水平深孔注浆在地铁盾构端头加固中的应用

段志宏

(中铁十三局集团第二工程有限公司,广东深圳 518000)

在软土地区的盾构施工中,端头土体加固是施工中的重要环节,也是施工控制的重点。端头加固作为一项临时工程,其目的就是保证盾构机安全顺利地始发或者到达,因此要求加固后的土体在端头井围护结构凿除后能有良好的自稳性、防水性、匀质性[1～4]。进出洞施工的事故发生,主要是防水措施失败导致。其中加固土体的防水性达不到要求,盾构进出洞时易引发涌水、涌砂,导致事故发生。端头井加固的方法很多,如注浆加固、深层搅拌桩加固、旋喷桩加固、冻结加固等。每种方法有其自身的优缺点和适用范围,只有根据土层和周边环境选择合适的加固方法,才能达到满意效果[5～7]。目前国内常用的端头加固方式为在端头地面往下施做旋喷桩的方法,本文在对端头加固方式作适当比选的基础上,探讨采用水平深孔注浆加固方式的加固效果及其实用性。

1 工程概况

以深圳地铁某盾构区间施工为背景,研究富水、含砂地层中的端头加固施工工艺。根据现场开挖地质,本工程车站端头隧顶埋深 9.85m,盾构隧道的隧顶、隧底均位于砂性地层中,其上部 1.8m处于 3-3砂层中,下部 2m范围处于 5-2砂层中,隧道中间土层为 5-1黏土。车站端头的地质情况如图1所示。

区间线路穿越段为大沙河下游入海口段,入海口河水受海洋潮汐影响,涨、落潮水位差为 1～2m,河水流速受洪水和潮汐影响也较大,潮汐对河流的影响主要表现在潮水对河水的顶托作用,增强河口地区的淤积,使河口水位升高,加重了洪水和咸潮的威胁。

图1 车站端头地质横断面

2 加固方式比选

盾构隧道端头加固方式的选择是在满足安全可靠的前提下,充分考虑施工场地、施工速度和施工成本,综合比较而得出的。加固方式安全可靠的依据是,洞门破除后能有效地抵挡洞门处的水土压力,能有效地封堵洞门围护结构侧的渗水和易破除加固体。

针对现今传统加固方式的应用情况来看,冻结法加固方式存在成本高、场地大等缺点。因此将旋喷桩加固及注浆加固作为候选方案。

2.1 旋喷桩加固

传统旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头置于桩底设计高程,将预先配制好的浆液,通过高压发生装置使液流获得巨大能量后,经过注浆管道从一定形状和孔径的喷嘴中高速喷射出来,形成一股能量高度集中的液流,直接冲击破坏土体。喷射过程中,钻杆边旋转边提升,从而使浆液与土体充分搅拌混合,便在土中形成一个有一定直径的柱状固结体,从而使土层得到加固。

在含水较大、渗透系数较大的砂层中施工旋喷桩时浆液容易被水流带走。在渗透系数较小的黏土层中施工时浆液不能与黏土混合,冒浆量很大,而不能与土体充分搅拌混合,不能形成一个有一定直径均匀的柱状固结体,很难达到止水固砂的目的。

2.2 注浆加固

注浆加固是用水泥 -水玻璃双液浆通过双液注浆泵、注浆孔道均匀地注入土体中,以填充、渗透和挤密等方式,驱走砂层和黏土颗粒间的水分和气体,并填充其位置,通过水泥中所含矿物与土体中的水土分别发生水解、水化反应以及团粒作用等,形成悬浮胶体和团粒,硬化后形成强度大、压缩性小和抗渗性高、稳定性良好的水泥土。同时双液浆本身胶凝时间短,在处理含水较大、渗透系数较大的砂层时能更好的、及时的加固止水。

水泥土结硬后,土体的孔隙率和含水率降低,密度加大,同时由于水泥土挤压土体,使土体变形能力增加,提高了变形模量,从而防止或减少洞门端头土体坍塌。土体孔隙率降低后还提高了土体的抗渗能力,减少地下水和周围水系对端头土体的水波动压力影响。

注浆加固可以很好地弥补旋喷桩在含水量大、渗透系数大的砂层中成桩困难,难以达到加固效果的缺点,从而达到土体加固的作用。

2.3 加固方式确定

鉴于旋喷桩加固方式在富水、含砂土层中施工质量得不到保证,选取注浆加固作为端头加固方式,并在加固区外围施做两排旋喷桩作为辅助措施,提高加固区整体性及止水性。

端头加固范围重点为洞门后方土体,纵向长度为8m。为提高加固施工的精度,拟采取洞内全断面水平深孔注浆方式。

3 水平深孔注浆设计参数及施工

3.1 注浆管布置

本工程注浆管采用 φ42mm、壁厚 3～4mm的无缝钢管。洞门全断面内注浆管布置如图2所示。

图2 注浆管布置立面(单位:m)

