动压富水砂层盾构换刀区加固技术

王迎新

(中铁六局集团盾构分公司,北京 100036)

砂层换刀是盾构施工一大难题也是盾构施工主要风险之一,填海区动压富水砂层尤甚。根据具体地质情况,传统的砂层换刀一般采用带压进仓或是冻结法或是地面旋喷桩加固。本工程位于填海区,并且受深圳特殊的燕山晚期侵入岩风化程度不一影响,加之停机位置地面处于沙河高尔夫球场内，工程施工过程中尝试进行带压进仓,地面渗漏量太大,未能成功；冻结法、费工费时且现场也不具备场地条件；旋喷桩受动水及流砂侧压力影响普遍缩径。本工程创造性地采用小型桩进行注浆帷幕施工,再对帷幕内部区域进行袖阀管注浆加固,成功实现了常压进仓换刀。

1 工程概况

深圳地铁2号线某标标段科—红盾构区间右线盾构机在掘进至640环(此位置地面位于沙河高尔夫球场一球道内,距离刀盘前方20 m为宽约120 m的人工湖,此位置距预定加固区还有200多米距离)时,刀盘扭矩逐渐变大,综合盾构机掘进参数分析,判断刀具磨损已经严重。根据岩土勘察报告及深圳地区类似地层施工经验判断,前方地层遇到孤石或基岩隆起的概率较大,尤其是还要通过近120 m的人工湖段存在基岩隆起的可能,风险较高,为避免出现湖下停机开仓,必须就地停机检查更换刀具。

隧道穿越区域原始地貌为大沙河三角洲相及海滩,场地经过吹砂、填土修筑,地面有大沙河及3处人工湖,水深约2～3 m,与海水有良好的水力联系,地下水位及流向受潮汐影响非常大。

此处盾体埋深16.23 m,地质剖面如图1所示,盾构机刀盘所在断面自上至下地层情况是：

①1素填土 主要由黏性土混少量砂砾组成,局部夹有碎块石,结构松散,层厚6.5 m；

③1素填土 主要由黏性土混少量砂砾组成,层厚1.37 m；

③2淤泥质黏土 软塑为主,局部流塑,层厚5.68 m；

⑤2砾砂 主要成分为石英质,混黏性土约10%,饱和,松散～稍密,层厚6.05 m；

⑧3砾(砂)质黏土 由下伏粗粒花岗岩风化残积而成,原岩结构可辨,多为硬塑状。

图1 地质剖面

停机位置盾构机刀盘上部处于砾砂层之中,下部为砾质黏土层,砾质黏土地层在无水的情况下具有一定的自稳能力,但是砾砂质地层颗粒级配差、黏性颗粒含量少、结构松散。从区域地质状况分析,⑤2砾砂层乃是主要的地下水补给通道,直接与海水贯通。

由于特殊的场地环境,工程施工技术方案、设备配置、工期控制等都受到严重的制约。

(1)基岩段所处地面沙河高尔夫球会是中国十大高尔夫球会之一,进行场内地面施工将对球会的运营环境、形象造成较大影响,场地协调的难度非常大。

(2)由于受到高尔夫球场内环境、道路保护及工作时间管理、物资材料进出等诸多限制,工程可供选择的加固工艺、机具设备都受到极大的限制。

(3)工程所处场地为填海区,周边地质情况复杂多变,尤其是地下水与海水贯通属动水,渗透系数大且直接受潮汐涨落影响,地层加固工艺、浆液配比等需要根据外界情况及时调整。

2 施工方案

砾砂层稳定性差,极易出现塌孔、缩径的情况,通过在距离刀盘前方2.17 m、刀盘后方2.83 m,盾构机左右两侧各1.5 m的矩形区域内施工小型注浆桩对拟加固区与周边砂层进行强制隔离,并在小型桩封闭的矩形区域内部靠近桩体部位进行袖阀管注浆,最终形成加固注浆的帷幕。再从加固区域周边向中间进行袖阀管注浆。加固区平面布孔如图2所示。小型桩和袖阀管注浆在盾构机周边的钻孔至隧道底板以下1.5 m,在盾构机上部的钻孔至盾壳,钻孔深度如图3所示。

图2 注浆加固平面布置(单位：mm)

图3 盾构机上部钻孔剖面(单位：mm)

