大盾构超前注浆技术在不良地层下穿民房群的应用

肖罗峰

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

受地面房屋密集管线众多、施工条件及其它因素影响，上软下硬地层掘进容易超方，在无法实现地面注浆加固的情况下，可采用洞内超前注浆对刀盘上前方土体进行加固。其主要目的是为了密实盾构施工区域土体，减小土体透水性[1]，挤压土体使其形成一个半圆形的密闭壳体，提高盾构刀盘前方土体稳定性。利用盾构机上半部的超前注浆孔进行注浆，加固范围为前方2～12 m[2]，浆液采用水泥+水玻璃双液浆，浆液劈裂式挤压土体，形成分支浆脉，注浆结束后即可恢复盾构掘进，无须等待浆液强度，实用性和操作性强。

1 工程概况

1.1 施工环境

广州市轨道交通二十二号线番祈中间风井-2#盾构井区间长2.5 km。隧道外径8.5 m，管片环宽1.6 m，厚度0.4 m。区间盾构需下穿沙圩一村民房群，下穿沙圩一村房屋长度约120 m，距离较长；区间共正穿建筑物25栋，其中11栋为天然基础、14栋为桩基础，隧道两侧50 m影响范围内房屋共计59栋，桩径0.6～1.0 m、桩长为5～13 m；房屋多为2～5层，房屋结构形式为砖混结构，少数房屋年代久远，外观质感差，房屋鉴定报告揭示房屋为“一般损坏房”。

1.2 地质情况

地勘资料揭示，下穿沙圩一村部分房屋时，洞身范围内为〈7H〉强风化花岗岩、〈8H〉中风化花岗岩、局部底部〈9H〉微风化花岗岩的上软下硬地层，隧道上方为〈6H〉全风化花岗岩、砂质粘性土、砂层和素填土层。地质揭示情况如图1所示。地下水主要以承压水和基岩裂隙水为主，地层特性如下：

图1 地质芯样

(1)花岗岩全风化带〈6H〉，岩体呈褐黄色、红褐色等，岩芯完全风化呈密实砂、土芯遇水易软化崩解。进行标准贯入试验平均38.9击。

(2)花岗岩强风化带〈7H〉，岩体呈褐黄色、红褐色等，岩芯呈半岩半土状或岩块状，质软，岩块手捏易碎，遇水易软化崩解。进行标准贯入试验平均59.5击。结合经验，该层属于极软岩。

(3)中风化花岗岩〈8H〉，岩面起伏，岩块较破碎，揭示强度14.5 MPa。

(4)微风化花岗岩〈9H〉，岩石强度54.3～60.7 MPa，岩块较破碎。

大直径盾构在上软下硬复合地层中掘进刀盘振动明显，掘进速度慢，洞身上部〈6H〉、〈7H〉地层自稳性差，掘进过程中容易出现上部土体散落超方现象，易造成房屋不均匀沉降、裂缝或倾斜危害[3]。

2 洞内超前注浆加固

2.1 加固方案设计

铁建重工生产的直径8.8 m土压盾构机中盾位置四周设计预留了10个超前钻孔位置，其中腰部钻孔6个，顶部钻孔4个，超前注浆孔设计外插角度为8°[4]。根据洞内可操作空间以及加固的目标范围，一般只选择顶部的4个孔(从左至右编号为2#、3#、4#、5#孔,如图2所示)，对刀盘前方拱部土体进行加固。顶部的4个孔孔间距为1.2 m,注浆扩散半径按R=1.0 m计算，4个注浆孔加固的水平宽度约5.6 m。

图2 超前注浆孔位置

根据外插角度模拟，超前注浆杆总长设计按20 m计算，其中有效注浆范围为刀盘前方约12 m，加固最高高度在隧道上方1.9 m。根据经验，出浆口高度超过隧道上方2 m后，盾构机掘进到该位置时上部土体加固效果不明显，故设计最大钻孔深度为20 m。钻杆布置如图3所示。

图3 超前注浆钻孔(单位：mm)

盾体上设计的超前注浆孔直径为100 mm，选用的钻头和钻杆直径均为42 mm，单节钻杆长2.0 m，钻杆内为单通道注浆孔道，盾体预留的超前注浆口接头与钻机钻头位置设置法兰盘连接，如图4所示。

图4 注浆孔法兰盘连接

2.2 超前注浆原理

分段后退式超前注浆原理：采用钻机钻孔至设计深度后，浆液采用A液与B液，混合后通过管路、钻杆注入土体，注浆时实施定量、定压双液注浆把土体劈裂、挤压、加固后具有一定的稳定性，注完一段后将钻杆后退一定距离再次注浆。注浆作业工作原理如图5所示。