注浆管埋设长度、角度如表1、图3所示。

表1 注浆管参数

图3 注浆管角度布置(单位:m)

3.2 浆液配比

水平深孔注浆采用水泥-水玻璃双液浆。水泥浆配比为 1∶0.75,水玻璃浓度 30～35Be′。水泥和水玻璃的体积比为 3∶1,具体配比根据注浆时的具体地质状况调节。

3.3 注浆压力

注浆压力与地层的密度、强度和初始应力、钻孔深度、位置及注浆次序等因素有关。由于端头位置处于砂性地层,主要为粉细砂及中砂,根据深圳地区粉细砂地层双液浆注浆经验,考虑到注浆管压力损失,结合现场试验结果,注浆压力控制在 1.0～2.0MPa,容许注浆压力为 2.7～3MPa。

3.4 施工机具

主要机具包括 YT-24～28风动凿岩机、ZTGZ-120/150型注浆泵、管路、储浆桶以及应急材料等。

3.5 施工工艺流程

(1)导向管、止浆墙施工

注浆工作开始之前,按注浆角度和位置布设图,在连续墙上进行导向管开孔施工。开孔直径 120mm,采用钻孔取芯机进行施工,钻孔深度 30cm。用快干水泥植入导向管,待快干水泥凝固后,在连续墙外侧立模,浇筑 30cm厚的 C30混凝土作为止浆墙。

(2)钻孔

采用风动凿岩机从止浆墙上埋设的导向管进行钻孔,成孔直径 50mm。

钻孔过程中若遇涌水、涌砂现象,则立即将注浆软管与盲板连接,用螺栓与导向管法兰盘连接后注入水泥水玻璃双液浆。如未出现涌水、涌砂现象,则钻深 8 m后进行注浆。钻杆顶进时,注意保护管口不受损、变形,以便与注浆管路连接。

(3)注浆

注浆时,采取低压力中流量注入,注浆过程中压力逐步上升,流量逐渐减少,当压力升至注浆终压时,继续压注 5min,即可结束注浆。注浆时通过控制注浆压力控制注浆量。当注浆压力较小而注浆量较大时,增大水泥浆的浓度,直至终压达到 3MPa,持续注浆至设计孔位深度。最终注浆控制以注浆压力为控制标准,达到容许注浆压力即停止注浆。

(4)施工记录(表2)

以 12号、14号、15号孔为例,记录施工时钻孔及注浆情况,即钻孔过程中的地质变化情况、注浆量、注浆压力。

表2 施工记录

4 应用效果评价

为检验水平深孔注浆加固效果,采取竖向取芯及洞门内水平取芯进行检测。

(1)竖向取芯检测

在砂层中,特别要注意加固体连续性和整体性是否良好,故根据加固体抽芯情况,目测判断加固体是否连续、强度可否满足设计要求,图4为取芯样品。通过试验判断加固体强度、抗渗性能达到设计要求。

图4 取芯样品

(2)水平取芯检测

沿洞门内加固体范围内打 4个水平探孔,观察渗水情况。同时将 28、29、30、31号孔作为检查孔。结果表明,探孔及检查孔并无渗水情况,加固质量可靠。

(3)端头钢筋破除后掌子面情况

图5为端头钢筋破除后掌子面情况。从剥离后洞门掌子面情况明显看出,整个洞门掌子面已经被双液浆充填,砂层部位也被双液浆挤压密实,注浆取得了圆满成功。

图5 端头钢筋破除后掌子面情况

(4)施工重难点分析

结合本工程的实践,施工重点控制为加固的均匀性、保证加固效果,避免盾构始发过程中的漏水流砂事件的发生。难点为注浆的控制,包括浆液配比的调试、注浆压力、注浆量的控制。

5 结语

通过水平深孔注浆施工,成功对洞门后方土体进行加固,并成功出洞。通过本端头加固工程的实施,主要得到以下结论。

(1)通过工程实践表明,水平深孔注浆加固方式可应用于富水、含砂土层的加固,并取得了较好的效果。

(2)水平深孔注浆加固采用水泥 -水玻璃双液浆,浆液凝结时间短,且凝结性能好,使得加固土体有较好止水性。

(3)该注浆加固方式特别适应于地表不具备注浆条件及存在地下管线的情况。

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