富水砂層中深埋盾構(gòu)接收端頭加固技術(shù)

劉其成 周 浩 蔣尚志 彭文韜

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

1 工程概況

武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程包括17.5 km主線和1.7 km支線，主線隧道沿線分布有10座施工豎井，主線隧道采用盾構(gòu)法施工。

本文詳細(xì)介紹緊鄰正在開挖順作法深基坑的盾構(gòu)接收端頭加固施工，分析施工中的重難點(diǎn)，在傳統(tǒng)加固方法的基礎(chǔ)上[1]，進(jìn)一步提出了一種新的緊鄰基坑深埋盾構(gòu)富水砂層接收端頭加固技術(shù)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 水文情況

場(chǎng)地位于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水、碎屑巖裂隙水。抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示孔隙承壓水水量豐富，與長(zhǎng)江有密切的水力聯(lián)系，其水位變化幅度受長(zhǎng)江水位漲落影響。據(jù)武漢地區(qū)承壓水長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果可知，該地區(qū)承壓水頭標(biāo)高一般為15.0～19.5 m，年變幅3～4 m。端頭隧道所在粉細(xì)砂層滲透系數(shù)為2×10-2cm/s，滲透性極強(qiáng)。

2.2 地質(zhì)情況

區(qū)間隧道在接收端，即正開挖豎井小里程端頭范圍內(nèi)穿越區(qū)為上軟下硬地層，上部為粉細(xì)砂，下部為中風(fēng)化含鈣泥質(zhì)粉細(xì)砂巖（圖1）。

粉細(xì)砂呈灰色、飽和、密實(shí)狀態(tài)，砂質(zhì)較純，顆粒級(jí)配均勻，分選性好，壓縮性低；中風(fēng)化含鈣泥質(zhì)粉砂巖呈黃灰-褐灰色，巖芯呈短柱狀，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，解理、裂隙較發(fā)育，屬于軟-較軟巖，巖體較完整-較破碎，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

3 施工重難點(diǎn)

1）盾構(gòu)接收端頭位于長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，所在地層中砂層最厚達(dá)28 m，滲透性極強(qiáng)，承壓水頭標(biāo)高最高達(dá)19.5 m，地下水極為豐富，且隧道洞身位于砂巖接合面，端頭降水難度大，盾構(gòu)接收安全風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)端頭加固的形式、效果及施工質(zhì)量要求較高[2]。

圖1 正在開挖基坑小里程端地質(zhì)斷面

2）盾構(gòu)接收豎井已開挖，因工程工期緊張，端頭加固施工期間豎井開挖同步進(jìn)行，為避免在端頭加固施工時(shí)對(duì)已開挖豎井基坑產(chǎn)生較大影響，需優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，科學(xué)組織施工，減少對(duì)豎井的影響。

3）正在開挖豎井冠梁存在1.2 m懸挑段，無(wú)法進(jìn)行有效的端頭加固，容易形成地下水徑流通道，需優(yōu)化工藝。

4 加固設(shè)計(jì)及原理

正在開挖豎井盾構(gòu)接收端采用MJS（全方位高壓噴射）工法樁+U形素地下連續(xù)墻+內(nèi)外降水井組合加固的施工方法，加固理念為以雙層堵水為主、以內(nèi)外降水為輔，加固區(qū)深度40 m（超出隧道底板3 m）、長(zhǎng)度13 m、寬度為隧道左右各3 m，MJS工法樁設(shè)計(jì)為φ1 200 mm@ 1 000 mm，直徑小咬合處加固效果更好；U形素地下連續(xù)墻厚800 mm，同時(shí)在素地下連續(xù)墻分幅處和其與豎井冠梁交接處也采用MJS進(jìn)行加固，以提升加固體整體止水效果。

雙層堵水為主：U形素地下連續(xù)墻深入地層基巖，將外部地層中的大部分承壓水與MJS工法樁加固體隔絕，對(duì)素地下連續(xù)墻與豎井冠梁接縫處補(bǔ)打MJS工法樁進(jìn)行加固，即使少量承壓水由素地下連續(xù)墻接縫薄弱處進(jìn)入U(xiǎn)形墻體內(nèi)部，其水頭標(biāo)高也將大大降低，MJS工法樁自身能將其抵擋在外。內(nèi)外降水為輔：素地下連續(xù)墻接縫處外部設(shè)有降水井，在承壓水由接縫處進(jìn)入U(xiǎn)形墻體內(nèi)部時(shí)，外部降水井通過(guò)抽排水，降低接縫處局部水頭標(biāo)高，減少進(jìn)入U(xiǎn)形墻體內(nèi)部的地下水水量；另外，U形墻體與MJS加固體間設(shè)置內(nèi)部降水井，疏干進(jìn)入U(xiǎn)形墻體內(nèi)部的地下水。

