盾構(gòu)下穿城市景觀湖地層加固施工技術(shù)

黃惟，吳波，李展峰

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院 福建福州 350118;2.中鐵四局五公司 江西九江 332000)

引 言

隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，越來越多的盾構(gòu)投入隧道建設(shè)。盾構(gòu)隧道穿越復(fù)雜地層，成為施工過程中需要解決的難題。盾構(gòu)下穿城市景觀湖，由于湖底覆土軟弱稀薄，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，易造成地層過大擾動(dòng)等。本文以南寧地鐵1號(hào)線麻村～南湖盾構(gòu)區(qū)間下穿南湖隧道施工為工程依托，探索和總結(jié)出盾構(gòu)下穿城市景觀湖加固施工技術(shù)和相關(guān)參數(shù)，同時(shí)可為類似隧道施工積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

麻村～南湖區(qū)間隧道起止里程為ZSK19+763.763～ZSK20+918.916，隧道設(shè)計(jì)內(nèi)徑為5.4m，在南湖大橋北面約25m處南湖站始發(fā)，其中穿越南湖段約250m，湖底隧道埋深4.2m～11m。南湖段地質(zhì)自上而下為淤泥層、粘土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂層、圓礫層，隧道主要穿越粉細(xì)砂層，具體見(圖1)。

圖1 加固區(qū)域和隧道位

盾構(gòu)下穿城市景觀湖首先施作南湖段埋深小于6m地段砂袋圍堰，圍堰范圍為157.7m×44.5m，圍堰高出最高水位0.5m，圍堰內(nèi)湖鋪設(shè)0.5m厚砂墊層作為加固平臺(tái)。其次對(duì)圍堰范圍內(nèi)146×25.5m范圍內(nèi)隧道頂面以上1.5m至隧道底部以下1.0m～3.0m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行注漿加固。最后清除圍堰內(nèi)沙袋墊層，拋填片石進(jìn)行加固，增加覆蓋層厚度，拋填結(jié)束后，清除砂袋圍堰。

盾構(gòu)下穿城市景觀湖加固施工，主要施工流程見(圖2)。

圖2 盾構(gòu)下穿城市景觀湖施工流程圖

2 地層加固技術(shù)

盾構(gòu)由南湖站始發(fā)進(jìn)入下穿南湖段。在下穿南湖段最小覆土厚度為4.2m，均為軟土，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，極易造成土體擾動(dòng)，隧道坍塌滲漏水等施工病害。對(duì)穿越南湖段采用全斷面注漿加固。

對(duì)隧道穿越湖底軟弱覆土采取全斷面注漿加固，主要加固區(qū)域見(圖3)。

圖3 加固區(qū)域橫斷面

軟弱地層加固采用Φ48mm，壁厚t=4mm的PVC管，注漿管應(yīng)深入加固土層以下1.0m。注漿加固平面范圍為隧道外邊緣線外擴(kuò)3m;豎向范圍為區(qū)間隧道頂1.5m至隧道底部以下1.0m～3.0m范圍內(nèi)的土體。平面加固區(qū)域根據(jù)實(shí)際工程確定，加固前，在圍堰內(nèi)清淤，施做0.5m砂墊層，作為注漿設(shè)備作業(yè)平臺(tái)。

2.1 注漿加固準(zhǔn)備

首先進(jìn)行測(cè)量放線，在基本整平的場(chǎng)地上，利用施工基線和輔助基線，測(cè)放出注漿孔的孔位，用竹樁等作出明顯標(biāo)記。樁位誤差不大于2cm。測(cè)量工作面標(biāo)高，沿鉆孔位置開挖溝槽和集水坑，及時(shí)排出冒漿和孔內(nèi)水，以保持場(chǎng)地整潔干燥。

其次要制作及插入花管，注漿管采用Φ48mm，壁厚t=4mm的PVC管。注漿管應(yīng)深入加固土層以下不小于1m。加固范圍外圍三排采用水泥－水玻璃雙液漿進(jìn)行加固，內(nèi)部采用水泥漿加固。外圍三排注漿管采用間距0.75m(錯(cuò)開布置)，內(nèi)部注漿管采用間距1.0m(錯(cuò)開布置)。開孔范圍為設(shè)計(jì)加固范圍內(nèi)。花管的底端頭用配套蓋子封堵，防止泥沙進(jìn)入。