由于是在盾构机停机状态下对盾构机刀盘周边进行原位加固,必须充分考虑盾构设备的安全,在地面进行注浆加固前需要对盾体周边及土仓内注入足量的保护材料,防止盾构机受困或是密封损坏。

2.1 小型注浆桩施工

(1)小型桩施工工艺流程

桩孔定位→桩机就位→钻孔→清孔→拔钻杆→插注浆管→注清水→压力注浆→桩头处理。

(2)小型桩施工工艺

先根据设计图纸进行现场放线,定出详细孔位并进行现场标识,再采用MGJ-50型锚杆工程钻机成孔并及时下管,最后注浆成桩。施工过程中由于地质条件比较恶劣,由上至下地层依次为填土层、淤泥层、砂层、砾质黏土层,土体稳定性差侧压力大。为了保证成桩质量避免此类地层常见的缩径和塌孔现象,除了在钻孔过程中采用高质量的泥浆护壁以外,采用φ220 mm钻头钻孔,成孔以后立即下φ160 mmPVC管确保强制成桩。注浆工序在下管完毕后及时进行,将注浆管下至PVC管底,启动注浆泵边注浆边拔管,直至由PVC管口返出纯净水泥浆液。

①桩机就位

钻孔机采用MGJ-50型锚杆工程钻机,根据工程要求配备φ220 mm各型钻头。就位前,首先将现场垫实整平,并根据桩位铺设钻机的行走轨道。

②钻孔

开钻后,通过调整钻机动力头输出的转速的变化来适应地层的变化,使钻进过程中机身平稳。为防止塌孔,现场设泥浆池,配制泥浆。钻进过程中,由钻杆充入,进行泥浆护壁。在现场挖两个规格3 m×3 m×1.5 m的泥浆坑,将钻孔冒出的泥浆排入泥浆坑,夜间通过罐车运出。

钻孔作业中,碰到大块孤石或是基岩,应将钻头由筒式钻头换成金刚石钻头进行钻孔。

③清孔

钻机达到设计深度后,将钻杆提起200 mm左右,注入清水开动钻机空钻,进行清孔作业,到孔中流出的泥浆比重小于1.2为止,从而达到置换泥浆清孔的目的。

④插注浆管

清孔后逐节拔钻杆,插入注浆管。注浆管的出浆口必须下至孔底。

⑤注浆

注浆采用32.5级普通硅酸盐水泥,注意搅拌罐中严禁有杂物及硬块,最后进行注浆,直到比较纯净的水泥浆连续溢出孔外为止。

(3)小型桩施工质量控制

小型桩的作用主要在于能将砾砂层强制隔离,保证帷幕区域内部袖阀管注浆加固浆液不外窜,其施工质量控制主要从平面位置、桩体倾斜度、深度以及桩体强度来进行控制。

(4)小型桩施工控制要点

①钻机定位准确,严格按质量控制要求调平,避免造成成桩歪斜,无法有效形成帷幕。

表1 小型桩质量控制标准

②成孔过程中应添加高质量的泥浆,保证成孔质量,防止塌孔导致后期下管困难。

③注浆过程应确保注浆管触及孔底,缓慢提管,将孔底浮渣排除,完成桩体注浆后应将注浆枪头插入PVC管周边继续注浆,直至桩周边开始返浆。

2.2 袖阀管注浆施工

(1)袖阀管注浆施工工艺流程

钻机就位→钻孔护壁→清孔→浇筑套壳料→安装袖阀管→固管止浆→开环灌浆→后备注浆。

(2)袖阀管注浆施工工艺

①钻机安装

底座水平,机身稳固可靠。移动钻机,调整钻机高度,将钻杆下至地面预定钻孔空标志处,用水平尺及量角器校正钻机水平及钻杆垂直度。

②钻孔护壁

采用纳基膨润土配制稀泥浆护壁,比重1.15～1.2。当出现漏泥浆、返清水或是孔内塌孔卡钻时可适当加大泥浆比重,严重塌孔时用φ108 mm套管护孔,待孔内注入套壳料并下入袖阀管后,才将φ108 mm套管提出孔外。在钻孔过程中严格做好过程记录,尤其是返浆情况,以供注浆作业参考。

③清孔

连接注浆管,用注浆泵向孔内泵送大量清水,将孔内的泥浆和沉渣冲出孔外,直至孔口返出清水。

④浇筑套壳料

钻孔至设计深度并洗孔后,立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底,自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。

