海河沉管隧道注漿基礎施工工藝試驗研究與應用

郭建文

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

1 概述

海河隧道是天津市中央大道穿越海河的控制工程，隧道長3.38 km，雙向6車道，其中K28+492～K28+747段穿越海河，長255 m，采用沉管法施工工藝。

沉管段由3節預制管段組成，管段長85 m(E1、E2管段)，80 m+5 m(E3-1、E3-2管段)。沉管斷面為2孔三管廊箱形結構，寬36.6 m，高9.65 m，底板厚1.4 m，頂板厚1.35 m，外側墻厚1.0 m，中隔墻厚0.6 m。沉管基礎由60 cm厚碎石+40 cm厚膨潤土砂漿構成。注漿基礎從隧道內部，采用壓漿設備，通過預埋在管段底板上的壓漿孔，向管底空隙壓注混合砂漿[1]。

海河隧道引入注漿基礎工藝，注漿基礎可操作性、安全性、檢驗的方法和標準，目前沒有成熟的經驗可以借鑒，作為沉管管段的承托層，注漿基礎的質量決定管段的沉降變形，沉降變形量一旦超過設計允許值，就會加大沉管隧道運營風險，并且增加后期處理的難度[2]。通過實體模擬試驗，確定各項參數及檢測方法，優化設計，指導施工實踐，在注漿基礎施工過程中對各項參數進行驗證和確認，對注漿工藝進行合理改進，確保注漿質量滿足設計要求。

2 工藝試驗

2.1 試驗目的

2.1.1 確定水泥砂漿配合比

通過對不同配比的水泥砂漿開展室內物理、力學性質試驗，從而確定適合海河隧道壓力注漿使用的漿液配合比。

2.1.2 確定注漿壓力與擴散半徑

為了保證漿液能夠充分且均勻地填充管底與碎石墊層之間的空隙，采用適合的注漿壓力以及合理的注漿管間距至關重要[3]。擬通過試驗和理論分析相結合的方式，確定此次施工中使用的注漿壓力和擴散半徑。

2.1.3 制定現場觀測方案

對注漿基礎過程實施有效的監控是保證漿液能很好填充管底與碎石墊層之間空隙的有效環節，擬通過試驗確定施工中的注漿觀測方案。

2.1.4 提出注漿效果的檢測方法

注漿施工結束后應采用有效的手段監測漿液的填充效果，本項研究擬采用注漿試驗并結合以往成功工程經驗提出注漿效果的檢測方法。

2.1.5 提出注漿施工技術要點的建議

此次進行的水下壓力注漿與陸上的壓力注漿具有明顯的區別，不僅要考慮水流、水壓力對注漿過程的影響，而且需將注漿壓力控制在合理的范圍內，以防止沉管段被抬高，并能保證注漿的均勻性。本項研究擬結合工藝試驗提出施工中的技術要點。

2.2 試驗研究方法

2.2.1 室內砂漿配比試驗

對不同的水泥砂漿配合比進行研究，分別測定砂漿的黏度、泌水率、流動度(稠度)凝結時間，7 d和28 d抗壓強度，分析砂漿配合比試驗中減水劑的作用，并通過試驗結果給出試驗最終配合比。

2.2.2 注漿模擬試驗

(1)模擬試驗裝置

壓漿模擬試驗裝置包括灌漿裝置和1個大型水池內架設1個平面尺寸為10 m×26 m的混凝土板平臺，平臺底板厚40 cm，平臺側墻高1.2 m，按實際管段初步設計配筋方案配筋。混凝土板平臺模擬管段底板，平臺具有儲水功能，可模擬管段的不同抗浮系數，平臺四周用混凝土支撐托住、定位，沿平臺軸線設注漿孔A，B，C(圖1)。

圖1 注漿基礎試驗模型示意(單位：m)

沿注漿孔徑向等間隔布置漿液擴散監測線。其中：漿液擴散觀察采用預埋條狀高強有機玻璃方式，以提高觀測精度，注漿模型實體如圖2所示。

圖2 注漿模型實體示意

各注漿孔布置膜式壓力表，監測漿液擴散的同時測量注漿壓力，以便建立擴散半徑與注漿壓力的相關關系。并在池底鋪上一層碎石墊層，平臺底面與池底墊層的距離同管段與基槽底部墊層的距離一致，模擬河底施工的工況條件，池中灌水淹沒至平臺底面。平臺上面壓載使試驗荷載盡可能接近實際荷載。

