成都砂卵石地層注漿加固技術(shù)應(yīng)用

王國(guó)義

(中鐵十三局集團(tuán)第二工程有限公司，廣東深圳 518083)

0 引言

成都地鐵1號(hào)線已經(jīng)開始運(yùn)營(yíng)，2號(hào)線一期正在試運(yùn)營(yíng)過程中，2號(hào)線二期(西延線)盾構(gòu)施工已經(jīng)完成。這2條線的盾構(gòu)施工說明，在成都高富水、高卵石含量條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工是可行的?，F(xiàn)階段，對(duì)成都地區(qū)盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物和重要管線的沉降控制普遍采用袖閥管注水泥漿加固的方法，但實(shí)踐證明，在成都砂卵石地層條件下采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行注漿加固存在以下問題:水泥漿由于漿體顆粒大無法注入密實(shí)砂卵石層中［1］;袖閥管注漿時(shí)，管的頂部封口不理想［2］，注漿加固時(shí)漿液向上冒，注漿效果不理想。盾構(gòu)穿越時(shí)容易出現(xiàn)隧道上方管線、建(構(gòu))筑物等沉降，一旦沉降過大或塌陷，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。以往的注漿加固方法應(yīng)用于成都富水砂卵石地層中無法保證注漿效果。為了解決成都砂卵石地層注漿加固難題，本文分析了以往常用的袖閥管注漿在成都砂卵石地層下的不足之處，提出制作封口管，通過注聚氨酯進(jìn)行封口，注水泥－水玻璃漿填充大的空隙，注AB化學(xué)漿液填充小的空隙，并凝結(jié)形成一個(gè)整體，進(jìn)而形成高富水、高卵石含量地層下的注漿加固技術(shù)。

1 工程概況

成都地鐵隧道主要穿越砂卵石地層，卵、礫石成分以灰?guī)r、砂巖、石英巖等為主，呈圓形－亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。卵石含量約80%，粒徑以20～100 mm為主，最大粒徑為500 mm，圓礫含量約10%，兼夾漂石，漂石最大粒徑為270 mm。卵石硬，最大強(qiáng)度可達(dá)200 MPa。卵、礫石以中等風(fēng)化為主。充填物主要為中、細(xì)砂及少量黏性土。卵石土層頂板埋深為8.2～22.0 m。經(jīng)過長(zhǎng)期沉積，未降水區(qū)域砂卵石層致密性較好。

按地下水賦存條件，地下水可分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水2種類型。其中，第四系孔隙水，主要賦存于各個(gè)時(shí)期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強(qiáng)，滲透系數(shù)大(25 m/d)，地下水水量豐富，是段內(nèi)地下水的主要存在形式。

2 盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物進(jìn)行加固的必要性

成都地鐵盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物時(shí)，必須進(jìn)行盾構(gòu)穿越前的預(yù)注漿和穿越后的補(bǔ)注漿。其主要原因?yàn)?1)砂卵石地層顆粒間無膠結(jié)力，整體穩(wěn)定性差，易剝層坍塌;2)穿越建(構(gòu))筑物風(fēng)險(xiǎn)大，建(構(gòu))筑物倒塌會(huì)造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失;3)成都盾構(gòu)掘進(jìn)難以建立真正的土壓平衡掘進(jìn)模式，當(dāng)人員操作不當(dāng)時(shí)，容易造成實(shí)際出渣量大于預(yù)估的設(shè)計(jì)出渣量的現(xiàn)象;4)盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)砂卵石地層擾動(dòng)較大，若隧道上方地層松散，孔隙率較大，盾構(gòu)穿越時(shí)的擾動(dòng)會(huì)造成卵石重新排列，局部密實(shí)，從而造成排列后的卵石層上方局部出現(xiàn)空洞，進(jìn)而影響到地表建(構(gòu))筑物的安全。

3 傳統(tǒng)袖閥管注漿施工

成都砂卵石地層不適用攪拌樁和旋噴樁［3］進(jìn)行加固施工，一般常采用袖閥管注水泥漿的加固方法。

3.1 傳統(tǒng)袖閥管注漿法

傳統(tǒng)袖閥管注漿法是通過較大的壓力將漿液注(壓)入巖土層中，注漿芯管上下的阻塞器可實(shí)現(xiàn)分段分層注漿，可根據(jù)施工需要選擇連續(xù)或跳段注漿。此工法在全程注漿的施工中，通過分段注漿，使松散的地層和較密實(shí)的地層均得到很好的注漿加固效果［4］，避免了以往的注漿工藝在松散地層和較密實(shí)地層同時(shí)存在時(shí)，松散地層注漿量大而較密實(shí)地層注不進(jìn)漿的現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 傳統(tǒng)袖閥管注漿施工工藝

