地鐵全斷面前進式水平深孔注漿加固方案設計及施工技術
2015-09-14
工程概況
廣州地鐵三號線北延長線某標段盾構隧道施工，其盾構機到達吊出端頭，受現(xiàn)場施工場地狹小的限制，加上工期緊張，必須盡快恢復地面道路交通，經(jīng)過技術方案比較，將原設計地面加固形式變更為車站洞內(nèi)全斷面前進式水平深孔注漿加固方案，以滿足洞門圍護結構破除、盾構機到站出洞的安全。
場地地質(zhì)及環(huán)境概況
位置和周邊環(huán)境
廣州地鐵三號線北延長線人和站位于白云區(qū)人和鎮(zhèn)交通要道――G106國道之下，兩側建筑物多為2~5層的商住樓房，距基坑25~30m。
人和站北端擴大端頭區(qū)段設計為盾構機吊出井，左右線兩臺盾構機均在此到達終點吊出。
人和站工程水文地質(zhì)
該端頭地層從上而下分布主要為<1>人工填土層（Q4ml）、<4-1>沖積－洪積土層（Q4al+pl）、<3-1>沖積－洪積粉細砂層（Q4al+pl）、<3-2>沖積－洪積中粗砂層（Q4al+pl）、<3-3>礫砂層、<4-1>、<7>巖石強風化帶。隧道掘進范圍內(nèi)主要為<3-2><3-3><4-1>層，砂層。砂層地下水飽和，且與附近河流水系聯(lián)通。隧道覆土厚度10.043m。
吊出井端頭水平加固設計
加固的目的和應達到的效果
（1）洞門土體加固強度能保證洞門破除后、盾構刀盤尚未頂?shù)剿淼勒谱用鏁r的土體穩(wěn)定。同時，盾構能夠順利切割加固體。
（2）洞門加固體的抗?jié)B性能。加固體的抗?jié)B性能要考慮地下水位的高低，地下水的流速，土體的粉粒、砂粒、礫石的含量等。如果抗?jié)B性能不佳，同樣會造成嚴重的涌砂、涌水現(xiàn)象（特別是水+砂+壓力同時存在的情況下）。
?。?）洞門加固范圍。到達洞門的加固范圍必須保證一定的加固體長度、寬度和高度，確保土體的止水需要。此次加固長度定為10米。
原設計端頭加固方案
原設計盾構吊出端頭為人和站到達端頭，端頭地層采用Φ600@450水泥土攪拌樁結合外包Φ800@600旋噴樁進行加固。端頭加固長度10m，寬度25m，深度19.043m，其中實樁12m（隧道及其上下各3m）。隧道頂埋深10.043m。
對于本工程，實施旋噴樁加攪拌樁端頭加固方案具有以下難點及缺點：
成樁質(zhì)量不易保證。設計旋噴樁及攪拌樁加固深度為19.043m，從地勘資料分析，加固樁施工范圍地層標貫高達16~28擊，尤其是隧道底部標貫擊數(shù)最高。加固深度大則成樁質(zhì)量不易控制，土層標貫高則攪拌樁難以下鉆。
交通疏解影響作業(yè)場地。人和站位于G106國道道路正下方，車站主體結構施工之后還要繼續(xù)施工車站出入口，由于交通疏解的需要，人和站每次只能提供半幅場地用于端頭加固施工，樁基作業(yè)面狹小，施工組織極為不便，地面加固施工工期難以控制。
對環(huán)境污染較大，現(xiàn)場文明施工較難保持。旋噴樁、攪拌樁施工，產(chǎn)生大量泥漿、渣土和污水，對周邊環(huán)境污染嚴重。
優(yōu)化加固方案
為解決以上問題，我部通過多方了解和實地考察，綜合比較分析，借鑒其它項目成功經(jīng)驗，決定采用洞內(nèi)全斷面水平深孔注漿的施工方案。
該方案注漿加固原理是：在打孔后安裝注漿孔口管，由孔口管向內(nèi)進行注漿，整個注漿過程是在一個封閉體系中進行的，漿液通過孔口注漿管進入封閉狀態(tài)的被注地層（流砂層、粉質(zhì)粘土層、粘土層等），通過注漿泵產(chǎn)生的壓力，使?jié){液在被注地層中向四周擴散，達到充填、擠壓、密實的作用，從而使松散含水砂層或粘土層變?yōu)槊軐嵉膱怨痰貙?，達到注漿堵水的目的。
本次水平加固的范圍是：沿隧道軸線方向為10m（按照設計要求），斷面范圍為洞門圈以外3.0m。
布孔設計
沿洞門圈周邊布設水平鉆孔23個（圖示空心圓孔），環(huán)向間距0.7m；洞門下部布設斜孔19個，對底部注漿加強。水平鉆孔深度為10m。
導向管采用內(nèi)徑Φ65、壁厚3.5mm的鋼管。注漿角度和長度為：
1、5號的埋設角度為65.5°，長度為3.62m
2、4號的埋設角度為68.8°，長度為3.54m
3號的埋設角度為70°，長度為3.51m
29~32號的埋設角度為71.8°，長度為6.10m
33~37號的埋設角度為74.5°，長度為8.61m