豎井接收端隧道洞身范圍大部分位于巖層，導(dǎo)致一般的加固方法很難將地下承壓水位降至基巖面，而本工法的雙層堵水及加設(shè)內(nèi)外降水井的加固方式，能夠使加固區(qū)內(nèi)部地下承壓水相對(duì)于MJS加固體水頭高度幾乎為零，這是傳統(tǒng)加固方法降水井根本無(wú)法達(dá)到的效果（圖2、圖3）。

5 加固效果分析

5.1 工序

圖2 端頭加固平面示意

圖3 加固體止水效果示意

傳統(tǒng)端頭加固形式（高壓旋噴樁+素地下連續(xù)墻+降水井）的工序順序不可顛倒，只能先施工高壓旋噴樁，后施工U形素地下連續(xù)墻。若順序顛倒，旋噴樁施工將會(huì)影響素地下連續(xù)墻的堵水效果，從而影響整體加固質(zhì)量。

本工程新的加固形式（MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+降水井）：在保障基坑能同步開挖情況下，可先施工MJS工法樁，穩(wěn)固端頭地層，后施工U形素地下連續(xù)墻；在保障最理想的加固效果情況下，可先施工U形素地下連續(xù)墻，形成封閉空間后施工MJS工法樁。

5.2 加固效果

傳統(tǒng)端頭加固形式（高壓旋噴樁+素地下連續(xù)墻+降水井）單純以堵為主、以降為輔，在本工程地質(zhì)條件下降水效果無(wú)法保障。同時(shí)樁徑小，深層加固質(zhì)量無(wú)法保障。

本工程新的加固形式（MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+降水井）以雙層堵水為主、內(nèi)外降水為輔，相輔相成，降水效果好。同時(shí)樁徑大，加固質(zhì)量受深度影響較小。

5.3 安全

傳統(tǒng)端頭加固形式（高壓旋噴樁+素地下連續(xù)墻+降水井）的基坑開挖和盾構(gòu)接收安全性無(wú)法保障。加固區(qū)外圍需布置較多的降水井，抽排地下水水量極大，地層失水嚴(yán)重，易造成地面和基坑坍塌，同時(shí)影響盾構(gòu)安全接收。

本工程新的加固形式（MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+降水井）的基坑開挖和盾構(gòu)接收安全性高。MJS施工時(shí)可通過(guò)強(qiáng)制排泥卸壓，減小對(duì)基坑的側(cè)壓力；MJS和U形素地下連續(xù)墻的堵水配合內(nèi)外降水井的作用，使地下水對(duì)盾構(gòu)接收的影響微乎其微。

5.4 經(jīng)濟(jì)

傳統(tǒng)端頭加固形式（高壓旋噴樁+素地下連續(xù)墻+降水井）的降水井?dāng)?shù)量多，維護(hù)費(fèi)用高，且因地下水損失嚴(yán)重，加固薄弱點(diǎn)較多，后期補(bǔ)強(qiáng)費(fèi)用不可控。

本工程新的加固形式（MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+降水井）中的MJS工法樁施工成本較高，但后期降水井維護(hù)、地面沉降加固處理費(fèi)用低且可控。

5.5 環(huán)保

傳統(tǒng)端頭加固形式（高壓旋噴樁+素地下連續(xù)墻+降水井）的泥漿污染比較嚴(yán)重。高壓旋噴樁施工時(shí)，在噴漿的過(guò)程中，孔內(nèi)泥漿漫流四周，對(duì)周圍環(huán)境污染嚴(yán)重。

本工程新的加固形式（MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+降水井）的泥漿污染少。MJS工法采用專用排泥管進(jìn)行排漿，有利于泥漿集中管理，同時(shí)通過(guò)對(duì)地內(nèi)壓力的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物的零擾動(dòng)。

6 施工操作要點(diǎn)

6.1 MJS工法樁施工

MJS施工前需在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下結(jié)合加固區(qū)域的情況進(jìn)行樁位設(shè)計(jì)，尤其針對(duì)加固區(qū)薄弱點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)加固，保證整個(gè)加固區(qū)的加固質(zhì)量。施工注意事項(xiàng)如下：

1）MJS設(shè)備安裝平穩(wěn)對(duì)正，開孔前須嚴(yán)格檢查樁位和開孔角度，施工時(shí)應(yīng)控制好樁的標(biāo)高。

2）保持引孔泥漿性能，使孔壁完整、不坍孔，確保高噴管順利下至孔底。

3）下至距孔底0.5 m時(shí)，應(yīng)先啟動(dòng)漿泵送漿，同時(shí)旋轉(zhuǎn)下放，下放至孔底（開噴深度）后，再啟動(dòng)高壓泵和空壓機(jī)，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到要求后方可提升，提升速度根據(jù)水泥摻量和樁徑確定，實(shí)樁提升速度控制在20～40 min/m。