图5 超前注浆原理

2.3 超前注浆关键技术

2.3.1 施工准备

(1)根据超前注浆施工的现场作业条件，需要用到的设备及材料有：①钻机1台(配套钻杆及小型工具)，型号ZLJ-1200；②搅拌桶1个；③双液注浆泵1台，型号SYB-60/5；④水玻璃,40波美度；⑤P.O42.5水泥；⑥磷酸；⑦搭设平台的脚手架钢管及扣件、走道板、油布等。

(2)土仓内保实土压：超前注浆前需把土仓内渣土留满，注入泡沫和膨润土浆保实土压，同时转动刀盘搅匀，过程中要做好渣土改良，防止土仓内渣土结泥饼，一般土仓上部与下部的土压差控制到0.9 bar仓内即满仓，以防注浆浆液大量流入土仓结块。

然后在盾尾注入膨润土浆，膨润土浆会流入盾壳外周进行填充保护，以防水泥浆液把盾壳包裹住。

(3)钻孔平台搭设：需把掘进油缸伸长至少1.4 m以上，在盾尾拼装区域内提供搭设脚手架平台空间。平台搭设如图6所示。平台搭设完成后，将钻机主机及其他零部件吊至平台上组装，在盾壳顶部焊接吊耳，用吊带将钻机主机悬吊进行高度调节，以便钻头与超前注浆口接头对接和倾斜角度调整，并在平台四周设置安全护栏。

图6 平台搭设

2.3.2 施工工艺流程

整个超前注浆过程施工流程为：搭设脚手架→固定钻机→钻孔作业→洗管→注入磷酸、水玻璃(水泥)混合液→注浆作业→封孔作业→下一个孔施工[1]。

(1)钻孔施工：钻孔过程中详细记录钻杆长度，保证钻孔深度的准确，实时反映地层松软情况，为注浆施工提供准确的地质水文情况。

(2)注浆施工：注浆采用后退式注浆，待钻孔完成后，先进行封口，注入清水彻底清洗一遍注浆管并注入适量的磷酸混合液止水，随后开始注入水泥+水玻璃双液浆，压力达到后，后退钻杆，以每0.5 m步距后退，进行下一段的注浆作业，依次循环，直至该孔结束[5]。

注浆过程中勤转动刀盘，每3～4 h转动一次，谨防浆液进入土仓裹住刀盘或盾体。

在注浆过程中，需要不间断的转动钻杆，防止出现卡钻。

(3)钻孔过程中采用磷酸止水，浆液配比为水∶磷酸=10∶1，磷酸稀释液∶水玻璃=1∶1。

水泥+水玻璃浆液配比∶水灰比= 1∶1，水玻璃40 °be＇(1∶5稀释)，水泥浆∶水玻璃=1∶1，实测初凝时间约50 s。

2.3.3 注浆过程控制

(1)土仓压力变化：注浆期间，土仓压力会随注浆量和注浆压力变化而变化，注到一定量时，注浆量难以注入，一般以不超过刀盘主驱动能承受的最大压力的70%为极限值，一般控制在不超过5 bar，以免造成主驱动密封进浆损坏，达到压力时暂停注浆，待浆液在地层中自然扩散和泄压后再注浆。

注浆压力控制在1.0～1.5 MPa范围波动，需能将土体劈裂，注浆期间，上部土仓压力从3.0 bar上涨至4.5 bar，暂停后自然下降至3.0 bar再启动注浆，等待时间较长。

(2)注浆施工记录：以4#钻孔注浆为例，详见表1。4#钻孔深度为17.6 m，主要加固地层为〈6H〉全风化花岗岩、〈7H〉中风化花岗岩，在钻孔过程钻杆进尺较匀速，每一根(2 m)钻孔用时3～5 min，未出现卡钻现象。

表1 4#孔注浆施工记录

注浆压力基本稳定在1.0～1.5 MPa，结束时0.5 MPa，但随着注浆总量增多，土仓压力出现瞬间上涨现象最高达4.5 bar。通过观察注浆数据，注浆深度距离刀盘越近，则土仓压力上涨越明显。受地层和裂隙地下水等影响，注浆过程中，浆液流入土仓，出现土仓压力整体上涨现象。

4#注浆孔累计水泥使用3.9 t，水玻璃 0.9 t；2#注浆孔累计水泥使用7.0 t，水玻璃1.1 t；3#注浆孔累计水泥使用7.2 t，水玻璃1.5 t；5#孔基本难以注入，一般4个孔只能注完3个孔，土仓压力难以下降等待时间太长，即注浆结束，水泥使用总量约18.1 t。

隧道内操作空间有限，在盾尾拼装区域搭设施工平台耗时约12 h；钻机移位对孔、校正角度耗时约在3～4 h/孔，换孔3次约用时9～12 h；注浆和等待降压时间约22 h；拆机和架子平台约2 h；实施一次超前注浆约用时48 h。