38~42號的埋設角度為75°，長度為11.18m
6~28號的埋設角度為0°，長度為10.00m
施工工藝和方法
施工工藝
施工方法
在已完成的吊出井主體結構內(nèi)，沿洞門周邊向需要加固的土體內(nèi)，全斷面施做水平鉆孔和斜孔，順導向管內(nèi)一邊鉆孔一邊注漿堵水，逐段推進注漿加固到設計深度；水泥漿/雙液漿在砂層中擴散與周邊孔注漿區(qū)域相互滲透融合，在洞門周邊固化形成桶狀加固體，滿足盾構機到站出洞掌子面不坍塌、不漏水涌砂的安全要求。
導向管加工
導向管長度70cm，采用內(nèi)徑φ65，壁厚3.5mm鋼管加工而成。一端焊接內(nèi)徑φ65的法蘭盤，另一端端頭植于掌子面上。植入深度為60cm，外露10 cm。
導向管埋置
注漿工作開始之前，按注漿角度和位置布設圖，在連續(xù)墻上進行導向管開孔施工。開孔直徑φ120，采用鉆孔取芯機進行施工，鉆孔深度30cm。用快干水泥植入導向管。
鉆孔、注漿
1、鉆孔：采用風動鑿巖機從連續(xù)墻上埋設的導向管進行鉆孔，成孔直徑Φ50。鉆桿頂進時，注意保護管口不受損、變形，以便與注漿管路連接。
2、按設計順序依次對每個孔進行鉆孔注漿，其原則是：鉆孔時每次長度不宜超過2米就進行注漿，有砂有水時，不管長度多少，出砂出水就注。依此往復循環(huán)，直至設計終孔為止。注漿順序如下：
17-18-16-19-15-20-14-21-13-22-12-23-11-24-10-25-9-26-8-27-7-28-6-1-5-2-4-3-29-30-31-32-33-35-37-34-36-38-40-42-39-41。
鉆孔布置詳見“注漿管布置立面圖”、“注漿管布置注漿角度圖”。在“注漿管布置立面圖”中顯示黑色實心孔為斜孔。
3、注漿時，嚴格控制漿液濃度及壓力，根據(jù)壓力變化，及時調(diào)整漿液濃度，直到達到設計終壓為止。
原則上，開始只注單液水泥漿，如果注漿壓力上不去且漿液用量大，則逐步改用雙液漿，以達到注漿壓力控制要求。
采取低壓力中流量注入，注漿過程中壓力逐步上升，流量逐漸減少，當壓力升至注漿終壓時，繼續(xù)壓注5min，即可結束注漿。注漿時通過控制注漿壓力控制注漿量。當注漿壓力較小，而注漿量較大時增大水泥漿的濃度，直至終壓達到1.5～2.0MPa，持續(xù)注漿至設計孔位深度。
4、注漿參數(shù)：
注漿擴散距離：3~5米。
注漿漿液濃度：水泥漿水灰比為0.5:1，水波璃濃度為20-25波鎂度，水泥漿和水玻璃的體積比為3:1。
注漿終壓：1.5-2.0Mpa
技術要點
①導向鋼管外插角必須嚴格照圖施工，保證注漿管外插角度。
?、诟骺鬃{時，間隔進行，以保證漿液擴散效果。
③各孔注漿時，間隔進行，以保證漿液擴散效果。
加固效果的檢測
該加固方式主要依靠水泥漿對加固土體的擠密作用，水泥漿不一定能夠均勻滲透入加固土體，因此采取抽芯的方法進行檢測反映不出加固效果。因此，現(xiàn)場實際采取水平抽芯檢測。沿洞門圈內(nèi)加固體范圍內(nèi)打9個水平探孔，觀察滲水情況。經(jīng)檢查注漿效果達到設計要求后，即可破洞門進行始發(fā)。
結束語
該端頭水平加固歷時約2個月，使用水泥約1100噸/單線端頭，水玻璃約20~30噸。加固完成后，沿洞門圈內(nèi)加固體范圍內(nèi)鉆打2.5~3m深的9個水平探孔，觀察滲水情況，僅3個探孔有少量清水滲出。據(jù)此初步判斷加固效果滿足盾構機出洞要求。在盾構機刀盤掘進至距離洞門約1m時，出空盾構機土倉渣土，開倉發(fā)現(xiàn)在3點鐘位置有漏水通道，滲水量約2m3/s，遂在車站吊出井內(nèi)對應位置施鉆水平孔，注入約500Kg油性聚氨酯堵漏，成功止水。隨后盾構機順利出洞。
地鐵盾構端頭土層水平注漿加固方式在上海、天津軟土地層有成功應用，但未推廣使用；在廣州地鐵是第一次成功應用。不久，我們在廣州地鐵6號線聯(lián)絡通道富水砂層加固也得到成功應用。從各地案例來看，水平注漿加固適應于各類地層，尤其適應于含水流砂層（高壓旋噴樁和攪拌樁成柱困難的地層）。跟進式水平注漿，不僅滿足了加固土體的止水要求，同時對加固土體的強度指標也能勝任。其優(yōu)點一是加固方便、堵水效果好；二是不占用地面場地、排污量很小，對環(huán)境污染小，現(xiàn)場文明施工容易保持。該方案設計及施工技術簡便可靠，實施很成功。對類似工程施工具有一定參考價值。
