自凝灰浆墙在超大直径盾构始发端头加固土体的应用

刘永强

（中交隧道局工程有限公司，北京 100102）

盾构端头始发土体加固质量是隧道成败的关键，特别是在高水压粉细砂性土层中，粉细砂层土体渗透性强，容易形成过水通道，在进行土体加固过程中浆液被流动水带走，目前常用的加固方法如深层搅拌桩、高压旋喷桩在这种地层成桩质量差，甚至无法成桩，不能满足加固要求。通常在加固体外包设计素混凝土作为止水帷幕来隔断过水通道，而在实际素混凝土墙施工过程中，每幅墙缝间隙不容易处理，会形成透水通道，影响加固土体质量。盾构机在穿越加固土体及素混凝土墙中，对刀盘、刀具磨损严重。

和燕路过江通道盾构始发端头采用新型工法的自凝灰浆墙作为加固土体的外包止水帷幕，其特点是强度低、可承受较大变形，且不破坏塑型墙体，整体防渗性好。由于灰浆墙强度低，刀盘所受作用较小，减轻刀具磨损，盾构机能迅速通过加固体而降低始发风险。

1 工程概况及加固方法

南京和燕路过江通道南段工程位于长江大桥和长江二桥之间，盾构段长2975.906m，采用开挖直径15.03m 的泥水盾构机。端头加固地层主要为淤泥质粉质黏土、粉土夹粉砂、粉砂夹粉土、细砂、粉细砂，隧道覆土厚度7.2m，微承压水水位埋深1.9～3.9m、水位5.17～5.41m，地面标高6.2m。

端头加固采用Φ800@600mm 三轴搅拌桩+冷冻法并外包800mm 厚自凝灰浆墙（墙厚0.8m，墙深48m，纵向长度20m，横向宽46m，加固深度到隧道底以下5m 与施工完成的地连墙形成闭合体），加固设计平面图如图1 所示。要求墙体渗透系数不大于1×10-6cm/s，28d 无侧限抗压强度不小于0.3MPa。

2 自凝灰浆配合试验比

图1 始发端头加固设计图

自凝灰浆主要材料由水、水泥、膨润土、缓凝剂及外加剂组成，合理的试验配合是自凝灰浆强质量的关键，由于地区不同、各个工程复杂程度相差甚远，选择试验配比尤为重要。首先经试验确定配合比，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥、优质纳基膨润土、苏博特JM-Ⅵ型缓凝剂，根据成墙工艺，施工要求初凝时间大于30h 以上进行配合比试验，选取代表性土层特征的4 组，其特性如表1 所示。

3 施工工艺

3.1 导墙施工

导墙为钢筋混凝土结构，采用倒“L”形导。净宽比自凝灰浆墙厚5cm。

3.2 泥浆制作

自凝灰浆的制作：首先按照一般泥浆标准拌制膨润土泥浆，拌制膨润土泥浆采用复合纳基膨润土，使用高速泥浆搅拌机拌制，控制泥浆比重在1.02～1.10g/cm3，黏度在28～35s，失水量在0.5～0.7ml/min，pH 值为9～11。拌制好的膨润土泥浆必须在泥浆池内通过泥浆泵充分循环2～3h，检测其性能指标，合格后输送至储浆池内膨化12h 以上。成槽施工时，将膨润泥浆输送至专用灰浆池内按照配合比加入水泥和缓凝剂，经泥浆搅拌机搅拌2min 后由自凝灰浆池自流到开挖槽段内。自凝灰浆凝结体的抗压强度和弹模主要取决于灰水比的大小，灰水比越大，这两个指标越大。

表1 自凝灰浆配合比及其特征

3.3 成槽施工

自凝灰浆墙采用跳跃法工法，相邻槽段灰浆初凝达到一定强度（一般30h 以上，具体以现场实际情况为准）后方可进行开挖。根据设计图纸将自凝灰浆墙分幅，幅段按照首开幅2.8m、闭合幅2.4m，相邻两幅之间咬合20cm 原则进行布置。设备采用SG60 型液压抓斗成槽机。

