聯合加固技術在盾構接收井富水軟弱地層中的應用

馮慧君，俞然剛

聯合加固技術在盾構接收井富水軟弱地層中的應用

馮慧君1,2，俞然剛1

（1.中國石油大學 儲運與建筑工程學院，山東 青島 265580；2.中鐵投資集團有限公司，北京 100055）

針對傳統加固方式難以保證盾構的順利始發和接收問題，通過對地質條件進行分析，對加固區進行計算，最終確定采用高壓旋噴樁和地面袖閥管壓密注漿聯合加固技術，加固砂層，在富水軟弱地層起到了很好的止水效果，從后期取芯驗證，加固效果良好，確保了土體穩定，保證了盾構機順利接收。

盾構接收井；高壓旋噴樁；袖閥管壓密注漿；聯合加固

天津地區屬于軟土地層，基巖埋藏深度大，上覆堆積物極易導致沉降量大、流泥、涌砂等工程問題[1]。經地質條件研究分析，靖江路西側盾構井洞門前方地層為粘土層和粉砂層，粉砂層中富含地下水，具有一定承壓性，這種特殊地層條件導致盾構機在接收時極易出現涌水涌砂現象。盾構機接收過程失穩容易釀成事故，在很多城市地鐵施工中出現過，尤其是軟土地層，所以本文根據地質條件特點，對加固區強度進行驗算，從力學方法入手，對盾構井加固方法和施工工藝進行了選擇，對施工過程進行控制，保證了加固效果，并進行了取芯驗證，對同類工程具有一定的借鑒意義。

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

天津地鐵2號線靖江路站為地下二層島式站臺車站，采用框架式結構，車站主體的外包長度為207 m，并于東西兩端各設一個用于盾構區間施工的端頭井，西側端頭井結構尺寸為15.60 m(長) ×22.70 m(寬)，底板埋深18.08 m；設計為800 mm厚地下連續墻和800 mm厚鋼筋砼內襯，地下連續墻兼做主體圍護結構。西側端頭井是紅星路～靖江路站區間盾構接收井，其加固的好壞直接關系到盾構能否順利接收。

1.2 地質水文概況

靖江路車站西側端頭井位置自地面從上到下地質結構分別為：①1雜填土（層厚2.7～3.8 m）、③2粉質粘土（層厚1.0～2.9 m）、④2粉土（層厚7.0～8.7 m）、⑤1粉質粘土（層厚1.5～2.9 m）、⑥1粉砂（層厚4.2～4.9 m）及⑦1粉質粘土（層厚1.1～1.9 m），其中⑥1粉砂層標高為-12.9～-13.1 m，距地面15 m左右，在隧底以上0.8～1.3 m位置。根據地質勘察報告顯示：洞體中上部全部為第Ⅰ海相層和第Ⅱ陸相層，以粉質粘土為主，地層較軟弱；洞體下部為第II陸相層粉質粘土和粉砂層，粉砂為中等透水性，具有中密—密實狀態，靖江路站西端頭井地質剖面圖見圖1。

2 加固區強度驗算[2-3]

加固區驗算采用板塊強度分析設計理論，將加固土體視為厚度為h的周邊自由支撐彈性圓板（圖2），在外側水土壓力作用下，板中心處最大彎曲應力，支座處最大剪力，按照彈性力學板塊理論求得，強度驗算公式為

圖1 靖江路站西側端頭井地質剖面圖(單位：m)Fig.1 Geological sectional drawing of Jingjianglu Station

式中：D—洞門直徑；H—加固土體厚度；δt—加固土體的極限抗拉強度；w—作用于洞口中心處的側向水土壓力；μ—加固后土體的泊松比，一般取μ=0.2；τc—加固后土體的極限抗剪強度；K1、K2—分別為最大彎曲應力和最大剪應力的計算安全系數。

車站端頭井加固區的長度為6.4 m，加固區強度驗算過程和各個計算參數取值如下：

隧道洞口中心處的側向水土壓力w =228.8 kN/m2。

加固后土體的抗壓強度qu≥0.8 MPa，取抗壓強度最小值0.8 MPa，極限抗拉強度取抗壓強度的15%，則 δt=0.15×0.8 =0.12 MPa。

圖2 板塊的強度分析設計理論示意圖Fig.2 The theoretical sketch of the strength analysis and design ofplate