⑤安装袖阀管

依次下入按注浆段配备的袖阀花管和芯管,袖阀管采用φ48 mm成型袖阀管,下管时及时向管内加入清水,克服孔内浮力,顺畅下入至孔底。

⑥固管止浆

在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙处下入注浆管,在孔口上部2 m孔段压入止浆固管料,直至孔口返浆为止。止浆固管料配比为水泥∶膨润土∶水=1∶1.53∶1.94。孔口段采用水玻璃作速凝剂,缩短凝固时间。

⑦待凝

要待孔口段止浆料凝固后才能灌浆。待凝时间控制在2～3 d以内。

⑧开环灌浆

灌浆的前期阶段,使用稀浆(或清水)加压开环。在加压过程中,一旦出现压力突降,进浆量剧增,表示已经“开环”。开环后即按设计配比开始正式注浆。正常注浆阶段采用水泥水玻璃双液浆,根据现场进浆情况动态控制配比,参考水灰比1,水泥浆∶水玻璃(30 Be′)=3∶1～10∶1。

⑨终灌标准

a.当注浆压力≥2 MPa,吸浆量<15 L/min,稳定时间30 min；靠近盾构机两排袖阀管注浆压力要求控制在1 MPa以内。

b.发生窜浆或浆液漏失严重时,立即停止注浆。

⑩后备注浆

每孔注浆完毕后,用φ20 mm水管插入袖阀管内,泵入清水把袖阀管内残留水泥浆冲洗干净,以备复注,管口用胶布封上,以备必要时进行重复注浆。

(3)袖阀管注浆的施工技术要点

①套壳料浇筑的好坏是保证注浆成功与否的关键,它要求既能在一定的压力下压开填料进行横向注浆,又能在高压注浆时,阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表。套壳料要求其脆性较高,收缩性要小,力学强度适宜,既要防止串浆又要兼顾开环。套壳料采用膨润土和水泥配制,配比为水泥∶膨润土∶水=1∶1.53∶1.94,浆液密度约为1.2～1.3 g/cm3,漏斗粘度26 s。根据工程中的要求,套壳料凝固时间和强度增长速率应控制在2～5 d内可灌浆,本工程实施过程中待凝时间基本在2 d左右。

套壳用量(m3)=1.3×π×(钻孔半径2-袖阀管半径2)×注浆段最高度。

②注浆采用32.5级复合硅酸盐水泥,浆液水灰比采用1.0、0.8、0.7共3个比级,注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。

③现场要求注意注浆顺序和间歇的控制,每次都必须跳开一个孔进行注浆,以防止发生窜浆现象；全孔段注浆完成后,间歇一段时间再进行第二次注浆,间歇时间控制在10～30 min。

(4)压力注浆时的监测措施

在注浆过程中,要密切监测球场草坪、地面等的沉降情况,如发现有明显的上抬趋势或是漏浆情况,应立即停止注浆。发现冒浆、漏浆,应根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

3 结语

图4 加固前后芯样对比

填海区土质松散,地质情况复杂多变,地下水受潮汐影响大。此类动压富水砂层注浆加固施工难度大,成本高,尤其是难以控制注浆范围。在地面施工条件受到极大限制难以采用高大设备和运输大宗物料的情况下采用小型水泥注浆桩进行帷幕施工,强制隔离拟加固区域并在帷幕内部区域进行袖阀管注浆。本工程加固前后钻孔取芯对比如图4所示,工程实施取得了预期的效果,确保了常压开仓换刀施工安全。对比类似工程常用的旋喷桩、冻结法或是单纯的袖阀管注浆不仅成本相对较低而且工期可以大大缩短,本技术的成功运用可以为类似工况地层加固提供借鉴。

[1] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2] 鞠世健,竺维彬.复合地层中的盾构施工技术[M].北京:中国科学技术出版社,2006.

[3] 竺维彬,鞠世健,史海鸥.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究[M].广州:暨南大学出版社,2007.

[4] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[5] 杨海鸿.砂卵石富水地层注浆加固技术[J].山西建筑,2007,33(7):333-334.

[6] 铁道第一勘察设计院.工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社,1999.

[7] 于书翰,杜谟远.隧道施工[M].北京:人民交通出版社,2000.

[8] 程 晓,张凤祥.土建注浆施工与效果检测[M].上海：同济大学出版社,1998.

[9] 赵 明.地铁隧道施工质量控制[M].北京：机械工业出版社,2005.

[10] 崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京:科学出版社,2005.