软土地层盾构穿越密集房屋群水平定向注浆加固技术

刘国栋， 袁冯丹， 许 超

(中交第二航务工程局有限公司工程装备分公司， 湖北 武汉 430014)

0 引言

随着我国地铁建设的大规模开展，盾构法以其安全、快速、对周围环境影响小等优点，在城市轨道交通建设领域得到广泛应用[1]。地铁盾构隧道穿越城市密集区的频率越来越高，且沿线一般存在大量建(构)筑物。盾构在敏感软弱地层中施工会对土体产生扰动，极易造成建(构)筑物不均匀沉降，甚至开裂、倒塌[2]。

目前常用的盾构下穿建(构)筑物加固技术有建(构)筑物及其基础预加固技术[3-7]和袖阀管跟踪注浆加固技术[8-11]。李树武等[12]选用扩散式倾斜钻杆回抽注浆法对隧道土体进行注浆加固处理； 汪珂等[13]依托西安地铁4号线区间隧道下穿和平门古城墙工程，采用袖阀管注浆加固及门洞钢拱架支护等方法对城墙进行加固处理； 吴昌将等[14]针对盾构侧穿邻近古建筑物，采用MJS预注浆加固，并对加固效果进行研究； 欧阳林等[15]采用高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法对路基进行加固。以上研究取得了一定成果，但受环境、技术等条件的影响，均存在一定的局限性： 双液浆加固浆液凝固时间短，渗透范围小，难以形成均匀的加固体； MJS预注浆加固效果好，但造价较高； 袖阀管及高压旋喷注浆设备难以进入房间距狭小地带作业。此外，上述技术还存在占用道路、城市地面二次破坏严重、接茬部位薄弱等弊端，施工易受地表建筑物及地下管线位置的影响，且施工过程中对居民生活影响严重。

鉴于此，本文以广州地铁14号线1标盾构下穿姓钟围房屋群为背景，将地面注浆技术与定向钻孔技术相结合进行水平定向注浆加固。通过埋设预制钢阀管，既可以克服地面建筑物和市政管线等的阻碍，实现对渗透性较好的砂卵层、岩层破碎带及渗透性较差的黏性土层等软弱地层的超前预加固和盾构推进过程中的跟踪注浆，同时兼具管棚支护的效果，加固效果可靠。而且该技术可远离加固地点进行作业，有效避免社会人员对施工的干扰，可为解决轨道交通建设过程中穿越密集房屋群工程提供参考。

1 工程概况

广州市轨道交通14号线1期工程1标段邓村站—江埔站区间盾构隧道下穿姓钟围房屋群(村民自建房)，房屋1—7层不等，基础均为条形基础，埋深1.5～3.0 m，抗变形能力较差。姓钟围区域地层自上而下依次为〈1〉人工填土、〈4N-2〉可塑黏性土、〈3-1〉粉细砂、〈3-2〉中粗砂、〈3-3〉砾砂、〈7-1〉强风化砂砾岩、〈8-1〉中风化砂砾岩、〈9-1〉微风化砂砾岩。

盾构隧道穿越的主要地层为〈3-2〉中粗砂、〈3-3〉砾砂、〈7-1〉强风化砂砾岩、〈8-1〉中风化砂砾岩。其中，〈8-1〉中风化砂砾岩所占比例达到50%，岩石平均强度为20 MPa，最高强度为28 MPa，该段为典型的上软下硬地层。注浆加固的目的层位为〈3-2〉中粗砂层和〈3-3〉砾砂层。

2 水平定向钻孔注浆加固技术

2.1 设计方案

如图1所示，姓钟围建筑群B-17—B-24建筑物左侧共布置4个钻孔。2#、3#钻孔钻探至B-19建筑物，加固B-17—B-19房屋基础； 1#、4#钻孔分别沿右线隧道边线及顶线钻进，钻探至B-24建筑物，加固右线隧道开挖轮廓以外的土体，提高其强度和自稳能力。水平定向注浆加固技术如图2所示，各钻孔长度如表1所示。

图1 注浆钻孔平面布置图Fig. 1 Plan of layout of grouting drilling holes

图2 水平定向钻孔注浆加固示意图

Fig. 2 Sketch of horizontal directed drilling and grouting reinforcement

表1姓钟围水平定向钻注浆钻孔长度

Table 1 Lengths of horizontal directed grouting holes at Xingzhongwei section m

孔号造斜段长水平段长总长1#60.053.0113.02#50.020.070.03#61.220.081.24#68.060.0128.0共计239.2153.0392.2