(2)試驗觀測設計

①池中注水高過平板底部即可，根據研究，現場壓力不影響漿液的收縮率，故水深對浮托力不會造成影響[4]。

②考慮到注漿過程中漿體需要達到一定的交匯程度，考慮單個孔注漿時使用A孔，考慮相鄰孔注漿影響時使用B、C孔。

③壓力盒用來觀察板底浮托力的變化。

④觀察窗主要是用來觀測在什么時間漿體流過空隙，從而確定漿體充滿程度和擴展半徑。

⑤運用面波法、沖擊影像法和地質雷達檢測的方式，實時全過程動態跟蹤漿液填充效果。

(3)試驗步驟

①單孔(A孔)注漿漿液擴散研究

根據設計在水池底部鋪設墊層，安裝支撐，將已經安裝好壓力盒的平臺平放于支撐上，調整支撐使平臺到達設計高度，安裝注漿設備，在平臺上部壓載，壓載量接近實際管段壓力值。在水池中注水至稍高于平臺底，用以模擬抵抗浮托力，在邊緣設置標尺。

開始注漿，控制注漿壓力使混凝土板沉降量在設計要求內，浮托力控制在允許值內。當漿液流擴展到平臺邊緣，有大量漿體涌出，或管路內的壓力值超過允許的上限值，或試驗平臺抬起超過允許值時，則結束注漿。

②雙孔(B、C孔)注漿漿液擴散研究

B、C孔同步注漿，步驟同①，其中，B孔與A孔的注漿結果用于研究分期注漿擴散特性，B孔與C孔的結果用于研究同期注漿擴散特性。

(4)壓力注漿效果檢測方法

采用探地雷達、沖擊影像法、表面波探測相結合的方式對壓力注漿充填效果進行綜合評價，并應用于其后的現場施工過程中，以保證結構和基底受力均勻，減少不均勻沉降。在模型試驗中對探測工藝進行研究，探討一種快速、簡便、準確、經濟的填充效果探測方法，以便在今后的施工中推廣應用[5]。

2.3 主要試驗設備與儀器

定制的大型注漿機；RIS(1600、400 MHz天線)型探地雷達；McSeis-170f改進型數字地震儀；動圈式垂直成分速度型檢波器；小型靜載試驗壓力裝置，以及壓力盒、觸探儀、千分表、膜式壓力表(0.6 MPa)等。

2.4 試驗研究成果

(1)砂漿配比(kg/m3)

水泥∶砂子∶水∶粉煤灰∶膨潤土=189∶1134∶378∶264.6∶37.8；稠度121 mm；凝結時間：在漿料送進注漿泵后不小于3 h。

(2)注漿孔漿盤擴散半徑為5.8 m，注漿量為設計值的1.4倍(部分漿料流失)。

(3)檢測方法：注漿基礎的飽和度最終采用沖擊影像法、表面波法確定[5]。

(4)停泵指標

①管段姿態控制：管段振動擺幅5 mm，出現單邊上升時，可停泵。

②壓力差：當出口壓力比開始注漿時壓力大于37.16 kPa時，可用沖擊影像法檢測，確定是否可停泵。

③千斤頂頂力：在穩定狀態下，千斤頂壓力出現下降，當壓力小于2 000 kN時，可停泵。

④方量控制：當連續3排孔的實際方量大于試驗注漿量時，可通過沖擊影像法進行檢測，滿足要求后可停泵。

⑤沖擊影像法檢測結果滿足要求后可停泵。

3 注漿基礎試驗研究成果的應用

3.1 注漿孔預留位置的優化設計

依據注漿模擬試驗結果，對注漿孔的平面布置進行適當調整，管內布置一次注漿管4排，2個行車道內各2排，縱向間距3.05～7.2 m，橫向間距8.56～9.24 m；預留二次注漿管，供運營期間需要補注漿時使用，在3個管廊內各布置1排，每排布置11根。一次注漿管管徑為152 mm，二次注漿管管徑為76 mm。注漿孔平面布置如圖3所示。

