前進式水平注漿加固在天津軟土中的應用

喻濤鋒

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

在天津地區軟土中施工盾構隧道，需要對盾構隧道的盾構井進行加固。在通常情況下，采用的加固方式有地面攪拌樁加固、地面旋噴樁加固或者是攪拌樁加旋噴樁加固;但是在有地面障礙、盾構井較深等情況下，使用地面加固的方法已不適用。前人已進行了其他方法的嘗試，如水平注漿加固、水平凍結法加固等。實踐證明前進式水平注漿加固效果好，經濟性較好，具有良好的應用前景。

在長大隧道中，注漿加固止水應用比較普遍，隨著注漿工藝的發展，在城市地鐵中采用注漿法加固也越來越普遍。鐘鋒等［1］研究了前進式水平注漿在地鐵中的應用，但是應用地質條件不一樣，地層為風化巖層，而本文研究的是軟土富水地層?？缀愕龋?］研究了水平分段注漿后形成加固體，起到臨時支護的作用，主要是填充注漿。本文重點是研究前進式水平注漿加固在軟土富水地層中的應用。

1 天津地區的地質條件特點

天津地區地層主要為海、路相交互沉積層。地表以下3～5 m為人工雜填土、素填土，該層以下土體主要有粉質黏土、淤泥質黏土、粉土、粉砂等。地下水豐富，有潛水和承壓水，地表以下2 m有一含水層，受大氣補給，水位變化受季節影響，通常被稱為潛水;在地表以下20 m左右有一淺層承壓水，水壓約0.16 MPa，水頭穩定，通常被稱為微承壓水或者淺層承壓水;地表以下70 m左右有一層承壓水，水壓約為0.6 MPa，水頭穩定，通常被稱為深層承壓水。

2 盾構隧道在天津地區的應用

天津地鐵1號線于2002年開工，2005年基本完成，但是在地鐵1號線施工過程中很少采用盾構法施工區間隧道。盾構法施工主要興起于天津地鐵2號和3號線。經過地鐵施工的驗證，現已經廣泛應用于其他地下工程。

3 天津地區地質條件對盾構法施工的影響

天津地區地質均勻，土體以粉質黏土、粉土、粉砂為主，易于盾構機掘進;但由于地層土體承載力小、含水豐富、穩定性差，在盾構機始發和到達的過程中容易發生透水事故。

4 前進式水平注漿在天津的應用

4.1 天津地鐵2號線靖江路站

天津地鐵2號線靖江路站盾構井深約為19 m，盾構井加固原設計方案為地面攪拌樁加旋噴樁加固。在攪拌樁、旋噴樁施工完成以后進行鉆芯取樣，發現加固的效果不是很理想，不能滿足盾構機始發要求。而后采用前進式水平注漿進行補充加固，注漿完成以后進行鉆芯取樣，經檢驗加固效果能夠滿足始發要求，施工過程始發、到達均沒有發生透水現象。

4.2 天津海河“共同溝”劉莊橋隧道

天津海河“共同溝”劉莊橋隧道盾構井深約27 m，盾構井加固原設計方案采用地面旋噴樁加固，加固后經檢驗加固效果一般，盾構機始發過程中發生涌水涌砂，造成盾構機淹沒。后采用前進式水平珠江進行補充加固，注漿完成以后進行鉆心取樣，經檢驗加固效果能夠滿足始發要求。

5 常見的幾種盾構井加固方法優缺點比較

通常采用的盾構井加固的方法有地面攪拌樁、旋噴樁垂直加固、凍結法加固、前進式水平注漿加固等，幾種加固方法的優缺點見表1。

表1 常見的幾種盾構加固方法比較Fig.1 Normal shield grouting methods

6 前進式水平注漿法加固的設計與施工

以海河“共同溝”劉莊橋隧道為例說明前進式水平注漿法加固的設計與施工。

海河“共同溝”劉莊橋隧道位于天津海河劉莊橋附近，橫穿海河，海河兩側各設1個盾構井作為盾構機的始發和接收井。盾構始發井深27 m，接收井深28 m，地址條件主要以粉土、粉質黏土、粉沙為主，地下水豐富，有淺層承壓水。盾構井原采用地面旋噴樁加固，效果不佳，后采用前進式水平注漿補充加固。

