動壓富水砂層盾構換刀區加固技術

王迎新

(中鐵六局集團盾構分公司,北京 100036)

砂層換刀是盾構施工一大難題也是盾構施工主要風險之一,填海區動壓富水砂層尤甚。根據具體地質情況,傳統的砂層換刀一般采用帶壓進倉或是凍結法或是地面旋噴樁加固。本工程位于填海區,并且受深圳特殊的燕山晚期侵入巖風化程度不一影響,加之停機位置地面處于沙河高爾夫球場內，工程施工過程中嘗試進行帶壓進倉,地面滲漏量太大,未能成功；凍結法、費工費時且現場也不具備場地條件；旋噴樁受動水及流砂側壓力影響普遍縮徑。本工程創造性地采用小型樁進行注漿帷幕施工,再對帷幕內部區域進行袖閥管注漿加固,成功實現了常壓進倉換刀。

1 工程概況

深圳地鐵2號線某標標段科—紅盾構區間右線盾構機在掘進至640環(此位置地面位于沙河高爾夫球場一球道內,距離刀盤前方20 m為寬約120 m的人工湖,此位置距預定加固區還有200多米距離)時,刀盤扭矩逐漸變大,綜合盾構機掘進參數分析,判斷刀具磨損已經嚴重。根據巖土勘察報告及深圳地區類似地層施工經驗判斷,前方地層遇到孤石或基巖隆起的概率較大,尤其是還要通過近120 m的人工湖段存在基巖隆起的可能,風險較高,為避免出現湖下停機開倉,必須就地停機檢查更換刀具。

隧道穿越區域原始地貌為大沙河三角洲相及海灘,場地經過吹砂、填土修筑,地面有大沙河及3處人工湖,水深約2～3 m,與海水有良好的水力聯系,地下水位及流向受潮汐影響非常大。

此處盾體埋深16.23 m,地質剖面如圖1所示,盾構機刀盤所在斷面自上至下地層情況是：

①1素填土 主要由黏性土混少量砂礫組成,局部夾有碎塊石,結構松散,層厚6.5 m；

③1素填土 主要由黏性土混少量砂礫組成,層厚1.37 m；

③2淤泥質黏土 軟塑為主,局部流塑,層厚5.68 m；

⑤2礫砂 主要成分為石英質,混黏性土約10%,飽和,松散～稍密,層厚6.05 m；

⑧3礫(砂)質黏土 由下伏粗粒花崗巖風化殘積而成,原巖結構可辨,多為硬塑狀。

圖1 地質剖面

停機位置盾構機刀盤上部處于礫砂層之中,下部為礫質黏土層,礫質黏土地層在無水的情況下具有一定的自穩能力,但是礫砂質地層顆粒級配差、黏性顆粒含量少、結構松散。從區域地質狀況分析,⑤2礫砂層乃是主要的地下水補給通道,直接與海水貫通。

由于特殊的場地環境,工程施工技術方案、設備配置、工期控制等都受到嚴重的制約。

(1)基巖段所處地面沙河高爾夫球會是中國十大高爾夫球會之一,進行場內地面施工將對球會的運營環境、形象造成較大影響,場地協調的難度非常大。

(2)由于受到高爾夫球場內環境、道路保護及工作時間管理、物資材料進出等諸多限制,工程可供選擇的加固工藝、機具設備都受到極大的限制。

(3)工程所處場地為填海區,周邊地質情況復雜多變,尤其是地下水與海水貫通屬動水,滲透系數大且直接受潮汐漲落影響,地層加固工藝、漿液配比等需要根據外界情況及時調整。

2 施工方案

礫砂層穩定性差,極易出現塌孔、縮徑的情況,通過在距離刀盤前方2.17 m、刀盤后方2.83 m,盾構機左右兩側各1.5 m的矩形區域內施工小型注漿樁對擬加固區與周邊砂層進行強制隔離,并在小型樁封閉的矩形區域內部靠近樁體部位進行袖閥管注漿,最終形成加固注漿的帷幕。再從加固區域周邊向中間進行袖閥管注漿。加固區平面布孔如圖2所示。小型樁和袖閥管注漿在盾構機周邊的鉆孔至隧道底板以下1.5 m,在盾構機上部的鉆孔至盾殼,鉆孔深度如圖3所示。

圖2 注漿加固平面布置(單位：mm)

