水平注浆加固与钢套筒在盾构接收的应用分析

冯红喜,李一博,张忠炎

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

在盾构施工技术中，盾构接收是主要的难点和风险点，存在地下水渗漏、突泥突水、地层沉陷等诸多风险，为规避这些风险，通常会对盾构洞门前的地层进行加固处理，以期降低盾构接收面临的施工风险。常用的加固技术多为旋喷桩、三轴搅拌桩、冻结、化学注浆等，也存在多种加固技术组合应用的情况[1]。盾构进洞接收常考虑环境风险、水文地质、场地条件等诸多因素，选择直接破洞接收、钢套筒接收、整体接收、箱体接收等技术[2-6]。

本文结合郑州市某轨道交通区间盾构进洞实例，分析了三轴搅拌桩加固这一传统加固技术的不足，提出利用WSS水平注浆+旋喷进行加固，并选用钢套管接收技术，确保盾构穿越富水砂层顺利接收，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某轨道交通区间隧道长度约1 500 m，埋深为10.79 m～21.73 m，内径5.5 m，管片厚度0.35 m。采用两台φ6 470 mm的土压平衡式盾构机，分别从始发站间隔2个月先后到达乐昌站大里程端接收井后解体、吊出。

1.1 水文地质

该区间穿越地层主要为②41层粉砂、②51层细砂。区间接收端隧道范围内主要地层为②41粉砂层和②51细砂层，地下水稳定水位埋深约为8 m，属于典型的富水砂层。

1.2 周边环境

区间接收端即乐昌站(3层地下车站)-3层东端头，位于西运河西南侧河堤上，临近西运河，河堤顶部宽度9 m～11 m。车站端头距离河面49 m，接收端区间隧道底部埋深约27.6 m，隧道顶部埋深约21.4 m。河堤底部为斜坡状，高差8 m～11 m。车站端头埋设有1根埋深2 m～3 m的DN250中压燃气管，2根埋深13.5 m的DN650热力管，经核实施工现场暂无管线改迁条件。

2 方案比选优化

2.1 初始方案

初始方案按照常规接收方案，采用φ850@600 mm三轴搅拌+φ800@550 mm三重管旋喷桩加固方案。三轴搅拌桩纵向加固长度为8.0 m，加固宽度为隧道轮廓线左右各3 m，竖向为隧道轮廓线上下各3 m，并在加固体和围护结构之间采用一排φ800@550 mm三重管旋喷桩堵缝补强。

加固前，在加固区两侧布置至少6个降水井，以保证施工安全。

2.1.1 初始方案优点

方案较为常规，施工工艺成熟，加固范围满足盾构接收的要求，降水井的布置也考虑到地层高水位特点。

2.1.2 初始方案缺点

1)富水砂层地质，盾构直接破洞接收，施工风险高，存在较大可能性发生地表沉陷、漏水冒浆等工程风险。2)场地条件受限。端头加固区距离河提及绿化带较近，场地坡度较大，三轴搅拌施工无作业空间。3)端头存在中压燃气管和热力管，受限于西侧运河存在，迁改困难，如执意迁改，项目工期加长较多，费用花销较大。

2.2 优化方案

基于以上对施工场地、环境条件和富水砂层等的研判，考虑采用WSS(无收缩双液注浆)注浆加固取代三轴搅拌桩加固，并辅以钢套筒接收措施。

2.2.1 WSS注浆加固

1)加固原理。WSS注浆加固技术采用二重管钻机钻孔至预定深度后，用同步双液注浆机注浆。先通过AB液(水玻璃与磷酸混合液)将土层颗粒间的水强迫挤出，再利用AC液(水玻璃与水泥浆混合液)使该土层黏结力、内摩擦角增大，从而使地层黏结强度及密实度增加，起到改良土层和加固作用；颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后，使土层透水性降低，而形成相对隔水层。

2)加固特点。a.团结硬化时间容易调整，设计硬化时间长的注浆液也具有很高强度。b.渗透性良好，特别是对微细砂层的渗透性。c.地层中有流动水的情况下也具有很强的团结性能。d.浆液强度、硬化时间、渗透性能可根据现场实际需要任意调整。e.浆液不流失、团结后不收缩，硬化剂无毒，对地下水不会造成污染。f.注浆加固所用钻机体型较小，移动方便，适用较困难的施工环境。g.注浆加固施工灵活，可垂直注浆，也可倾斜注浆，且从钻孔至注浆完毕，可连续作业。

3)加固适用范围。因WSS具有极强的加固地层并起到隔水层的作用，故其广泛适用于隧道及地下工程，如盾构隧道及地下工程周围土层改良盾构、隧道及地下工程掘进竖井洞口地层加固、地下管线保护、隧道通过地面建筑物基础的跟踪注浆等。

2.2.2 优化方案优点

1)采用WSS注浆加固与三轴搅拌加固相比较，其主要优势如表1所示。

表1 WSS注浆加固工法与三轴搅拌桩加固工法比较

2)方案技术可靠先进，相对于初始方案，在解决场地条件受限问题的同时，加固效果更好。采用钢套筒接收，能够有效规避富水砂层条件下盾构接收过程中易发生的透水漏浆地表沉降等风险，提高工程安全系数。

