復雜場地條件下盾構進洞端頭井加固技術

房安民,錢 新,王 巖

(1.北京中鐵誠業工程建設監理有限公司,北京 100055； 2.北京住總集團市政工程公司,北京 100029)

盾構法隧道施工中,端頭井土體加固是盾構機始發、到達技術的一個重要組成部分,也是盾構機始發、到達事故多發地帶,即端頭井土體加固的成功與否直接關系到盾構機能否安全始發、到達。因此,合理選擇端頭井加固施工工法和必要的加固措施,是保證盾構法隧道順利施工的非常重要的環節。北京市軌道交通大興線黃村火車站—義和莊站區間,右線盾構于2009年10月9日到達接收井,盾構到達前3個月對端頭井進行了加固。由于端頭井范圍內存在雨水、污水、電信3條管線(圖1)且端頭井管線改移后回填土及地質條件極差,致使在盾構進洞時地表沉降過大及污水管線斷裂,洞門發生了涌水涌砂,不僅耗費了大量的人力、物力、財力,而且工期也受到影響；左線盾構在總結右線進洞的基礎上,并結合現場實際情況對端頭井采取了小管棚注漿的加固方法,于2009年10月29日順利實現了接收。

1 工程概況

北京市軌道交通大興線01標段黃村火車站—義和莊站區間起止樁里程：DK14+874.500～DK16+746.9,區間左線長度1 863.462 m,區間右線長度1 872.057 m,總長度共計為3 735.519 m。黃村火車站—義和莊站區間工程采用2臺海瑞克土壓平衡盾構機施工,右線先從義和莊站始發,左線隨后平行施工。

2 工程地質及水文地質概況

根據詳勘報告,黃村火車站接收井土質從上至下分別為：①素填土①1層、雜填土①2層；②粉土②層、粉質黏土②1層、粉細砂②2層,土層厚度0.8～6.7 m；③粉質黏土③層、粉土③1層、粉細砂③2層、黏土③3層,土層厚度12.9～19.3 m；④粉細砂④1層、粉土④2層,土層厚度1.2～9.3 m；⑤粉土⑤1層,土層厚度1.5 m；⑥圓礫⑥層、粉細砂⑥1層,粉質黏土⑥3層,土層厚度2.0～14.5 m；⑦粉質黏土⑦層、細砂⑦1層、圓礫⑦2層,土層厚度2.1～7.8 m。

盾構隧道洞頂位于粉細砂③2,隧道結構主體地基持力層主要為③層粉質黏土和③1層粉土及③2層粉細砂,屬中壓縮性土。

根據詳勘報告,黃—義區間地下水主要為上層滯水、潛水和層間潛水,上層滯水主要為農田灌溉所致,無穩定水位；由于層間潛水受大氣降水影響較大,水位有一定的變化,變化幅度一般在2～3 m。

本區間隧道結構在地下穩定水位以上。

3 場地環境

盾構左右線端頭井加固范圍內有3條管線：φ300 mm污水管道、2.0 m×1.2 m雨水管溝、6孔電信管道,且污水、雨水管線均含有水,管線具體位置如圖1所示。

4 盾構進洞技術難點

(1)現場管線復雜,端頭井加固難度大,效果差。右線盾構進洞原設計方案為垂直旋噴樁加固,由于場地管線復雜,該加固無法正常實施,結合現場情況改為斜向單孔注漿并對管線進行保護,旋噴機器跳開管線進行加固。該加固方法旋噴樁不能咬合,管線周圍存在加固盲點,漿液擴散半徑小,加固效果差；