圖3 盾構機上部鉆孔剖面(單位：mm)

由于是在盾構機停機狀態下對盾構機刀盤周邊進行原位加固,必須充分考慮盾構設備的安全,在地面進行注漿加固前需要對盾體周邊及土倉內注入足量的保護材料,防止盾構機受困或是密封損壞。

2.1 小型注漿樁施工

(1)小型樁施工工藝流程

樁孔定位→樁機就位→鉆孔→清孔→拔鉆桿→插注漿管→注清水→壓力注漿→樁頭處理。

(2)小型樁施工工藝

先根據設計圖紙進行現場放線,定出詳細孔位并進行現場標識,再采用MGJ-50型錨桿工程鉆機成孔并及時下管,最后注漿成樁。施工過程中由于地質條件比較惡劣,由上至下地層依次為填土層、淤泥層、砂層、礫質黏土層,土體穩定性差側壓力大。為了保證成樁質量避免此類地層常見的縮徑和塌孔現象,除了在鉆孔過程中采用高質量的泥漿護壁以外,采用φ220 mm鉆頭鉆孔,成孔以后立即下φ160 mmPVC管確保強制成樁。注漿工序在下管完畢后及時進行,將注漿管下至PVC管底,啟動注漿泵邊注漿邊拔管,直至由PVC管口返出純凈水泥漿液。

①樁機就位

鉆孔機采用MGJ-50型錨桿工程鉆機,根據工程要求配備φ220 mm各型鉆頭。就位前,首先將現場墊實整平,并根據樁位鋪設鉆機的行走軌道。

②鉆孔

開鉆后,通過調整鉆機動力頭輸出的轉速的變化來適應地層的變化,使鉆進過程中機身平穩。為防止塌孔,現場設泥漿池,配制泥漿。鉆進過程中,由鉆桿充入,進行泥漿護壁。在現場挖兩個規格3 m×3 m×1.5 m的泥漿坑,將鉆孔冒出的泥漿排入泥漿坑,夜間通過罐車運出。

鉆孔作業中,碰到大塊孤石或是基巖,應將鉆頭由筒式鉆頭換成金剛石鉆頭進行鉆孔。

③清孔

鉆機達到設計深度后,將鉆桿提起200 mm左右,注入清水開動鉆機空鉆,進行清孔作業,到孔中流出的泥漿比重小于1.2為止,從而達到置換泥漿清孔的目的。

④插注漿管

清孔后逐節拔鉆桿,插入注漿管。注漿管的出漿口必須下至孔底。

⑤注漿

注漿采用32.5級普通硅酸鹽水泥,注意攪拌罐中嚴禁有雜物及硬塊,最后進行注漿,直到比較純凈的水泥漿連續溢出孔外為止。

(3)小型樁施工質量控制

小型樁的作用主要在于能將礫砂層強制隔離,保證帷幕區域內部袖閥管注漿加固漿液不外竄,其施工質量控制主要從平面位置、樁體傾斜度、深度以及樁體強度來進行控制。

(4)小型樁施工控制要點

①鉆機定位準確,嚴格按質量控制要求調平,避免造成成樁歪斜,無法有效形成帷幕。

表1 小型樁質量控制標準

②成孔過程中應添加高質量的泥漿,保證成孔質量,防止塌孔導致后期下管困難。

③注漿過程應確保注漿管觸及孔底,緩慢提管,將孔底浮渣排除,完成樁體注漿后應將注漿槍頭插入PVC管周邊繼續注漿,直至樁周邊開始返漿。

2.2 袖閥管注漿施工

(1)袖閥管注漿施工工藝流程

鉆機就位→鉆孔護壁→清孔→澆筑套殼料→安裝袖閥管→固管止漿→開環灌漿→后備注漿。

(2)袖閥管注漿施工工藝

①鉆機安裝

底座水平,機身穩固可靠。移動鉆機,調整鉆機高度,將鉆桿下至地面預定鉆孔空標志處,用水平尺及量角器校正鉆機水平及鉆桿垂直度。

②鉆孔護壁

采用納基膨潤土配制稀泥漿護壁,比重1.15～1.2。當出現漏泥漿、返清水或是孔內塌孔卡鉆時可適當加大泥漿比重,嚴重塌孔時用φ108 mm套管護孔,待孔內注入套殼料并下入袖閥管后,才將φ108 mm套管提出孔外。在鉆孔過程中嚴格做好過程記錄,尤其是返漿情況,以供注漿作業參考。