3.4 清底

清底采用沉淀法，使用挖槽作业的液压抓斗直接挖除槽底沉渣。由于泥浆有一定的比重和黏度，土渣在泥浆中沉降会受阻滞，沉到槽底需要一段时间，因而采用沉淀法清底要在成槽结束1h 左右之后才开始。

4 施工效果

（1）和燕路过江通道工作始发井地连墙墙深48m，穿越地层为高水位粉细砂层，根据现场实际抽水试验结果得出：综合渗透系数45m/d，由于实验结果和勘察设计资料（综合渗透系数7.8m/d）出入较大，工作井地连墙所处地层透水性强，容易造成塌孔或较厚的沉渣，造成成槽困难，为此施做始发井端部地连墙之前先期施工自凝灰浆墙，形成半封闭止水帷幕，极大程度降低了富水粉细砂层地连墙成槽困难，现场实际结果表明，在形成止水帷幕后，护臂泥浆比重控制在1.15～1.25g/cm3，黏度24～30s，下放钢筋笼至混凝土浇筑前10～12h，槽壁稳定性较好，沉渣厚度8～15cm。

（2）始发端头加固土体在地连墙与灰浆墙施工完毕后施工，此时形成一个封闭的空间，进行三轴搅拌桩加固，很大程度降低了因动水作用造成的加固浆液随着水压力作用而流失的问题，使浆液与土体充分搅拌，大幅度提高土加固质量，加固效果整体性较好、强度高及止水性好的加固体，龄期通过水平和垂直钻孔取芯的方法进行检测，检测结果水平探孔无涌水涌砂现象，垂直取芯深度和土体加固效果满足设计要求，加固土体的强度和渗透系数良好。

（3）和燕路过江通道项目盾构始发覆土7.2m，为典型的超浅覆土始发，盾构在穿越加固体掘进过程中风险极大，尤其在盾构刚通过加固体进入未加固地层后，由于土层变化引起掘进参数有较大的变化，对周围土体扰动大，容易造成地面冒浆，甚至地面沉陷。国内以往类似工程外侧设置C15 素混凝土墙作止水帷幕，墙体素混凝土施工每幅墙采用锁口管接头，墙体接缝容易形成缝隙，形成渗透水流通道，造成墙外动水进入加固土体中影响加固效果。而自凝灰浆墙每幅墙体采用咬合形式，不容易形成墙体间隔缝隙，墙体整体性较好，止水效果明显。加固土体外包形式的选择，对盾构穿越墙体过程中盾构掘进各项参数有直接的影响。通过类似经验对比盾构掘进参数如表2 所示。

表2 盾构穿越墙体参数表

以上数据表明，相同工况下盾构推力及扭矩都明显大于自凝灰浆墙，极易造成地面土体扰动波动大。泥水压力随之增大，墙体与未加固土体之间存在一定间隙，进而使得泥浆从这个间隙冒出地面。在推力增大的情况下，容易使盾构始发反力架受力过大而变形破坏，从而造成负环失稳及隧道管片变形，引起极大的风险。穿越混凝土墙过程中推力及扭矩过大且隧道覆土较浅，容易造成管片壁后注浆效果失稳，盾体过墙体后进入正常土层中，未加固土层中承压水随着动水压力的增大，造成盾尾涌水涌砂，形成极大的风险。而盾构机穿越自凝灰浆墙时，由于灰浆墙强度小，盾构各项掘进参数和未加固土层掘进参数没有太大变化，盾构姿态容易控制，并且塑性灰浆墙能与管片壁同步注浆，实现有效黏结，止水效果明显，有效防止隧道“喷涌”现象。

5 结束语

（1）南京和燕路过江通道在盾构始发端头加固土体外包采用自凝灰浆止水帷幕墙，针对长江漫滩高水位富水砂层地质特点，在地连墙、土体加固及盾构穿越加固体的参数控制取得显著效果，对今后隔区止水进行围护施工、土体加固、大盾构穿越加固体具有重要意义。

（2）自凝灰浆墙质量保证前提为试验配合比，确定试验配合比除考虑水文地质、施工工艺、场地条件外，由于前期试验配合比时间长，且国内具有这类检测资质的单位很少，因此还应提前考虑工程施工期。