2.2 加固范围

注浆水平范围与注浆孔布置、地层特点、注浆参数等相关。根据以往工程经验，浆液水平方向扩散距离取3 m，垂直方向以隧道顶线向上偏移3 m为钻孔中心，钻孔具体位置需要根据现场情况调整。

3 水平孔钻探工艺

3.1 管线探查

在施工前，采用开挖探槽和管线探测仪，探明管道的具体位置及延展方向，结合施工蓝图，分析管线的影响范围。在保证加固效果的前提下调整施工孔位和施工角度，必要时申请管线改迁。

3.2 钻探设备

选用TDX150钻机，该钻机采用全液压驱动，履带行走； 尺寸为17 600 mm×3 100 mm×3 350 mm，最大推进回拉力为1 500 kN，最大推进回拉行程为13 m。动力头采用低速大转矩马达驱动，2档无级调速，结构简单可靠； 齿轮齿条推拉给进系统，运动平稳可靠； 桅杆可在0～25°调整钻机入土角度，并可前后移动； 整机重心低，稳定性好。配有起重能力为3 t、可360°旋转的随机辅助吊车。

3.3 钻进泥浆

针对姓钟围房屋群基础下伏砂层(〈3-1〉粉细砂层、〈3-2〉中粗砂层、〈3-3〉砾砂层)结构松散、地下水位高的特点，选择膨润土水基钻井液，泥浆主剂采用钻井优质膨润土，加重剂采用重晶石粉，其他添加剂包括广谱护壁剂、防塌防卡剂、地层增压剂、纯碱、植物胶等。钻探泥浆材料、泥浆配比及添加剂量如表2所示。

表2 泥浆材料、配比及添加剂量对应表Table 2 Materials and ratios of mud and additive dose

3.4 水平钻孔测斜定向工艺

3.4.1 随钻测斜及施工

本工程采用泥浆脉冲式无线随钻测斜仪，钻进过程中及时测量井眼倾角、方位角和工具面角等参数，并通过泥浆脉冲形式将数据发送到地面，经地面控制系统分析处理后，得到实时的井眼轨迹参数。钻机司操人员根据分析结果实时调整钻进角度，实现造斜段与水平段钻进的转变，为水平孔的钻进质量提供保证。

3.4.2 定向施工

本工程定向纠斜设备采用φ153 mm导向钻头和螺杆钻具。开孔软土层采用导向钻头。导向板以一定斜度安装在钻头前端，其工具面方向角等分为12份，在方向力作用下，钻杆推进时造斜。

转向纠偏时换用螺杆钻具定向施工，根据无线随钻测斜仪数据，地面钻机调整钻头斜度向设计轴线方向靠拢，地面钻机停钻，通入钻进泥浆至螺杆钻具以驱动钻头旋转钻进，从而实现定向。本工程开孔时即标明钻孔走向，钻机回转轴线与钻孔设计方位线基本重合，方位角控制相对容易。开孔入土角约15°(顶角75°)，为实现水平钻进(顶角90°)，造斜段增斜角度为15°。

3.4.3 特殊工况处理

3#孔采用导向钻头开孔，钻进至20 m位置(垂深5.17 m)左右，遭遇硬质地质体，排除管线及房屋基础、桩等情况。钻进中发现导向钻头进尺异常缓慢，起钻发现导向板磨损严重(见图3)，换用牙轮钻头(见图4)钻进，钻进速度明显提高。

考虑钻进层段砂层分布不均匀，且地下水丰富，钻孔施工时极易塌孔埋钻，因此在注浆段采用钻注结合的方法施工。基于套管段，每钻进9 m进行1次注浆，以将该段地层进行预加固，直至钻注至设计孔深位置。

图3 导向钻头磨损情况Fig. 3 Wear of guide bit

图4 牙轮钻头Fig. 4 Cone bit

3.5 注浆管下放及环形空间充填

3.5.1 套管下放及固管

开孔时，采用φ153 mm导向钻头钻进9.0 m后，换螺杆钻具继续钻进2～3 m，下入φ133 mm×8 mm套管，待确定套管下至设计深度后，在套管内下止浆塞，止浆塞一般下至距套管底部3～4 m处，检查止浆效果，注入早强复合水泥浆固管。待套管外缘返出浓浆后，即停止注浆，再定量压入清水。6～8 h后起塞，12 h后扫出套管内距底部1.0～1.5 m以上的水泥浆，继续养护24～36 h，扫孔至原深，进行套管内压水试验(压力2 MPa左右)，套管外不返水并达到固管质量要求后，认为固管合格，否则继续固结。