工藝流程圖［5］如圖1所示。

1)測(cè)量放樣。根據(jù)已布設(shè)好的控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算孔的坐標(biāo)位置，使用全站儀定出孔位;用水準(zhǔn)儀測(cè)量地面高程，確定鉆孔深度。

2)鉆孔。采用植物膠護(hù)壁機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔，鉆進(jìn)深度應(yīng)到達(dá)需要進(jìn)行注漿加固區(qū)域的范圍。

3)下管。根據(jù)孔深度連接袖閥管，袖閥管上口露出地面20 cm，將連接好的袖閥管下口用尖底封好;將袖閥管下入孔中，并使袖閥管下到孔底。

4)洗孔。用高壓水對(duì)孔壁進(jìn)行清洗，減少孔內(nèi)沉渣，將孔壁植物膠清洗干凈［6］。

5)下套殼料和封口。下套殼料，并在注漿范圍頂部灌一層厚的砂漿進(jìn)行封口，以防止注漿過程中冒漿現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 傳統(tǒng)袖閥管工藝流程圖Fig.1 Procedure of traditional Soletanche grouting

6)注漿。采取分段式注漿。注漿過程中，每段注漿完成后，向上或向下移動(dòng)1個(gè)步距的芯管長(zhǎng)度［7］。注漿結(jié)束后，在注漿管上口蓋上悶蓋，以便于復(fù)注施工。袖閥管注漿示意如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)袖閥管注漿示意圖Fig.2 Sketch of traditional Soletanche grouting

3.3 砂卵石地層采用傳統(tǒng)袖閥管注漿加固不足之處

1)洗孔是為了將護(hù)孔壁的泥漿和植物膠清洗干凈，保證注漿效果。清洗過程中孔壁周圍的砂卵石向孔內(nèi)塌陷，嚴(yán)重時(shí)砂卵石會(huì)將孔間隙全部充滿，導(dǎo)致套殼料不能按設(shè)計(jì)下到位，封口位置不準(zhǔn)確，影響注漿效果;同時(shí)，成都砂卵石地層一般是上部松散下部相對(duì)致密，施工過程中往往是漿液基本注入表層的松散層，需要注漿加固位置的深層反而未注入漿液。

2)成都砂卵石層地下水豐富，注入的水泥漿液很容易稀釋并被水沖走，導(dǎo)致注漿效果不好。

3)對(duì)于致密性好的富水砂卵石層，因?yàn)樗嗟牧綖?0～80 μm，無法注入到砂卵石縫隙中，不能加固成一個(gè)整體，導(dǎo)致注漿加固效果不好。

4 粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿施工

根據(jù)袖閥管的施工工藝和傳統(tǒng)袖閥管注漿加固在成都卵石地層的不足，經(jīng)過深入研究，提出改進(jìn)措施，經(jīng)過多次改進(jìn)與試驗(yàn)，形成了高富水、高卵石含量地層條件下的固定封口、水泥－水玻璃與AB化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿加固施工方法(即粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿施工方法)。

4.1 粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿施工工藝

工藝流程圖如圖3所示。

圖3 粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿工藝流程圖Fig.3 Procedure of fine-material-coarse-material-combined grouting

1)測(cè)量放樣。根據(jù)已布設(shè)好的控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算孔的坐標(biāo)位置，使用全站儀定出孔位;用水準(zhǔn)儀測(cè)量地面高程，確定鉆孔深度。

2)鉆孔。采用植物膠護(hù)壁機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔，鉆進(jìn)深度應(yīng)到達(dá)需要進(jìn)行注漿加固區(qū)域的范圍。

3)下管。首先根據(jù)注漿范圍下帶單向閥的注漿管，然后連接封口管(見圖4)，最后連接不帶孔的注漿管(每根不帶孔注漿管外側(cè)固定1根與注漿管等長(zhǎng)的小鋁管)，同時(shí)將小鋁管連接。