③清孔

連接注漿管,用注漿泵向孔內泵送大量清水,將孔內的泥漿和沉渣沖出孔外,直至孔口返出清水。

④澆筑套殼料

鉆孔至設計深度并洗孔后,立即將套殼料通過鉆桿泵送至孔底,自下而上灌注套殼料至孔口溢出符合濃度要求的原漿液為止。

⑤安裝袖閥管

依次下入按注漿段配備的袖閥花管和芯管,袖閥管采用φ48 mm成型袖閥管,下管時及時向管內加入清水,克服孔內浮力,順暢下入至孔底。

⑥固管止漿

在袖閥管外花管與孔壁之間的環狀間隙處下入注漿管,在孔口上部2 m孔段壓入止漿固管料,直至孔口返漿為止。止漿固管料配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1.53∶1.94。孔口段采用水玻璃作速凝劑,縮短凝固時間。

⑦待凝

要待孔口段止漿料凝固后才能灌漿。待凝時間控制在2～3 d以內。

⑧開環灌漿

灌漿的前期階段,使用稀漿(或清水)加壓開環。在加壓過程中,一旦出現壓力突降,進漿量劇增,表示已經“開環”。開環后即按設計配比開始正式注漿。正常注漿階段采用水泥水玻璃雙液漿,根據現場進漿情況動態控制配比,參考水灰比1,水泥漿∶水玻璃(30 Be′)=3∶1～10∶1。

⑨終灌標準

a.當注漿壓力≥2 MPa,吸漿量<15 L/min,穩定時間30 min；靠近盾構機兩排袖閥管注漿壓力要求控制在1 MPa以內。

b.發生竄漿或漿液漏失嚴重時,立即停止注漿。

⑩后備注漿

每孔注漿完畢后,用φ20 mm水管插入袖閥管內,泵入清水把袖閥管內殘留水泥漿沖洗干凈,以備復注,管口用膠布封上,以備必要時進行重復注漿。

(3)袖閥管注漿的施工技術要點

①套殼料澆筑的好壞是保證注漿成功與否的關鍵,它要求既能在一定的壓力下壓開填料進行橫向注漿,又能在高壓注漿時,阻止漿液沿孔壁或管壁流出地表。套殼料要求其脆性較高,收縮性要小,力學強度適宜,既要防止串漿又要兼顧開環。套殼料采用膨潤土和水泥配制,配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1.53∶1.94,漿液密度約為1.2～1.3 g/cm3,漏斗粘度26 s。根據工程中的要求,套殼料凝固時間和強度增長速率應控制在2～5 d內可灌漿,本工程實施過程中待凝時間基本在2 d左右。

套殼用量(m3)=1.3×π×(鉆孔半徑2-袖閥管半徑2)×注漿段最高度。

②注漿采用32.5級復合硅酸鹽水泥,漿液水灰比采用1.0、0.8、0.7共3個比級,注漿時按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調整水灰比。

③現場要求注意注漿順序和間歇的控制,每次都必須跳開一個孔進行注漿,以防止發生竄漿現象；全孔段注漿完成后,間歇一段時間再進行第二次注漿,間歇時間控制在10～30 min。

(4)壓力注漿時的監測措施

在注漿過程中,要密切監測球場草坪、地面等的沉降情況,如發現有明顯的上抬趨勢或是漏漿情況,應立即停止注漿。發現冒漿、漏漿,應根據具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進行處理。

3 結語

圖4 加固前后芯樣對比

填海區土質松散,地質情況復雜多變,地下水受潮汐影響大。此類動壓富水砂層注漿加固施工難度大,成本高,尤其是難以控制注漿范圍。在地面施工條件受到極大限制難以采用高大設備和運輸大宗物料的情況下采用小型水泥注漿樁進行帷幕施工,強制隔離擬加固區域并在帷幕內部區域進行袖閥管注漿。本工程加固前后鉆孔取芯對比如圖4所示,工程實施取得了預期的效果,確保了常壓開倉換刀施工安全。對比類似工程常用的旋噴樁、凍結法或是單純的袖閥管注漿不僅成本相對較低而且工期可以大大縮短,本技術的成功運用可以為類似工況地層加固提供借鑒。

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