最重要的是確定注漿參數(shù)。注漿漿液采用單液漿及水泥－水玻璃雙液漿，水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用40%硅酸鈉溶液，水泥漿水灰比0.5:1～1:1，雙液漿配比為水泥漿:水玻璃=1:0.5～1:1;注漿壓力0.5～1.0MPa，注漿壓力逐步提升，達(dá)到注漿終壓后穩(wěn)壓10min，注漿參數(shù)及壓力供試驗(yàn)前參考，實(shí)際注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)注漿效果后確定。

2.2 配備注漿液及注漿

注漿液采用純水泥漿，注漿所用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比按注漿次序有一定調(diào)整，依次減少，控制范圍為1.00～0.5。外三排注漿考慮止水效果，漿液采用雙液漿。攪拌機(jī)采用葉式機(jī)械攪拌機(jī)，應(yīng)能保證漿液能連續(xù)均勻攪拌，才能過濾。漿液須在攪拌均勻過篩后，再泵送壓注，在注漿過程中，漿液應(yīng)連續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間應(yīng)大于2min。注漿泵采用柱塞泵或雙液柱塞泵，壓送水泥漿液時(shí)，柱塞與缸體不直接接觸，以減少磨損。按每m注漿加固深度控制注漿量，每m注漿深度水泥用量定為100kg。注漿的流量一般為7～15l/min。每次注漿完畢后用對(duì)注漿管管口封堵，以便于下次重復(fù)注漿。注漿進(jìn)程中出現(xiàn)地面冒漿或壓力突變，應(yīng)立即停止注漿，查明原因，采取措施。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)下列情況綜合決定:a.注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求;b.注漿壓力超過設(shè)計(jì)值;c.地面冒漿。

鉆孔時(shí)準(zhǔn)確及時(shí)記錄孔號(hào)、孔深、土層類型、分層深度等參數(shù)，注漿施工時(shí)應(yīng)詳細(xì)記錄每一個(gè)鉆孔的每次注漿壓力、注漿量、注漿時(shí)間、漿液配比、復(fù)灌次數(shù)等基本參數(shù)。

2.3 施工質(zhì)量控制和檢查驗(yàn)收

(1)施工準(zhǔn)備質(zhì)量檢查:

①用于加固的材料宜經(jīng)檢驗(yàn)合格后再用于工程施工。

②施工場(chǎng)地應(yīng)預(yù)先平整，并沿鉆孔位置開挖溝槽和集水坑。

③漿液42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制。

④注漿用水不得用pH值小于4的酸性水和工業(yè)廢水。

⑤注漿用水的水溫不得超過30～35℃;并不得將盛漿桶和注漿管在注漿體靜止?fàn)顟B(tài)下暴露于陽光下，防止?jié){液凝固。

⑥花管注漿法要求:

a采用鉆孔或振動(dòng)法將注漿管送入土層中。

b采用鉆孔法時(shí)，應(yīng)從鉆桿內(nèi)注入封閉泥漿，然后插入孔徑為48mm的PVC花管。

(2)施工過程質(zhì)量檢查:

①注漿施工時(shí)，漿液種類、注漿量、注漿壓力應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，宜采用自動(dòng)流量和壓力記錄，并應(yīng)及時(shí)對(duì)資料進(jìn)行整理分析。

②水泥漿的水灰比可取0.5:1～1:1。

③漿體應(yīng)經(jīng)過攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟛拍荛_始?jí)鹤ⅲ?yīng)在注漿過程中不停緩慢攪拌，攪拌時(shí)間應(yīng)小于漿液初凝時(shí)間。漿液在泵送前應(yīng)經(jīng)過篩網(wǎng)過濾。

④花管注漿時(shí)，須待封閉泥漿凝固后，移動(dòng)花管自下向上或自上向下進(jìn)行注漿。

⑤壓密注漿時(shí)，須待封閉泥漿凝固后，捅去注漿管的活絡(luò)堵頭，然后提升注漿管自下向上或自上向下對(duì)地層注入漿液。

⑥注漿泵排量應(yīng)控制在10～20L/min。

⑦花管每次上拔或下鉆高度宜為0.5m。

⑧注漿孔的間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，注漿順序應(yīng)按跳孔間隔注漿方式進(jìn)行，并宜采用先外圍后內(nèi)部的注漿施工方法。

⑨對(duì)滲透系數(shù)相同的土層，首先應(yīng)注漿封頂，然后由下向上進(jìn)行注漿，防止?jié){液上冒。如土層的滲透系數(shù)隨深度而增大，則應(yīng)自下向上注漿。