6.1 孔位設計

全斷面注漿始發井縱向加固長度為15 m，徑向加固范圍隧道開挖工作面及開挖輪廓線以外4 m，為減小注漿盲區在8 m處增設1個補孔斷面。由于隧道洞身及附近地層主要為粉質黏土、粉土，漿液擴散較困難，為了有效的對地層進行加固滿足開挖要求，注漿設計A-A斷面和B-B斷面的最外圈擴散半徑按1.5 m布置，其他區域擴散半徑按1.2 m布置。注漿孔位平面布置見圖1，剖面見圖2，隧道注漿斷面終孔交圈示意圖見圖3。

圖3 A-A斷面注漿孔縱剖面布置圖Fig.3 Profile of grouting holes at A-A section

6.2 注漿參數

水平前進式深孔注漿參數見表2。

表2 水平前進式深孔注漿參數表Table 2 Parameters of advancing horizontal detection grouting

6.3 注漿材料

根據地質情況及堵水加固的要求，擬采用普通水泥-水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽水泥-水玻璃［3］。施工過程根據涌水情況及地質情況進行選擇調整。

原材料:硫鋁酸鹽水泥(早強快硬，P·O42.5);普通硅酸鹽水泥(P·O42.5);水玻璃(濃度35 Be'，模數2.4～2.8)。

所使用材料必須合格、保質、新鮮。

根據室內試驗結果測試漿液性能如表3所示。

表3 注漿材料性能參數表Table 3 Performance of grouting materials

6.4 注漿順序

鉆孔注漿施工采取間隔跳孔分2序進行實施劈裂擠密型注漿加固［4-5］，施工順序先外后內，先下后上。

6.5 注漿工藝

前進式水平注漿工藝流程見圖4。

圖4 前進式水平注漿施工工藝流程圖Fig.4 Flowchart of advancing horizontal grouting

1)標定孔位確定鉆進外插角后，安放孔口管。

2)孔口管采用φ 89無縫鋼管預埋，長0.9 m，鉆孔機械采用電動空心鉆，鉆孔深度達到設計深度后用水泥基錨固劑錨固，以保證孔口管安設牢固不漏漿，孔口管預埋如圖5?？卓诠茔@孔時要通過儀器定位，保證孔口管預埋的位置以及角度準確。

圖5 孔口管預埋示意圖Fig.5 Orifice pipe insertion

3)為防止鉆孔過程中突發涌水突泥，孔口管安設完成前端須安設法蘭，發生涌水時立即推出鉆桿，然后利用法蘭安裝注漿堵頭，關閉堵頭上的閘閥以后涌水就立即停止。關閉閘閥以后漿注漿機注漿管與注漿堵頭另一端的管頭連接，當注漿壓力大于水壓時打開閘閥進行注漿，注漿管與孔口管連接見圖6。

圖6 孔口管與注漿管連接圖Fig.6 Connection of orifice pipe and grouting pipe

4)注漿鉆孔過程中每次鉆深1～2 m后安設注漿堵頭進行注漿施工，當該段注漿達到設計結束標準后，拆除注漿堵頭在原孔深基礎上再鉆進1～2 m，注漿到設計標準，再鉆孔，如此循環直到鉆注到設計深度，施工中可根據地質情況適當調整鉆注段長。前進式水平原理見圖7。

圖7 前進式水平注漿原理圖Fig.7 Mechanism of advancing horizontal grouting

6.6 注漿結束標準

6.6.1 單孔注漿結束標準

單孔注漿以定量定壓相結合。

1)定量標準。注漿量根據地層圍巖孔隙率30%，每m注漿量控制在4.0 m3，當注漿量達到設計注漿量的1.5～2倍，壓力仍然不上升，可采取調整漿液配比縮短凝膠時間或進行間歇注漿等工藝使注漿壓力達到設計終壓，結束該孔注漿。

2)定壓標準。根據地層涌水壓力注漿終壓定為:前8 m注漿壓力控制在3～4 MPa，6 m以后壓力控制在4.0～5.0 MPa(注漿過程根據漿液擴散情況并結合注漿量大小對注漿壓力終值進行驗證，確定合適的注漿終壓力。)單孔注漿壓力達到設計終壓并維持10 min以上可結束該孔。