(3)注浆结束标准以定压方式控制。定压标准：注浆过程中，注浆压力上升至1.5 MPa或土仓压力逐渐上升至4.5 bar左右且注浆深度停留在8.2 m(即钻杆投影到水平方向至刀盘面板距离为2.6 m)时，结束该孔注浆。防止钻杆距离刀盘太近，浆液流入土仓太多会裹死刀盘、盾体，以及土仓压力太大对主驱动密封造成损坏。

(4)超前注浆结束后，做好盾构机复推准备工作，首先开始用螺旋机进行排渣，刀盘转动将土仓内渣位试降低，此时盾构机不向前进尺，通过上、中、下的土压传感器压力差和出渣量分析，判断仓内渣土是否超方，掌子面是否稳定，以此来判断加固效果。

2.4 掘进参数对比

超前注浆后，恢复掘进出渣土净重量220～240 t，出渣土净方量116～125 m3正常，地面监测正常，未出现沉降预警，与超前注浆加固前相比，掘进效果得到有效改善。掘进速度在20～35 mm/min，土仓压力稳定无较大波动，上下土压差较小，刀盘扭矩正常。注浆之前，掘进上下土压差较大，刀盘扭矩偏大，掘进速度慢，出渣量过大，存在超方的现象。因此在地面不具备加固条件的情况下，采用洞内超前注浆的施工工艺，能够有效的改良地层的自稳性。注浆前后具体掘进参数对比如表2所示。

表2 注浆前后掘进参数对比

2.5 监测布点和沉降标准

根据不同的建(构)筑结构类型，在建筑物四个角布设沉降监测点，受力柱上优先布设，在离墙角50 cm处的墙面采用钻孔式，埋入弯成“L”型钢筋，用植筑胶压注固定。监测点位布置如图7所示。

图7 下穿沙圩一村监测布点

注浆作业过程中，地面沉降监测频率调整为1次/4 h，加强联动，及时对监测数据做出分析，以便及时对注浆压力及注浆量做出合理调整。

盾构下穿阶段(盾构机刀盘前后方距离50 m范围)，按1次/6 h的监测频率进行监测，若发生预警后则调高至1次/(3～4)h。

注浆期间地表沉降基本没有明显变化，注浆后盾构掘进地表沉降最大值在-15 mm以内。沉降值控制指标如表3所示。

表3 沉降控制指标

2.6 应急措施

(1)钻孔喷水喷砂措施：①注浆工程专业性较强，必须由有经验经过专门培训的人员上岗操作。②当钻孔过程中出现喷水喷砂时，立即停止钻进，马上进行磷酸水玻璃浆注浆封水，以最快速度封堵。

(2)防脱困措施：注浆前通过往土仓和盾尾注浆管打膨润土浆，使之在盾体周边扩散形成保护，同时往前中盾径向孔注入膨润土或者盾尾油脂，阻挡浆液流向盾构机外周，防止浆液包裹盾体。

2.7 施工中注意事项

(1)洞内采用后退式超前注浆，容易造成土仓压力上涨，过程中难以控制，等待降压时间较长，施工效率低，可在钻进过程中注入磷酸水玻璃注浆，填充地层中裂隙并在刀盘上方形成保护层从而防止浆液流入土仓。

(2)由于土仓处于非满仓状态，浆液窜入土仓，造成刀盘面板、刀箱及开口被糊住，刀盘启动脱困模式下，扭矩超过额定荷载，导致电机过载保护器铜头被切断，从而刀盘无法转动，故需在超前注浆前把土仓内渣土留满，注入泡沫和膨润土浆保实土压，同时转动刀盘搅匀。

(3)盾尾被浆液包裹，造成复推时铰接油缸压力较大，盾构机难以脱困，故需在注浆前通过往土仓和盾尾注浆管打膨润土浆，使之在盾体周边扩散形成保护。

(4)注浆过程中需加强盾尾刷油脂注入，防止浆液击穿造成漏浆。

(5)在整个注浆过程中，操作室值班司机须时刻关注土仓压力以及各参数变化，并密切关注齿轮油泄露、油箱油质以及主轴承密封性能。

(6)注浆孔结束后，需用油脂进行填充，防止浆孔堵塞。

3 结束语

(1)大盾构在不良地层掘进容易超方，房屋密集不具备地面加固施工条件且由于埋深较深时，地面注浆加固效果不佳，采用洞内盾构超前注浆加固工效高效果好，该技术实用可行。

(2)超前注浆对地表沉降影响相对较小，浆液劈裂式挤压土体，形成分支浆脉，注浆结束后即可恢复盾构掘进，无须等待浆液强度，实用性和操作性强。

(3)采用超前注浆时，操作不当可能造成盾构机设备损坏、土仓进浆、盾壳包裹等风险，需加强过程管理和专业技术指导。