(2)隧道頂部及斷面內粉細砂層較厚,密實且自穩性極差,動荷載作用下極易塌落；

(3)對右線地表塌方現場查看,端頭井管線改移后回填土多為生活垃圾,穩定性極差；

(4)右線端頭井失效導致左線端頭井土質擾動極大,二次沉降風險較大；

(5)右線端頭井污水管斷裂,致使左線端頭井范圍存在水源,易導致洞口涌水、涌砂事故。

為了確保左線盾構順利接收,綜合考慮現場情況后,對左線盾構進洞端頭井加固采用封閉洞門后在其掌子面內實施小管棚注漿方法。

5 左線盾構進洞加固方案

5.1 加固機理

在封閉的洞門圈內鉆孔并插入導管,用速凝干水泥粉封堵鉆孔孔口,待水泥凝結后利用注漿設備與小導管密封連接進行注漿,漿液在壓力作用下充填導管、導管與鉆孔間空隙、周圍土層,漿液擴散半徑為1.5～2 m。

導管既可以加固土體、對隧道頂部土體起到棚護作用,還可以防止在洞門鑿除后隧道頂部粉細砂由于盾構動荷載作用下沿洞口與盾殼、圍護結構與土體之間空隙流入接收井內,造成地表沉降較大而致使地面塌方；小導管注漿,漿液通過導管孔口進入封閉狀態的被注地層(粉質黏土層、粉細砂層等),使漿液在被注地層中向四周擴散,達到充填、擠壓、密實并增強土體穩定性作用；同時還可以利用小導管、漿液、土層三者間的粘結作用,更好地增強管棚的作用。

端頭井加固完成后,盾構開始掘進,在盾構刀盤到達圍護樁前,先不進行破洞,盾構機帶壓推進,待到盾構刀盤抵達洞門圍護樁時,停止掘進,開始破除洞門,盾構進洞。

通過管棚及注漿的作用,可以減少拆除圍護結構時振動對洞門周圍土體的影響，確保在盾構進洞前圍護樁破除后掌子面土體暴露狀時間內(1～2 d)地層穩定；減小土體的滲透性,阻止盾構進洞前洞門與盾構、圍護結構與加固土體間發生涌水、涌砂等事故；防止盾構土壓建立困難造成洞門周邊地層下沉、管線及掌子面坍塌等；同時要滿足盾構大件吊裝作業時地基承載力要求。

5.2 加固實施方案

(1)加固范圍

端頭井縱向加固長度沿隧道軸線方向6 m,地層土體加固深度為洞門圈周邊向外約2～3 m。

(2)導管布置

在洞門圈水平中心線向上1 m、沿洞門圈周邊布孔,鉆孔間距25 cm,直徑50 mm,角度向上8°～15°；利用鉆機鉆孔后插入小導管,小導管直徑42 mm,長6 m,入土深度約5.8 m,露出約0.2 m與洞門圈焊接；共計32個導管。如圖2、圖3所示。

圖2 小管棚注漿加固平面(單位：m)

圖3 小管棚注漿法加固剖面(單位：m)

(3)施工材料

①加固設備：鉆機、攪拌機、空壓機、注漿泵、管線、儲漿桶及各種材料；

②導向管：導向管長度6 m,外徑42 mm,壁厚3.5 mm鋼管,一端焊接內徑25 mm的外絲。

(4)鉆孔注漿順序

在完成所有鉆孔、導管插入鉆孔及孔口封堵完成后,根據地質情況采用先上后下、由內至外、跳孔注漿的加固原則對每個導管注漿。

(5)注漿壓力

注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa,注漿時要嚴格控制注漿壓力,并根據現場實際情況適當調整,防止地層隆起破壞管線。

(6)注漿參數

注漿漿液的水泥漿水灰比為0.5∶1,水玻璃濃度為20～25 Be′,水泥漿和水玻璃體積比為3∶1。實際注漿過程中根據注漿量及壓力的變化可適當調濃度,以確保施工質量,同時施工過程中做好施工記錄。