6.6.2 全段結束標準［6］

1)設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象。

2)按總注漿孔的5% ～10%設計檢查孔，檢查孔滿足設計要求。

6.7 注漿效果檢查及評定

6.7.1 分析法

1)P-Q-t曲線法。通過對注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿速度Q進行P-t，Q-t曲線繪制，根據地質特征、注漿機、設備性能、注漿參數等對P-Q-t曲線進行分析，從而對注漿效果進行評判。

注漿施工中P-t曲線呈上升趨勢，Q-t曲線呈下降趨勢，注漿結束時，注漿壓力達到設計終壓，注漿速度達到設計速度(常取5～10 L/min)。

2)漿液填充率反算。通過統計總注漿量，可采用下式反算出漿液填充率，根據漿液填充率評定注漿效果，即

式中:ΣQ為總注漿量，m3，V為加固體體積，m3，n為地層孔隙率或裂隙度;α為漿液填充率;β為漿液損失率。

地層富含水時，漿液填充率須達到70%以上。

6.7.2 檢查孔法

1)選擇可能出現的薄弱環節進行鉆孔檢查，檢查孔數量按注漿孔總數的10%控制。檢查孔無涌泥、涌砂，不塌孔，涌水量小于0.2 L/min·m。

2)選擇適當數量檢查孔進行鉆孔取芯，取芯率達到70%以上。

3)對檢查孔進行注漿試驗，反算地層的填充度。

6.8 施工監測

為了保證在注漿過程中結構的安全，防止因注漿或水壓過大而引起圍巖局部發生變形等，鉆孔注漿施工期間需對注漿工作面后方30m范圍進行施工監測。

監測項目:地面沉降、管頂沉降、地連墻位移。監測頻率:1次/d。

測點埋設:每5 m布置1個斷面，每斷面布置水平收斂1對，拱頂下沉測點1個。

監測儀器:DSZ-2+FS1自動調平水準儀、JS-3型坑道收斂計。

控制標準:收斂速度v＜1 mm/d時正常施工;v=1～5 mm/d時應加強觀測，適當采取措施;v=5～10 mm/d時，應調整施工方案，v＞10 mm/d時，暫時停止施工、采取措施進行處理。

7 結論與討論

前進式水平注漿法加固盾構隧道盾構井，在基坑較深、地下水的等軟土底層中具有加固效果好、速度快、經濟等優點。在經過幾個工程實踐成功以后，該技術在天津地區應用已經日趨成熟，相信在天津乃至全國其他軟土地區會有更好的應用前景。

當然前進式水平注漿加固在軟土富水地區應用，如果要達到預定效果，需要采用劈裂注漿，注漿壓力較大，可能導致地面隆起，從本工程看，最終地面隆起約100 mm，需提前對地面管線進行保護。如何在應用前進式水平注漿的同時確保不影響地面建筑物或者地下管線是下一步研究的重點。

［1］ 鐘鋒，張東生.某地鐵暗挖段TGRM前進式分段深孔注漿工法探討［J］.西部探礦工程，2010(1):118-121.

［2］ 孔恒，彭峰.分段前進式超前深孔注漿地層預加固技術［J］. 市政技術，2008(6):17-20.(KONG Heng，PENG Feng.The Technique of earth prestabilization with deeplevel grouting heading in segmently onward mode for shallow excavation tunneling ［J］. Municipal Engineering Technology，2008(6):17-20.(in Chinese))

［3］ 劉玉祥，柳慧鵬.礦冶水泥-水玻璃雙液注漿中的最優參數選擇［J］. 礦冶，2005(4):4-6，25.(LIU Yuxiang，LIU Huipeng.Optimal parameter selection of cement-water glass two-shot grouting［J］.Mining and Metallurgy，2005(4):4-6，25.(in Chinese))

［4］ 鄺健政，昝月穩，王杰.巖土注漿理論與工程實例［M］.北京:科學出版社，2001.

［5］ 周富寬，彭峰.燃氣管線下穿地鐵五號線注漿加固技術［J］. 科技信息，2007(2):245-246，248.

［6］ 上海市建設和管理委員會.GB 50202—2002建筑地基基礎工程施工質量驗收規范［S］.北京:中國計劃出版社，2002.