圖3 E1管段注漿孔平面布置示意(單位：m)

3.2 注漿工藝

3.2.1 注漿前準備工作

根據施工工藝要求，沉管碎石基礎在沉管沉放之前施工完成，確保碎石墊層施工精度控制在±5 cm，在沉管尾部距離端頭5 m位置，在碎石與沉管之間安裝φ700 mm水囊1條[6]，里面充滿水，防止注漿液外溢。沉管兩側采用2～8 cm碎石鎖定，距沉管基底以上高度4.0 m，距離沉管側墻寬度11.0 m，連續鎖定。管段端頭位置預留8～12 m，與第二節管段一起鎖定。基底注漿橫剖面見圖4。

圖4 基底注漿橫剖面(單位：m)

采用混凝土液壓輸送車替代注漿泵，由計算機控制注漿壓力和流量；管道采用混凝土輸送專用管路，每節4～6 m，主管為φ125 mm的鋼管，支管為φ125 mm的橡膠軟管。在管道始端安裝膜式壓力表(2.5 MPa)，在注漿孔閥門的前端安裝膜式壓力表(0.6 MPa)。

3.2.2 砂漿要求

對膨潤土砂漿配比要求：嚴格按照試驗配合比配料，嚴格控制原材質量，保證配制的漿液性能，有良好的和易性和流動性，低泌水率[7]，滿足長距離注漿的要求。

3.2.3 施工工藝

在2個行車道內各采用1條管路，同時對稱施工；采用由低向高，先中間后兩邊的順序；2個車道注漿速度相差控制在2孔之內。采用橡膠軟管與注漿孔閥門連接，注漿前，將注漿孔上方閥門緩慢打開，海河水通過注漿孔進入壓漿管內，此時注漿口壓力在0.18～0.21 MPa。對輸送泵采用小流量啟動，逐漸增加流量，流量控制在30 m3/h以內。單孔注漿完成，輸送泵停止供料，將閥門進行徹底關閉，進行換孔注漿。注漿過程，采用沖擊影像法，對注漿飽滿度提供實時檢測意見。

3.3 各項參數的確認

3.3.1 壓力差值

根據試驗結果，當出口壓力比開始注漿時壓力大于37.16 kPa時，可用沖擊影像法檢測，確定是否可停泵。注漿過程中發現，注漿的速度也會影響注漿的壓力變化，注漿速度越快，壓力增加越大，為此控制注漿速度不超過30 m3/h，單孔注漿完成時，注漿壓力差控制在40～60 kPa。如果注漿速度增加，壓力差值還會增大。

3.3.2 注漿量

由于管段注漿孔設計間距不同，鄰近注漿孔的相互影響，因此每個孔的注漿量不可能完全一致，行車道外側注漿孔，注漿量大了會從沉管碎石鎖定處流失。單孔注漿量超過20 m3，就開始進行沖擊影像法檢測，每注漿10 m3檢測1次，正在注漿的孔與相鄰已經注漿完成3個孔，共計4個孔注漿量進行對比分析，采用平均單孔注漿量，經多孔注漿數據統計，控制注漿量達到設計值1.8倍，注漿的飽滿度滿足設計要求，比試驗數值偏大一些。

在注漿過程中，相鄰4孔平均注漿量已經達到設計值1.8倍，個別孔位沖擊影像法顯示0～5 m范圍不完全密實。為此增加注漿量，即使增加30～40 m3，單孔注漿量已經達到設計值280%以上，還是顯示相同的結果，分析可能原因：注漿孔交叉布置，注漿過程可能形成水泡，注漿時間延長，注漿孔已經形成漿盤，繼續注漿會破壞原有漿盤流向未注漿的部位，造成水泡位置不密實；行車道外排孔漿液容易進入沉管外側鎖定碎石內，造成砂漿流失，出現注不滿情況。由于發生上述現象孔位低于5%，因此遇到這種情況時，該孔增加10 m3后，更換孔位，并不影響整體注漿質量。