圖4 封口管示意圖Fig.4 Sealing pipe

4)洗孔。將注漿芯管下到注漿管底部，將高壓水打入注漿芯管內(nèi)，經(jīng)注漿管底部單向閥進(jìn)入孔內(nèi)，對(duì)孔壁的植物膠進(jìn)行清洗，一直達(dá)到孔頂部返水出現(xiàn)清水為止(說明孔壁植物膠已經(jīng)清洗干凈)，最后將注漿芯管抽出［8］。

5)封口。使用手壓泵將適量的聚氨酯經(jīng)小鋁管注入到3道密封彈性橡膠管內(nèi)，密封橡膠管充滿聚氨酯膨脹。當(dāng)密封橡膠管壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，連接3道密封彈性橡膠管之間小鋁管上的單向閥開啟，聚氨酯進(jìn)入3道密封橡膠管之間的2個(gè)腔內(nèi)，聚氨酯遇水迅速膨脹將2個(gè)腔填滿，一直達(dá)到手壓泵注不進(jìn)去為止，封口完成。注漿區(qū)域頂部封口示意圖如圖5所示。

6)注水泥－水玻璃漿。采用雙液氣動(dòng)注漿泵將攪拌好的水泥漿和水玻璃漿按1∶1體積配合比注入注漿管內(nèi)(水泥－水玻璃初凝時(shí)間控制在10 min左右)，經(jīng)注漿管單向閥向加固區(qū)域擴(kuò)散，填充大的空隙并凝結(jié)［9］。當(dāng)氣動(dòng)注漿泵注入壓力達(dá)到3 MPa左右時(shí)停止。

7)清洗注漿管。水泥－水玻璃注漿結(jié)束后立即將注漿芯管再次插入到注漿管底，上部止?jié){圈密封拆除，注入清水對(duì)注漿管進(jìn)行清洗，將注漿管底部的沉積水泥清洗掉，當(dāng)注漿管頂部返出清水為止，然后抽出注漿芯管。

8)注AB化學(xué)漿液。采用氣動(dòng)雙液注漿泵注入AB化學(xué)漿液?；瘜W(xué)漿液經(jīng)注漿管單向閥注入到水泥－水玻璃漿無法注入的需加固范圍內(nèi)，擠走此范圍的水，并迅速反應(yīng)與砂卵石粘結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的整體。AB液的初凝時(shí)間控制在3 min左右，注入體積為計(jì)劃加固區(qū)域體積的6%(設(shè)計(jì)為加固區(qū)域含水體積的1.2倍)。當(dāng)AB液按計(jì)劃量注入完成后清理現(xiàn)場(chǎng)，注漿加固結(jié)束。若計(jì)劃量未全部注入時(shí)，氣動(dòng)注漿泵已經(jīng)無法泵入，則需要調(diào)整AB液材料配比，需適當(dāng)增加AB液的初凝時(shí)間。

圖5 注漿區(qū)域頂部封口示意圖Fig.5 Top sealing of grouting area

4.2 粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿施工的優(yōu)缺點(diǎn)

4.2.1 優(yōu)點(diǎn)

1)3道密封彈性橡膠管和2個(gè)腔內(nèi)全部注入聚氨酯并成為凝固體，在注漿范圍頂部進(jìn)行封口，能有效解決注漿封堵難題［10］，注入的漿液能夠全部注入到計(jì)劃加固區(qū)域內(nèi)。

2)應(yīng)用水泥－水玻璃雙液漿，凝固時(shí)間短，可以防止?jié){液的流失;同時(shí)，水泥－水玻璃漿能有效填充需加固范圍內(nèi)大的空隙，并形成具有一定強(qiáng)度的整體。

3)化學(xué)材料全部溶解于水中，形態(tài)與水相似，容易注入到水泥－水玻璃漿無法注入的致密性好的砂卵石層，并迅速與砂卵石粘結(jié)，確保加固體的形成。

4.2.2 缺點(diǎn)

1)無論是水泥－水玻璃漿還是AB化學(xué)漿液，在注入過程中設(shè)備必須完好，不能中途停止。一旦由于某種原因停止，注漿管內(nèi)漿液凝固，不能再次注漿，將無法達(dá)到計(jì)劃注漿效果。

