆量和注浆压力,在注浆时加强地面、管线监测,防止地表及管线沉降或隆起超标。

5.3 加固效果

通过对左线端头井实施小管棚注浆法的地层加固措施,并在施工中切实落实各项保障措施,地表最大沉降控制为9.14 mm,管线最大沉降为4.48 mm,远小于设计控制的沉降量：地面沉降/隆起30 mm,管线沉降/隆起20 mm。

6 小管棚注浆法施工相应保证措施

6.1 安全质量保证措施

(1)工程施工前,认真做好技术交底并对施工管理及操作人员培训；

(2)注浆泵应全面检查和清洗干净,防止泵体的残渣和铁屑存在,各密封圈完整无泄漏,安全阀中的安全销要进行试压检验,确保能在额定最高压力时断销卸压；

(3)压力表应多次检查,保证正常使用,并要求将压力表检测证书送项目部试验室；

(4)司钻人员需熟练操作技能,了解注浆全过程及钻机注浆作用；

(5)严格控制注浆量和注浆压力,地表要埋设观测点,在注浆时加强地面和管线的监测,防止地表隆起影响路面及上部管线等；

(6)做好施工记录,操作人员严格按照技术交底施工。

6.2 应急处理预案

(1)施工前详细了解施工场地情况,查明各管线的详细资料,详细记录钻孔过程中导管穿越的地层,并做好相应的应急措施；

(2)准备好应急物资,包括：水泥2 t,砂5 t,速凝剂,碎石10 t,4寸污泥泵4台,2寸污泥泵2台,铁锹20把,蛇皮带500个,木板,钢管支撑若干,锚喷机,风炮,空压机,注浆泵,照明灯等；

(3)成立风险管理及应急事件处理机构,从组织、方案、人员、设备物资等全方位予以保证,确保其处于受控状态。在发生问题时各相关单位及人员能够及时有效的进行处理,将事故所造成的损失及不良影响降低到最低限度。

7 结论及展望

本工程盾构左线在施工场地条件复杂、采取常规加固方法(注浆加固、深层搅拌桩、旋喷桩)效果达不到设计要求下,在洞门掌子面内采取小管棚注浆法,与盾构右线相比,有如下优点。

(1)施工工期

盾构左线小管棚注浆法从2009年10月20日开始施工,截止到2009年10月29日,左线盾构安全顺利进洞,相比盾构右线采用的旋喷桩及斜向单孔注浆加固节省了5 d工期。

(2)工程成本

与盾构右线端头井采用旋喷桩及斜向单孔注浆加固相比,盾构左线小管棚注浆法方案节约工程成本40%左右。

(3)施工效果

盾构左线端头井小管棚注浆法在场地特殊情况下的加固,有效地控制了地面及管线的沉降,并确保了盾构安全顺利的接收,为今后类似工程提供了宝贵借鉴。

左线盾构进洞期间,部分粉细砂从洞门与盾壳、围护结构与土体间空隙进入接收井,后在管棚上用沙袋及木板封堵,确保了盾构安全进洞。总结左右线盾构接收经验,盾构进洞洞门与盾壳应采用由橡胶帘布、折形压板、垫片和螺栓等临时密封装置封堵；围护结构与加固土体间应加强旋喷桩加固,确保界面的密贴,保证土体的稳定性。

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