3.5.2 注浆阀管下放

钻孔至设计深度后，应立即清理钻孔，适当加大泵量，进行冲孔，携出井底砂粒及大颗粒钻屑。待井口返浆中无明显岩粉时，进行泥浆调整，加大泥浆相对体积质量和黏度，防止岩粉沉淀及塌孔堵塞钻孔，造成阀管下放困难。

泥浆调整完成后即可提钻，提钻过程中严格控制上提速度，避免提钻引起的“负压”抽吸效应诱发塌孔。同时还需对注浆阀管进行预处理，主要包括： 1)清理套管中的铁屑，检查两端丝扣的质量，除去毛刺；2)检查阀管环槽质量，将环槽打磨光滑，涂加润滑油，并套上密封橡胶套。

提钻及阀管预处理完成后，准确丈量钻具，校正孔深，按轨迹配备阀管，采用斜孔导向钻机进行套管逐段连接并按顺序下放。

注浆阀管结构如图5所示，同样分为造斜段和水平段2部分。造斜段不注浆，采用普通钢管； 水平段需进行定位注浆，采用φ108 mm×8 mm单向注浆阀管。阀管上每隔50 cm加工1条环槽，设计花眼，然后套上橡胶密封套，阀管间采用丝扣连接。

图5 注浆阀管结构Fig. 5 Overall structure of grouting valve pipe

3.5.3 环形空间充填

注浆阀管下放至设计位置后，应立即采用充填材料进行注浆阀管环形空间充填。充填材料既要满足固管止浆的强度要求，又能被浆液压力击穿渗入地层实现加固目的。经过多次试验，本工程配制饱水砂层环形空间充填材料，满足泵送要求，析水率在5 %以下、初凝时间为0.5～1 h、终凝时间为6～10 h、早期强度为1.0 MPa。充填步骤包括：

1)将φ50 mm钻杆连接止浆塞下至离管底1～2 m，拉塞止浆。

2)压注凝结材料，直至孔内泥浆全部上返。

3)待孔口返出纯充填材料后，压少量清水替换钻杆内充填材料，闷压1～2 h，提出孔内钻杆，下钻扫孔，环形空间充填结束。

3.6 地面预注浆施工

注浆浆液以水泥黏土浆和单液水泥浆为主。注浆设备包括制浆系统、注浆管路、定位止浆塞和注浆泵等。注浆管路包括高压胶管和φ50 mm钻杆； 止浆机具为水力式定位止浆塞； 注浆泵采用NBB-390泵，该泵为卧式三缸单作用活塞泵； 采用气胎离合器，使用和维修方便，操作简单。

3.6.1 注浆材料

注浆材料主要包括复合水泥浆和黏土水泥浆。

复合水泥浆配比如表3所示，添加剂包括食盐、三乙醇胺和稳定剂。必要时可添加复合添加剂，以改变浆液凝结时间和析水率。配比相同的复合水泥浆与普通水泥浆析水率对比如图6所示，可知： 复合水泥浆可明显减小固结体积收缩，更有利于空隙的充填，保证加固效果。

表3 复合水泥浆材料配比Table 3 Composite grout material ratios

Fig. 6 Comparison of water splitting rate between composite grout and ordinary grout

黏土水泥浆以水泥、黏土、水玻璃为主要原材料，其配比如表4所示。考虑到本工程为加固工程，配制黏土浆采用优质红黏土，水泥用量、黏土浆相对体积质量和水玻璃用量均取上限。

表4 黏土水泥浆现场配比参数(2 m3)Table 4 Site matching parameters of clay slurry (2 m3)

复合水泥浆加固性能较好，但析水率高，砂层中注浆扩散性能差，结石体固结收缩对地面沉降控制不利。水泥黏土浆具有良好的可注性和密实充填性能，凝结时间较长，堵水性能好。采用黏土水泥浆和复合水泥浆交替注浆，可实现同一注浆段定点、定量、多次重复注浆加固。

3.6.2 止浆机具

根据水平孔注浆的特点，本工程采用水力止浆塞，其结构包括胶筒、充水高压管及注浆花管等部件。在水压力作用下，止浆塞胶筒产生横向膨胀与钻孔孔壁挤紧，起止浆作用。止浆塞与注浆花管通过丝扣连接，充水高压管连接地面打压泵，经地面打压泵控制，实现止浆塞的胀塞和解塞，为精细化注浆控制提供保障。