(3)注漿質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

注漿完畢后，應(yīng)在注漿加固體強(qiáng)度達(dá)到75%或注漿結(jié)束7d(雙液漿)及28d(水泥漿)后對(duì)加固體進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，采用靜載法或標(biāo)貫試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，注漿檢驗(yàn)點(diǎn)不少于注漿孔的1%，且不少于3點(diǎn)。檢驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)布置在有代表性的孔位、施工中出現(xiàn)異常的部位。

加固后土層標(biāo)貫應(yīng)滿足:粉細(xì)砂層N≥20，粘土層N≥10;隧底加固后地層地基承載力不小于250kpa，若達(dá)不到要求，應(yīng)及時(shí)彌補(bǔ)。注漿地基的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(表1)的規(guī)定。

表1 注漿質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 注漿加固質(zhì)量通病及處理辦法

(1)可灌性差:選擇漿液及漿液配合比不當(dāng)及選擇注漿壓力不當(dāng)時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑小都會(huì)使?jié){液可灌性差。由于地質(zhì)分布不均，致使設(shè)計(jì)人員在確定注漿漿液類型及注漿參數(shù)時(shí)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，可在正式注漿前增大試注漿孔數(shù)，使之能正確反映整個(gè)施工區(qū)域的情況，并調(diào)整注漿壓力、配比等相關(guān)參數(shù)。如在正式注漿工程中發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域存在可灌性差的現(xiàn)象，可采用局部增加注漿孔進(jìn)行補(bǔ)救，或調(diào)整漿液水灰比和添加速凝劑、緩凝劑、流動(dòng)劑、加氣劑、防析水劑等，加強(qiáng)漿液的擴(kuò)散性。

(2)冒漿:止?jié){不好或在用套管嵌入止?jié){時(shí)，套管嵌入不好;注漿壓力過大都可能是引起冒漿的原因。調(diào)整注漿壓力，限制進(jìn)漿量，間歇注漿以及重新嵌套管(或加止?jié){塞)可對(duì)該質(zhì)量問題加以防治，必要時(shí)在止?jié){處下套管，用水泥砂漿封住，重新掃孔注漿。

(3)串漿:出現(xiàn)漿液從其他孔中流出的情況，一般是由于兩孔間的連通性好，可采用加大孔間的間距，適當(dāng)延長相鄰孔施工時(shí)間的間隔，用止?jié){塞塞于被串孔串漿部位上方2m～3m處，相鄰串漿孔同時(shí)注漿這幾種方法進(jìn)行處理。

(4)漿液大量流失到非注漿部位如出現(xiàn)某孔注漿量異常大，且總是灌不滿時(shí)，極有可能因?yàn)樽{壓力過大或漿液過稀等等，使?jié){液流失到非注漿部位。勘察注漿區(qū)域地質(zhì)情況確認(rèn)后，可采用以下方法:低壓或自流注漿;改用較濃漿液;在漿液中加速凝劑;采用加粗骨料漿液注漿;加大注漿壓力間歇注漿;控制注漿施工程序，在注漿范圍的邊緣和底部用水泥－水玻璃漿液，調(diào)整配合比，使其在十幾分鐘內(nèi)凝固以封閉外圍及地層。

3 加固輔助措施施工

3.1 膜袋圍堰

膜袋圍堰為加固施工輔助措施之一，為全斷面注漿加固提供作業(yè)空間。膜袋圍堰成型快，對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，能夠有效滿足加固工期緊的要求。此外，膜袋圍堰相對(duì)土石圍堰更加環(huán)保，對(duì)環(huán)境影響小，適合城市景觀湖土層加固施工。

考慮湖底一定厚度的淤泥，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際特點(diǎn)并在征求相關(guān)有類似工程施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，膜袋圍堰底部無需進(jìn)行換填，設(shè)置土工格柵進(jìn)行防滑處理，并且在多層膜袋間設(shè)置止水土工布滿足防滲功能。上部采用常規(guī)膜袋圍堰設(shè)計(jì)膜袋圍堰結(jié)構(gòu)圖見(圖4)。

圖4 膜袋圍堰結(jié)構(gòu)圖

主要施工步驟:施工準(zhǔn)備－泵砂船就位－鋪設(shè)輸砂管砂袋－袖口綁扎套管－輸砂管與砂袋套管連接－啟動(dòng)砂泵抽砂－充灌注砂料－檢查砂袋形狀－抽出套管綁扎袖口－鋪設(shè)止水薄膜－下一個(gè)砂袋施工－完成圍堰。