(7)注漿結束標準

按設計達到注漿壓力,在注漿設計終壓下持續30 min,且進漿量明顯減少。

(8)注漿孔檢測

注漿結束后,按設計要求打設檢查孔進行檢測,沿洞門加固體范圍內打設水平探孔,孔深5 m,觀察分析加固效果,經檢查注漿效果達到設計要求后即可鑿除洞門,盾構開始進洞。

(9)注意事項

①機械鉆孔外插角必須嚴格按照技術交底施工,保證注漿管外插角度；

②洞門圈內掛網噴混凝土厚度必須滿足要求,使其成為止漿墻封閉注漿的漿液以防漏漿；

③各孔注漿時應間隔跳孔進行,以保證漿液擴散效果；

④嚴格控制注漿量和注漿壓力,在注漿時加強地面、管線監測,防止地表及管線沉降或隆起超標。

5.3 加固效果

通過對左線端頭井實施小管棚注漿法的地層加固措施,并在施工中切實落實各項保障措施,地表最大沉降控制為9.14 mm,管線最大沉降為4.48 mm,遠小于設計控制的沉降量：地面沉降/隆起30 mm,管線沉降/隆起20 mm。

6 小管棚注漿法施工相應保證措施

6.1 安全質量保證措施

(1)工程施工前,認真做好技術交底并對施工管理及操作人員培訓；

(2)注漿泵應全面檢查和清洗干凈,防止泵體的殘渣和鐵屑存在,各密封圈完整無泄漏,安全閥中的安全銷要進行試壓檢驗,確保能在額定最高壓力時斷銷卸壓；

(3)壓力表應多次檢查,保證正常使用,并要求將壓力表檢測證書送項目部試驗室；

(4)司鉆人員需熟練操作技能,了解注漿全過程及鉆機注漿作用；

(5)嚴格控制注漿量和注漿壓力,地表要埋設觀測點,在注漿時加強地面和管線的監測,防止地表隆起影響路面及上部管線等；

(6)做好施工記錄,操作人員嚴格按照技術交底施工。

6.2 應急處理預案

(1)施工前詳細了解施工場地情況,查明各管線的詳細資料,詳細記錄鉆孔過程中導管穿越的地層,并做好相應的應急措施；

(2)準備好應急物資,包括：水泥2 t,砂5 t,速凝劑,碎石10 t,4寸污泥泵4臺,2寸污泥泵2臺,鐵鍬20把,蛇皮帶500個,木板,鋼管支撐若干,錨噴機,風炮,空壓機,注漿泵,照明燈等；

(3)成立風險管理及應急事件處理機構,從組織、方案、人員、設備物資等全方位予以保證,確保其處于受控狀態。在發生問題時各相關單位及人員能夠及時有效的進行處理,將事故所造成的損失及不良影響降低到最低限度。

7 結論及展望

本工程盾構左線在施工場地條件復雜、采取常規加固方法(注漿加固、深層攪拌樁、旋噴樁)效果達不到設計要求下,在洞門掌子面內采取小管棚注漿法,與盾構右線相比,有如下優點。

(1)施工工期

盾構左線小管棚注漿法從2009年10月20日開始施工,截止到2009年10月29日,左線盾構安全順利進洞,相比盾構右線采用的旋噴樁及斜向單孔注漿加固節省了5 d工期。

(2)工程成本

與盾構右線端頭井采用旋噴樁及斜向單孔注漿加固相比,盾構左線小管棚注漿法方案節約工程成本40%左右。

(3)施工效果

盾構左線端頭井小管棚注漿法在場地特殊情況下的加固,有效地控制了地面及管線的沉降,并確保了盾構安全順利的接收,為今后類似工程提供了寶貴借鑒。

左線盾構進洞期間,部分粉細砂從洞門與盾殼、圍護結構與土體間空隙進入接收井,后在管棚上用沙袋及木板封堵,確保了盾構安全進洞。總結左右線盾構接收經驗,盾構進洞洞門與盾殼應采用由橡膠簾布、折形壓板、墊片和螺栓等臨時密封裝置封堵；圍護結構與加固土體間應加強旋噴樁加固,確保界面的密貼,保證土體的穩定性。

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