止浆塞下放过程中应保证高压充水管位于注浆管顶部并紧贴注浆管，避免充水管的阀管接箍部位被蹭破。注浆开始之前进行压水以检验止浆效果，孔口无返浆、返水时，表明止浆效果良好。

3.6.3 注浆施工工艺

待环形空间充填材料形成强度后，即可开始预注浆施工。采用分段注浆方式，分段长度为4.0 m，从孔底逐段后退注浆。首先下入水力式止浆塞至预定注浆段，然后充塞止浆并检验止浆效果，止浆效果符合要求即可开始注浆施工。注浆过程中严密观测注浆压力及流量，注浆压力超限立即停泵检查，单次注浆量达到3～5 m3即停止注浆，严禁超压、超量注浆。每次注浆完成后，起出注浆管及止浆塞，用清水将注浆阀管冲洗干净，防止残浆堵孔，以实现各注浆段的重复注浆。

3.6.4 注浆压力控制与结束标准

施工过程的难点之一是注浆压力的控制。注浆压力过大将导致地面变形超限、地表产生裂缝及地面冒浆等问题。注浆压力不足则难以保证注浆效果。

在注浆施工过程中，浆液需突破橡胶密封圈，压裂环形充填料进入地层，启动压力必须保证浆液冲开阀管及环形充填料，结合软土层袖阀管注浆施工经验，本工程启阀压力设计为0.2～0.6 MPa，在实际施工过程中，部分注浆段启阀压力峰值达到0.8 MPa，平均值在0.5 MPa左右。浆液突破密封圈及环形充填料后，存在较大的压降，甚至无压现象。启阀阶段压力变化较大，压力峰值持续时间短，控制的重点在于防止橡胶密封圈被压裂。

本工程距离地面较近，注浆压力的取值和控制应确保地面不发生较大抬升。原则上注浆压力不宜过高，设计注浆压力警戒值为0.8 MPa，停泵压力为1.5 MPa。施工过程中，严密监视注浆压力变化，当注浆压力接近停泵值时，及时停泵憋压。

2#孔第3注浆段压力变化情况如图7所示，该段孔深66～70 m，垂深9.1 m。从图7可以看出： 该段共进行了4次注浆，注浆压力随注浆次数的增加而增加。在同一次注浆中，注浆压力存在一定的波动，但总体为增加的趋势。由于本工程还存在后期盾构掘进期间的跟踪注浆，预注浆结束标准由注浆压力及注入量双重指标控制。注浆终压根据工程经验确定为1.2 MPa，注入量标准为设计量的85%。

图7 2# 孔第3注浆段注浆压力变化曲线

Fig. 7 Grouting pressure curves of grouting section No. 3 of hole #2

3.6.5 注浆施工分析

本工程于2015年8月30日正式开始注浆， 10月5日预注浆施工正式完成，跟踪注浆只有在盾构推进过程出现地面沉降异常时才启动。浆液注入量统计如表5所示，37 d共注入267.5 m3浆液，其中复合水泥浆87.5 m3，黏土水泥浆180 m3。

表5姓钟围水平钻孔预注浆注入量统计

Table 5 Statistics of pre-grouting amount of horizontal hole at Xingzhongwei section

孔号注浆长度/m开始时间结束时间注浆段数水泥浆/m3黏土浆/m31#5309-1410-021322652#2009-0509-29518.530.53#2008-3009-2551433.54#6009-2810-06153351共计1533887.5180

3.7 预注浆施工地面变形分析

在本工程施工之前，设置地表测量网，以实现对钻探和注浆扰动地面变形的监控。如图8所示，地面变形监测时共设置4个监测断面，分别编号为850、860、870、880，各断面监测点个数分别为5、2、4、2，共计13个。

3.7.1 钻进过程地表变形情况

钻探施工期间，重点对钻孔轴线附近的监测点进行观测，1#、3#孔钻探及环形空间充填材料待凝期间其轴线附近的监测点的变形情况分别如表6和表7所示。

图8 地表变形监测断面设置

Fig. 8 Layout of monitoring section for ground surface deformation

表6 1#孔钻探期间地表监测点变形情况统计

Table 6 Statistics of ground surface deformation monitoring points during construction of hole #1 mm

编号累计变化量1 d2 d3 d4 d5 d6 d850-20-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1850-30.10000-0.1860-1000000870-2000-0.1-0.1-0.1880-1-0.100000