3.3.3 千斤頂度數變化

根據理論計算，沉管尾端豎向千斤頂壓力變化范圍：2 000 kN

3.3.4 管段姿態數據

注漿過程在2個行車道內注漿孔附近各安放固定測量塔尺1個，采用水準儀進行監測，注漿過程中實施進行高程監測，5～10 min采集1次數據，注漿過程中個別孔位出現高程變化，注漿位置抬高2～3 mm，暫停注漿后，5 min之內又回到原位。

3.3.5 停泵標準

(1)注漿口壓力差：控制注漿速度不大于30 m3/h，當出口壓力與開始注漿時壓力差值達到40～60 kPa，采用沖擊影像法確認，0～5 m范圍密實，可停泵。

(2)注漿量：正在注漿的孔與相鄰已經注漿完成3個孔，共計4個孔注漿量進行對比分析，平均注漿量為設計值1.8倍，采用沖擊影像法確認，0～5 m范圍密實，可停泵換孔；對于不飽滿部位，增加注漿10 m3后停泵。

(3)管段姿態：管段注漿孔位置高程抬升達到2～3 mm，暫停注漿5 min內恢復到原位，可停泵換孔。

(4)采用沖擊影像法檢測，相鄰已經注漿完成2個孔橫向5.5 m范圍全部密實，正在注漿的孔，0～5 m范圍全部密實，可停泵換孔。

3.4 檢測方法

注漿的飽和度采用表面波法及沖擊影像法進行檢測[9]，沖擊影像法檢測如圖5所示。2種方法都是在注漿前即開始進行數據采集，注漿過程及注漿后進行二次數據采集，通過數據分析確認注漿質量。上述2種方法使用1套設備，數據采集方法接近，分析出結果時間不同，沖擊影像法在10 min內分析出結果，而表面波法需要2～3 d出結果，所以現場沖擊影像法更具有實際指導意義，用于進行現場注漿飽滿度判定，表面波法則用于結果復核。

圖5 沖擊影像法檢測示意(單位：cm)

4 二次注漿[10]

結合以往沉管隧道基礎存在不均勻沉降的情況，海河隧道對注漿基礎預留二次注漿管，在沉管隧道運營期間，如果管段的沉降量超過設計允許值時，進行二次注漿補救處理，在首次注漿基礎時暫不使用。其注漿工藝與一次注漿工藝相類似，在此不作介紹。

5 結語

海河隧道2011年12月30日完成全部3節沉管沉放對接作業，2012年1月11日完成沉管注漿基礎作業，經沖擊影像法和表面波法檢測，基底注漿飽滿度達到92.1%，截止2012年8月中旬，沉管管段累計沉降為18 mm(設計值為100 mm)，沉管注漿基礎技術是可靠的，為國內沉管基礎施工提供了借鑒。

[1] 陳韶章主編.沉管隧道設計與施工[M].北京: 科學出版社，2002.

[2] 徐干成，李永盛，孫鈞，楊林德.沉管隧道的基礎處理、基槽淤積和基礎沉降問題[J].現代隧道技術，1995(3):2-18．

[3] 程驍，白云.沉管隧道基礎灌漿漿材性能試驗研究[J].地下工程與隧道，1994(1):17-21．

[4] 陳韶章，任孝思.珠江沉管隧道基礎處理技術[J].世界隧道，1996(6):34-39．

[5] 程志強.面波檢測技術在海河隧道沉管基礎處理中的應用[J].鐵道標準設計，2011(3):76-78．

[6] 潘永仁，彭俊，Naotake Satio.上海外環沉管隧道工程管段基礎壓砂法施工技術[J].現在隧道技術，2004(1):41-45．

[7] 李劍，理清富，李冰.沉管隧道沉降控制的計算分析[J].鄭州大學學報：工業版，2002(3):94-97．

[8] 李科，杜家論，黃醒春.坡度對沉管隧道壓漿法基礎處理漿液擴散特性的影響[J]. 上海交通大學學報，2011，45(5):629-633.

[9] 車愛蘭，黃醒春，郭強，馮少孔.利用表面波勘探檢測沉管隧道壓漿法的充填效果[J].上海交通大學學報，2011，45(5):648-652.

[10] 張慶賀，高衛平.水域沉管隧道基礎處理方法的對比分析[J].巖土力學，2003(S2):349-352.