膜袋圍堰中關(guān)鍵技術(shù)如下:

(1)特別注意泵砂管接頭要嚴(yán)密，在進(jìn)行泵砂作業(yè)前，要進(jìn)行射水實(shí)驗(yàn)，查看管身是否有沙眼等缺陷出現(xiàn)，從而防止暴管事故發(fā)生。

(2)由運(yùn)砂船直接對(duì)砂袋進(jìn)行灌砂，灌砂過程中泥漿泵壓力控制在0.2～0.3MPa、水與河砂比例為1∶0.75，保證砂體在泵送過程中良好的流動(dòng)性。充填砂袋時(shí)首先沿砂袋長邊方向充填，避免應(yīng)力集中損壞袋體，并在充填過程中調(diào)整出砂管口方向，防止袋體受力不均勻而移位變形。灌砂量宜控制在砂袋容積的75% ～80%，每層充填高度控制在80㎝左右，在充填過程中如一次達(dá)不到想理高度可分次進(jìn)行，其間隔時(shí)間一定要滿足已經(jīng)灌進(jìn)砂袋中砂體的沉淀時(shí)間。

(3)在圍堰迎水面鋪設(shè)防滲土工布，并采用小砂袋堆碼壓牢。當(dāng)土工布鋪至圍堰坡腳時(shí)采用砂袋壓實(shí)，土工布?jí)簩?shí)面寬度不小于1.0m。兩幅土工膜在進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，必須考慮拼接的重合疊加，一般控制在30cm;土工膜應(yīng)壓入湖底最低不少于1m，土工膜鋪設(shè)應(yīng)平整緊貼堰體坡面，不得繃?yán)^緊;鋪設(shè)人員穿軟膠底鞋，以免損傷土工膜;

3.2 拋填碎石

拋填碎石為重要的輔助加固措施。由于盾構(gòu)隧道覆土極為稀薄，尤其在進(jìn)行注漿加固施工后，在施工荷載和土層固結(jié)會(huì)變得更薄，拋填碎石能夠有效增加隧道覆土厚度，此外可以避免日后河道清淤造成的削弱。

拋填碎石主要施工工序:測(cè)量－拋投－墊平－碾壓－檢測(cè)。備料要求:片石粒徑5～30cm，碎石粒徑5～40mm，片石、塊石最低強(qiáng)度等級(jí)不低于MU30。當(dāng)拋入的片石露出湖底面50cm后，用12t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，先拋填湖邊后拋填湖中央，先靜壓后振壓，直至塊石不再下沉為止，施工中若發(fā)現(xiàn)淤泥翻出，采用挖掘機(jī)挖除淤泥;拋填塊石要求大小不均勻，便于層層鋪設(shè)，第一層拋填粒徑較大的塊石，向上依此可減小粒徑，小碎石填縫，直至軟基處理結(jié)束;拋填片石采用片石、塊石及碎石組成，分三層拋填片石、塊石及碎石，采用機(jī)械分層壓實(shí)。加固前，清除回填砂及部分泥土(共1m)，以保證拋填片石層不得超過原有湖床底面。

4 小結(jié)

盾構(gòu)下穿城市景觀湖加固施工技術(shù)適用于地鐵盾構(gòu)穿越中小湖泊且土層軟弱、地鐵埋深較淺的工程。全斷面注漿加固輔以拋填碎石，加固效果更加突出。注漿加固主要集中在地鐵下穿土層較薄的區(qū)域，有效減小盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)地層和環(huán)境的影響。拋填碎石還可以防止以后河道清淤對(duì)地鐵盾構(gòu)的覆蓋土層造成削弱。膜袋圍堰集成性好，可一次成形，并且在水下根據(jù)具體情況微調(diào)，工藝簡單、耗時(shí)短、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)景觀河造成的污染小等優(yōu)點(diǎn)。

［1］劉建國.深圳地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)［J］.隧道建設(shè)，2012，32(1):72 ～87.

［2］廖少明，侯學(xué)淵.軟土盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)與施工的最新研究進(jìn)展［J］.地下空間，1998，18:406～454.

［3］張海波，殷宗澤，朱俊高.地鐵隧道盾構(gòu)法施工過程中地層三維有限元模擬［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(5):755～758.

［4］周梁，廖少明，史寧強(qiáng)，李家平.隧道軟弱下臥地基注漿加固試驗(yàn)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(6):880～884.

［5］陸璐，林峰.膜袋砂圍堰施工工藝［J］.西部交通科技，2010，8:54 ～58.