表7 3#孔钻探期间地表监测点变形情况统计

Table 7 Statistics of ground surface deformation monitoring points during construction of hole #3 mm

编号累计变化量 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d850-40-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1850-5000-0.10-0.1860-2000000870-400-0.1-0.1-0.1-0.1

从表6和表7监测数据可以看出： 钻探施工对地表变形基本无影响，实现对房屋住户零干扰。采用高相对体积质量、高黏度的化学泥浆，孔壁稳定性控制良好，施工中保持孔内地压平衡，地表基本没有发生变形。

3.7.2 注浆过程地表变形情况

在注浆施工期间，对各监测点变形进行测量，地表变形警戒值为10 mm。870-4监测点变形曲线如图9所示，可知： 注浆初期，870-4监测点处地表变形较小，正式注浆开始后，地表有规律均匀抬升，注浆结束后，地表变形逐渐趋于稳定，最大抬升量为5.1 mm。

注浆结束10 d后各监测点的累计变形情况如表8所示，可知平均抬升量为4.9 mm，说明本次预注浆加固较好地控制了地表变形。

图9 870-4监测点变形曲线Fig. 9 Deformation curve of monitoring point 870-4

表8注浆后地表监测点变形情况统计

Table 8 Deformation statistics of ground surface monitoring points after grouting

断面编号变形/mm60 85012.625.334.943.553.160 86014.724.5断面编号变形/mm60 87015.627.636.545.160 88014.925.6

4 应用效果

4.1 加固效果评价

左右线盾构穿越水平定向注浆加固区隧道轴线测点隆沉量情况如图10和图11所示，可知： 水平定向注浆加固区域，中间形成密集管棚加固联合体，加固效果明显，左线隧道靠近水平定向注浆加固区域轴线上的点隆起幅度更大，说明水平定向注浆改变了注浆位置处土体性质，形成了强度较高的整体加固体。

水平定向注浆加固有一定效果，提高了近房屋侧土体强度，改变了天然原状土体颗粒组合形式，使得同一里程桩号处左右线测点隆沉幅度有明显差别，左线隆沉幅度更大且大部分为隆起； 此外，水平定向注浆加固形成密集管棚式加固体的区域加固效果更好。

图10 左右线穿越水平定向注浆加固区隧道轴线测点隆沉量对比

图11 左线轴线测点与右线轴线测点隆沉幅度对比Fig. 11 Deformation amplitude comparison of measuring points between left line axis and right line axis

4.2 经济效益分析

以MJS高压旋喷桩加固为例，按加固长度60 m计，竖直偏角16°，平均桩长2 m，桩径2 m，旋喷角度160°，设置2排咬合桩，则共需注浆3 768 m3，注浆单价为2 000元/m3，则注浆总费用为753.6万元。而利用水平定向注浆施工总费用仅约为145.5万元(见表9)，可节省费用600余万元，水平定向注浆经济效益显著。

表9水平定向注浆技术费用统计

Table 9 Cost statistics of horizontal directed grouting technology

单位工程名称类别数量单价/元 总价/元钻孔水平钻孔392.2 m2 500981 250注浆单液水泥浆87.5 m375065 625黏土水泥浆180.0 m3600108 000措施费设备进出场费200 000200 000监测费100 000100 000共计1 454 875

4.3 社会效益分析

采用水平定向注浆技术，其施工作业区可避开人员密集的街区，进行远距离地下施工，不需要进行管线搬移和房屋拆迁等工作，不影响交通和居民的正常生活，可大幅减少管理协调工作量，有助于缓解社会矛盾，保障社会稳定。

5 结论与建议

1)水平定向钻孔预注浆可实现对开挖影响范围内建筑物的远距离超前注浆加固，提高建筑物的自稳定能力。在盾构推进过程中，可根据地表变形监测情况，及时进行定点、定量精细化跟踪注浆，有效控制建筑物的异常隆起和沉降，起到了很好的加固作用。

2)地层变化对水平定向钻孔效率影响较大，需针对性地做好详勘及应对措施，合理配置钻孔设备。

3)注浆后地表变形均呈现隆起态势，但水平定向注浆压力及注浆量均小于设计值，建议注浆期间加强监测，并结合监测数据调整注浆参数。

4)由于水平定向注浆加固技术在城市轨道交通领域鲜有应用，其施工标准与质量检验方法等尚未统一，有待进一步研究。