加固土體的抗剪τc一般取抗壓強度的1/6，τc=0.8/6 =0.13 MPa；

洞門直徑D=6.4 m，加固土體厚度h=6.4 m，K1=1.5，K2=1.5，將取值帶入(1)和(2)式：得到，滿足要求；，滿足要求。

由驗算結果可知采用6.4 m加固區可以滿足強度要求。

3 方案選擇

3.1 盾構井原有加固方案

靖江路站西側盾構端頭井的土體加固原設計方案采用高壓旋噴樁，但是從2號線已完工盾構井加固效果來看，效果都不太理想，由于粉砂層密實性好，強度高，造成高壓旋噴樁成樁效果不好，樁體不能咬合，粉砂層中富含飽和微承壓水，在洞門破除過程中，粉砂層中地下水從樁縫隙中涌入，形成涌水涌砂現象，極易造成洞門塌方，所以只采用高壓旋噴樁進行土體加固，難以保證盾構接收井洞門土體加固效果。

3.2 采用高壓旋噴樁和壓密注漿對盾構井洞門進行加固[4]

經研究分析，靖江路西側盾構井洞門前方地層為粘土層和粉砂層，粉砂層中富含地下水，具有一定承壓性，這種特殊地層條件導致盾構機在接收時極易出現涌水涌砂現象。為保證盾構順利始發，決定采用高壓旋噴樁和地面袖閥管壓密注漿聯合進行加固，固結土體砂層。

高壓旋噴樁加固長度為出洞口6.4 m，寬度為隧道左右線中線兩側各6.35 m，深度為隧道中心線上下各6.35 m，如圖3、圖4所示。

在高壓旋噴樁施工完成后，采用地面袖閥管壓密注漿，對洞門前面土體進行二次加固，靠近地連墻側200 mm設第一排注漿管，共設置6排，縱向間距1.2 m，排距1.0 m，梅花形布置，地面注漿范圍25.7 m×6 m，見圖5。

圖3 高壓旋噴樁平面布置圖(單位：mm)Fig.3 High pressure jet grouting pile layout

圖4 高壓旋噴樁加固剖面圖(單位：mm)Fig.4 Reinforcement section of high pressure jet grouting pile

圖5 地面袖閥管注漿點位布置圖(單位：mm)Fig.5 Ground sleeve valve pipe grouting point layout

4 盾構井加固施工

4.1 高壓旋噴樁施工

高壓旋噴樁施工采用改進型的PH-5D鉆機施工，注漿管使用120 mm×120 mm方鋼管鉆桿，底部帶有特制噴咀，噴咀直徑2.4 mm。輸漿管為內徑Φ21 mm的橡膠鋼絲高壓軟管，能夠承受45 MPa以上的壓力，主要作用是連接高壓泵與旋噴鉆機，輸送漿液。注漿泵采用GZB—40A三活塞高壓注漿泵。水泥漿采用Po.32.5級普通硅酸鹽水泥拌制，樁體直徑φ600，車站圍護結構外側三排樁單孔中心距橫向400 mm，樁體咬合200 mm，縱向樁中心理論間距345 mm；以保證施工效果滿足設計要求。

旋噴樁參數[5]：鉆進深度19.8 m，其中12.7 m為盾構施工范圍。樁徑600 mm，水泥摻量140～220 kg/m樁長，水灰比1：0.8～1：1.2，水泥漿比重1.35～1.65，旋噴樁28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。采用雙管施工工藝，注漿噴漿壓力不小于30 MPa，空氣壓力0.6～0.7 MPa，提升速度10～15 cm/min，轉速為15 轉/min。在沙層位置（樁底以上8 m）進行復噴一次處理。樁位定位準確，誤差不得大于30 mm，確保成樁咬合200 mm。

4.2 鉆孔布置壓密注漿施工

4.2.1 現場灌漿試驗

在注漿范圍外選取兩處開孔作為試驗點，其中一孔作為注漿孔，一孔作為檢查孔。通過試驗取得合理的泥漿參數、漿液配比、注漿壓力等。

4.2.2注漿技術參數設計

考慮地質情況、地層土的孔隙比大小，地下水分布和狀態以及實際施工情況等，注漿加固技術參數設計為，水泥漿：水玻璃漿（35Be）=1：1（體積比）；水泥漿水灰比：1：（1～0.75）（重量比）；漿液凝固時間：30＂～50＂；注漿壓力：0.5～1 MPa，單峰壓力以不超過1.2 Mpa為宜；注漿擴散半徑：0.4 m～0.5 m；注漿速度：30～50 L/min；停止注漿標準：孔口冒漿或其他孔出漿；注漿壓力增加或超過規定值。

4.2.3 鉆進成樁

采用地質鉆機成孔，泥漿護壁，防止坍孔。成孔直徑89 mm。成孔標準：鉆孔深度達到設計孔深或鉆進比較困難，且接近鉆孔設計深度時可終孔，終孔時準確記錄鉆孔深度，并注意對孔口和孔壁的保護。

4.2.4 插入袖閥管[6]