4）噴漿前要檢查高壓設(shè)備和管路系統(tǒng)，其壓力和流量必須滿足設(shè)計(jì)要求。注漿管及噴嘴內(nèi)不得有任何雜物。注漿管接頭的密封圈必須良好，注漿壓力為40 MPa，削孔水壓力控制在10～30 MPa之間。

5）噴射時(shí)，要做好壓力、流量和冒漿量的量測(cè)工作，同時(shí)進(jìn)行緊鄰開挖基坑的監(jiān)測(cè)工作。了解噴射注漿的大致效果和噴射參數(shù)，及時(shí)關(guān)注加固區(qū)域土層的變化。

6）基于地勘情況結(jié)合施工過(guò)程壓力變化，噴頭由巖層進(jìn)入砂層交界面時(shí)，噴漿壓力保持不變，提升速度降低10%～40%，確保交界面處漿液飽滿，保證加固質(zhì)量。

6.2 素地下連續(xù)墻施工

U形素地下連續(xù)墻作為本端頭加固技術(shù)的外層防水墻，其成墻質(zhì)量直接影響整個(gè)加固區(qū)的整體效果，在接縫和豎井冠梁交接處外側(cè)補(bǔ)打MJS工法實(shí)樁，進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)加固質(zhì)量。主要控制事項(xiàng)如下：

1）成槽偏斜控制。挖槽機(jī)作業(yè)前需調(diào)平機(jī)架，調(diào)直鉆機(jī)或抓斗的柔性懸吊裝置，防止鉆機(jī)或抓斗本身傾斜；在挖槽過(guò)程中，挖槽機(jī)司機(jī)要精心操作，及時(shí)糾偏。

2）槽壁坍塌控制。在如此厚的砂質(zhì)地層中成槽時(shí)槽壁極易坍塌，施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大泥漿密度，控制槽段內(nèi)液面高于地下水位0.5 m以上；必要時(shí)縮短單元槽段的長(zhǎng)度。

3）接縫質(zhì)量控制。素地下連續(xù)墻接縫處質(zhì)量控制主要從2個(gè)方面進(jìn)行：一方面是在其施工過(guò)程中進(jìn)行控制，施工時(shí)分幅不宜過(guò)大，控制泥漿含砂量不超標(biāo)，加強(qiáng)槽段刷壁處理，并控制好澆筑前鎖口管垂直度；另一方面是在其完成后進(jìn)行接縫處加固處理，加固方式為接縫處補(bǔ)打MJS工法樁，素地下連續(xù)墻接縫部分處理是保障本工法加固體系質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施。

6.3 降水井施工

降水井分布在U形素地下連續(xù)墻內(nèi)外，內(nèi)部降水井將加固體內(nèi)部地層中的水降至設(shè)計(jì)要求，而外部降水井則是減弱U形素地下連續(xù)墻外圍的地下水水壓，減少通過(guò)薄弱點(diǎn)進(jìn)入加固區(qū)內(nèi)部的水量。

1）施工時(shí)，降水井的垂直度和深度必須保證，垂直度影響水泵、管道布設(shè)及水位測(cè)量，深度不夠?qū)⒅苯訉?dǎo)致降水井的功能性無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）成井時(shí)井管下到預(yù)計(jì)深度后，其環(huán)狀間隙應(yīng)盡快按設(shè)計(jì)要求填充礫料及優(yōu)質(zhì)干黏土球，避免長(zhǎng)時(shí)間暴露而造成井壁坍塌。

3）觀測(cè)井的選擇應(yīng)能準(zhǔn)確反映場(chǎng)地地下承壓水位的動(dòng)態(tài)變化情況，并代表場(chǎng)地地下承壓水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，同時(shí)不影響基坑結(jié)構(gòu)施工，便于觀測(cè)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文所述技術(shù)實(shí)用高效，有效解決了緊鄰豎井基坑，在超厚砂層、超高承壓水等不良地質(zhì)條件下的端頭加固難以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)安全接收的難題。

施工中使用了新型工藝MJS工法樁以及新的端頭加固組合模式——MJS工法樁+U形素地下連續(xù)墻+內(nèi)外降水井，是傳統(tǒng)端頭加固施工技術(shù)的進(jìn)一步完善，體現(xiàn)了該工法的優(yōu)越性和先進(jìn)性。隨著盾構(gòu)工程在城市建設(shè)中的快速發(fā)展，該技術(shù)在保障盾構(gòu)安全接收的地層加固施工中有較高的推廣價(jià)值。

[1] 韓林,胡曉陽(yáng),路林海.富水地層盾構(gòu)水下接收端頭加固及地表沉降 控制技術(shù)分析[J].公路,2019(11):270-275.

[2] 徐波.粉砂地層大斷面盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)[J].山西建筑,2019, 45(5):163-164.