3)变竖向加固为水平加固，场地占用面积大大减小，现场热力和燃气管线无需进行迁改，较大程度的降低工程费用和节省工期。

2.2.3 优化方案缺点

相较于初始方案，优化方案新增钢套筒2套，施工流程加长，施工控制技术要求提高。

3 实践应用

3.1 注浆加固

采用环形布置，标准设置4环，增设1环加强环。注浆孔直径42 mm，孔与孔的间距为0.8 m，注浆凝结时间20 min～30 min，压力控制0.5 MPa～2.0 MPa。注浆时先内圈后外圈，由上到下，其中外侧两环斜孔与水平孔角度为25°，注浆顺序为先注水平孔，后注斜孔(见图1)。

3.2 钢套筒安装

3.2.1 钢套筒设计参数

接收钢套筒主体部分总长9.6 m，直径(内径)6 500 mm，外径6 840 mm。共分成三段，每段3 200 mm，每段又分为上下两个半圆。筒体采用钢板卷制而成，由1个过渡连接环、4个筒体、1个后端盖、后部斜撑及左、右支撑等部分组成。

3.2.2 拼接

钢套筒拼接在完成场地标高核准后，依次进行钢套筒下半部和上半部分的连接；再进行钢套筒过渡环与洞门钢环连接，确保密封完好性，防止接收时出现漏水、漏沙。

3.2.3 支撑体系

套筒的管片拼接后，进行钢套筒支撑体系安装，包含套筒底部、中部、顶部以及后端部支撑。

3.2.4 密封性检查

钢套筒拼接和支撑体系完成后，开始向钢套筒内注水进行密封性检查，重点关注连接环与洞门环焊缝、环片接口处等薄弱地方。最后在钢套筒底部60°范围内浇筑15 cm厚的C40细石混凝土基座。

3.2.5 填料

上述流程完成后即可向钢套筒内填料。填料可采用盾构掘进产生的渣土，但需增加膨润土对渣土进行改良，使其具有一定的流动性，能够在钢套筒内紧密填充，又能保证盾构机进入钢套筒时平稳掘进。

3.3 盾构接收

盾构接收的掘进分四个阶段：第一阶段：盾构机刀盘距加固区100 m推进至加固区外边缘；第二阶段：刀盘穿越加固区到达车站围护结构；第三阶段：刀盘磨桩作业破除洞门(接收端围护结构为800 mm厚玻璃纤维筋地连墙)；第四阶段：盾构机进入钢套筒。

3.3.1 第一阶段：刀盘距加固区100 m推进至加固区外边缘

该阶段应重点保持盾构机姿态调整，目标值为水平±15 mm，垂直+20 mm～+30 mm，推进过程严控速度和总推力，确保及时二次注浆，至加固区外边缘停机检修和确认盾构机姿态。

3.3.2 第二阶段：刀盘穿越加固区到达车站围护结构

从倒数15环开始向接收端方向进行二次注浆，浆液为水泥-水玻璃双液浆，浆液凝固时间控制在1 min左右，以保证注浆效果。注浆采取从后向前，从底部往上部，隔1环注1环，往返反复注浆的方式，保证注浆饱满到位。期间推进速度在10 mm/min～20 mm/min为宜，推力小于8 000 kN，土仓压力0.6 bar～0.8 bar，在刀盘转动过程中土仓内及刀盘前加注润滑剂改良土体。

3.3.3 第三阶段：盾构机刀盘磨桩作业破除洞门

利用盾构机刀盘进行磨桩作业，直至盾构机破除洞门实现隧道贯通。

本阶段应控制推速小于5 mm/min，推力小于6 000 kN，盾构刀具贯入度不宜超过4 mm，采用碾压、慢磨的切割方式使玻璃纤维筋及混凝土破碎；同时加强监测和现场巡视工作，并做好管片二次注浆以形成闭水环箍。

3.3.4 第四阶段：盾构机进入钢套筒

盾构破除洞门后即可正式进入钢套筒，待最后一环管片拼装后，盾构机停机及时将倒数第3环以后的管片进行二次注浆并形成闭水环箍。控制推速小于5 mm/min；推力小于4 000 kN，进入套筒时做好姿态控制，以实际测量的钢套筒安装中心线为准控制盾构机姿态，要求中心线偏差控制在±20 mm之内。同时做好盾尾后方管片及时二次注浆和洞门封堵注浆。

4 效果分析

4.1 实施效果

通过方案优化，采用WSS水平注浆加固+降水+钢套筒接收技术，克服了场地空间受限、管线复杂难迁、富水砂层等诸多不利因素，实施过程中各项监测指标均在控制范围之内，有效确保了盾构区间的顺利接收。其施工速度快、安全性好、适用性强，为富水砂层地质盾构接收提供了有力的保障，取得了显著的实施效果，具有较高的应用推广价值。

4.2 经济效果

优化方案相较于原方案，有效克服了管线迁改无路由和注浆加固场地不足的现实情况，合计节约造价35万元，节省工期90 d，具体对比详见表2。

5 结论与讨论

1)本工程通过对盾构接收方案的优化，顺利实现了富水砂层场地受限条件下的接收，其接收过程安全可靠，在缩短工期和控制造价上作用突出，证明WSS注浆加固+钢套筒接 收这一组合技术的可靠性和先进性，为类似项目应用提供了经验。

表2 方案效益对比表

2)WSS注浆加固技术具有加固方式灵活、施工机具方便和加固效果良好等特点，尤其适用于场地条件受限、管线复杂和富水砂层地质，在适用性和实用范围上也具有较大的优势，值得进一步探索在其他工程背景中的应用。

3)目前对加固方式研究较多，但进洞接收较少，应进一步研究加固技术和洞内接收组合方式的多样性，以期适应不同工程类型、周边环境和水文地质条件下的要求。