為了防止注漿管對盾構施工產生影響，注漿管采用塑料袖閥管。在成孔完成后將管下入孔底。袖閥管是漿液進入地層的通道，其主要由花管和橡皮套構成。為保證注漿效果，應保證使袖閥管位于鉆孔中心。

袖閥管的制作：袖閥管采用PVC管加工而成，依據鉆孔需要，袖閥管2.0 m/節，其大樣尺寸如圖6所示。

4.2.5 澆注套殼料

為封閉袖閥管與鉆孔壁之間的環狀空間，防止灌漿時漿液到處流竄，在橡皮袖閥與止漿塞的配合下，迫使漿液只能在一個灌段范圍內壓入地層。下好袖閥管后，用套殼料置換孔內泥漿。套殼料為具有一定級配的粗沙或沙礫石，澆注時應避免套殼料進入袖閥管內。

圖6 袖閥管大樣Fig.6 Structure of Sleeve-value-pipe

4.2.6 注漿

在袖閥管內放入帶雙塞的灌漿管進行灌漿，由于地下水較多，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿[7]。注漿時保證注漿壓力穩定及注漿泵正常運轉。在每一段注漿時間達到2～3 min時，上提注漿管，上提一段后再注漿。逐段注漿，直至設計高度，從而形成“冰糖葫蘆”狀加固體。

注漿順序：為防止漿液流失過多，采取逐漸加密的原則，分兩次壓密注漿。注漿排序上也采取逐漸加密法，先灌外側孔，再灌內側孔，同時各排采用兩循環加密注漿。袖閥管注漿加固工藝見圖7。

4.2.7 主要機械設備

機具設備主要包括鉆孔設備及注漿設備，具體如表1所示：

5 加固效果分析

盾構井加固完成后進行了現場取芯實驗，實驗結果達到預期目標。進行洞門鑿除，在洞門鑿除前進行了3處探孔作業，沒有出現涌水現象，洞門正面非常干燥，加固效果非常好。

圖7 袖閥管注漿工藝示意圖Fig.7 Scheme of sleeve-value-pipe grouting

表1 主要機械設備配套表Tab.1 Table of main mechanical equipment

6 結論

1）目前國內盾構端頭井加固大都采用高壓旋噴樁加固，但是在粉土、粉砂層成樁效果不理想，達不到防水和止水的要求。所以根據工程地質和水文地質綜合分析，對加固方法進行了改良。

2）針對天津地質條件，通過計算分析，天津地鐵2號線靖江路車站西側盾構端頭井采用高壓旋噴樁和袖閥管注漿聯合加固地層，固結地下砂層，提高軟土自穩能力，加固效果比較理想，接收井圍護結構鑿除后有良好的自穩性，阻止了砂土和水涌入，保證了盾構順利接收。

[1]崔 奕.天津地鐵一號線土建工程關鍵技術問題研究[D].天津：天津大學，2008：24-45.

[2]胡新朋，孫 謀，王俊蘭.軟土地區地鐵盾構施工端頭土體加固要求探討[J].隧道建設，2006，26(5)：11-13.

[3]吳 韜.大型盾構進出洞施工技術及加固土體受力機理分析[D].上海：同濟大學，2006：21-26.

[4]孫振川.城市地鐵盾構法隧道軟土地段端頭地層加固技術[J]. 西部探礦工程，2003，89(10)：81-83.

[5]楊鳳玲.高壓旋噴樁復合地基在高層住宅樓中的應用[D].上海： 同濟大學，2004：42-48.

[6]王 俊.旋噴樁與袖閥管注漿在橋梁樁基加固中的應用[J].鐵道建筑，2013(9)：24-26.

[7]白 云，周 松.軟土地下工程施工技術[M].上海：華東理工大學出版社，2000．

Application of Combined Reinforcement Technology in the treatment of water rich soft strata in Shield Tunnel

FENG Huijun1,2，YU Rangang1
(1.College Of Pipeline And Civil Engincering Of China University Of Petroleum Qingdao 265580；2. China Railway Investment Group Co.Ltd；Beijing；100055)

It is difficult to ensure the smooth start and reception of shields. After the analysis of the geological conditions, compaction grouting combined with reinforcement technology are used to reinforce sand layer.A very good water-stop effect is achieved in the water-rich soft soil layer. From the late core verification, one knows that reinforcement effect is good. It can ensure the stability of the soil and the smooth reception of shield machine.

Shield receiving well；High pressure jet grouting pile；Sleeve valve pipe grouting；Joint strengthening

U455.43

A

1673-9469（2017）03-0045-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.010

2017-05-04

國家自然科學基金青年基金資助項目（51409261）

馮慧君（1974-），男，河北高邑人，博士，高級工程師，主要從事地鐵項目施工管理工作。