2)材料成本相對(duì)較高。

4.3 工程實(shí)例注漿效果

成都地鐵2號(hào)線二期工程(西延線)土建2標(biāo)盾構(gòu)正下方穿越土橋社區(qū)民房數(shù)10間(一般為2層樓房)，基礎(chǔ)為下挖1 m的磚基礎(chǔ)，建筑時(shí)間為19世紀(jì)70年代。在建筑物的隧道正上方每隔3 m打設(shè)1個(gè)注漿孔(注漿孔深度到隧道頂部)，采用粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿工藝進(jìn)行注漿加固。盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物期間出渣量少于未加固區(qū)域，最終加固區(qū)域建(構(gòu))筑物最大沉降量為4.8 mm。實(shí)踐證明，粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿方法優(yōu)于傳統(tǒng)袖閥管注漿加固方法，適用于成都高富水、高卵石含量地層條件下的注漿加固。

5 結(jié)論與討論

成都砂卵石地層地質(zhì)特殊，常規(guī)的注漿加固方法效果不理想。經(jīng)過粗細(xì)顆粒相結(jié)合注漿加固法的實(shí)踐應(yīng)用，無論是松散砂卵石地層還是致密砂卵石地層，水泥－水玻璃與AB化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿材料都能較為有效地注入，并形成一個(gè)加固整體。注漿加固可靠性較高，是適用于富水砂卵石地層加固的有效方法，基本解決了盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物或管線造成的沉降風(fēng)險(xiǎn)。此種注漿加固方法明顯優(yōu)于其他加固方法。

施工過程中由于注漿材料凝固時(shí)間短，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，漿液易在孔內(nèi)過早固結(jié)，從而造成廢孔。如何改進(jìn)此問題，減少?gòu)U孔產(chǎn)生，保證每一個(gè)鉆孔都能按計(jì)劃注漿和保證注漿效果，還需進(jìn)一步探討。

［1］ 宋修元.富水砂卵石地層洞內(nèi)深孔定點(diǎn)填充注漿加固技術(shù)淺析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(3):138－141.(SONG Xiuyuan.Analysis on deep hole grouting consolidation for tunnels in water-rich sandy gravel stratum［J］.Modern Tunneling Technology，2011，48(3):138 － 141.(in Chinese))

［2］ 周麟.袖閥管注漿在松江站地基加固中的應(yīng)用［J］.上海鐵道科技，2011(4):84 －85，66.

［3］ 霍小妹.袖閥管注漿封閉截水施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011(20):65 － 66，69.(HUO Xiaomei.Construction technology of water truncation with sleeve valve pipe［J］.Construction Technology，2011(20):65 －66，69.(in Chinese))

［4］ 楊海鴻.砂卵石富水地層注漿加固技術(shù)［J］.山西建筑，2007(7):339 －340.(YANG Haihong.The injecting reinforcement technique of sandy gravels watery strata［J］.Shanxi Architecture，2007(7):339 －340.(in Chinese))

［5］ 張文強(qiáng).袖閥管注漿技術(shù)在高速公路路基工程中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2006，26(5):75 － 78.(ZHANG Wenqiang.Application of sleeve-valve pipe grouting technology in consolidation of highway subgrade works［J］.Tunnel Construction，2006，26(5):75 －78.(in Chinese))

［6］ 孔少波，王興猛，張玉川.水平袖閥管深孔注漿在廣州地鐵的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003(4):49 －54.(KONG Shaobo，WANG Xingmeng，ZHANG Yuchuan.Application of deep-hole grouting with horizontal sheathed pipes in Guangzhou Metro［J］.Modern Tunnelling Technology，2003(4):49 －54.

［7］ 袁輝.袖閥管注漿加固深層土技術(shù)［J］.市政技術(shù)，2005(6):65 － 67.(YUAN Hui.Injection grouting technique of deep-level soil stabilization by sleeve valve［J］.Municipal Engineering Technology，2005(6):65 －67.(in Chinese))

［8］ 劉坤鵬，管澤英.注漿加固地層技術(shù)在淤泥地層中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2006，26(1):79 － 82.(LIU Kunpeng，GUAN Zeying.Application of grouting consolidation technology in mud ground［J］.Tunnel Construction，2006，26(1):79 －82.(in Chinese))

［9］ 王建新，鄧稀肥，陳壽根.下穿立交橋地鐵隧道袖閥管加固技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2009，29(3):267－271.(WANG Jianxin，DENG Xifei，CHEN Shougen.Study on soletanche grouting technology used in a Metro tunnel under crossing an overpass［J］.Tunnel Construction，2009，29(3):267 －271.(in Chinese))

［10］ 王昌威.基坑封底中的袖閥管注漿技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2011(3):101 －103.(WANG Changwei.Grouting technology with sleeve valve pipe in foundation excavation bottom sealing［J］.Construction Technology，2011(3):101 －103.(in Chinese))