富水軟土地層大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)

張晴

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800）

1 引言

盾構(gòu)法因其安全、效率高、對環(huán)境擾動小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)[1]，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道的快速施工[2]。目前，盾構(gòu)技術(shù)正向著大埋深、大斷面、長距離等方向發(fā)展，伴隨著跨河、跨湖、跨江、跨海的水下隧道建設(shè)需求，超大直徑泥水盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

受目前工藝限制，超大直徑泥水盾構(gòu)的施工仍面臨許多挑戰(zhàn)，如盾構(gòu)吊裝、始發(fā)、接收、泥水倉壓力計(jì)算、帶壓開倉等工序中存在眾多難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，其中盾構(gòu)始發(fā)是最為棘手的問題之一，尤其是在富水軟土地層中進(jìn)行超大直徑盾構(gòu)始發(fā)，極易發(fā)生塌方、涌水等工程事故[3]。因此，盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方案的確定至關(guān)重要[4]。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

本文以濟(jì)南黃河隧道（濟(jì)濼路穿黃隧道）北岸盾構(gòu)始發(fā)井基坑工程為依托，隧道位于濟(jì)南城市北部，采用市政道路與地鐵合建方案，為超大斷面盾構(gòu)法隧道，刀盤直徑15.76m。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

該隧道工程地處沖積平原，根據(jù)鉆孔揭露，地層主要為素填土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)始發(fā)層位于粉質(zhì)黏土層。

該基坑工程所處地貌單元為黃河I 級階地，地表水主要為黃河河水、水庫及水塘等，地下水埋深1.10～1.70 m。

3 加固方案選擇

為滿足盾構(gòu)機(jī)吊裝及始發(fā)的需要，始發(fā)井基坑寬度設(shè)計(jì)為50 m，開挖深度為31.2 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為1.2 m 地連墻，深度51.5 m，采用水下C35 鋼筋混凝土澆筑，接縫處使用H型鋼連接，并配合φ800 mm@600 mm 的旋噴樁進(jìn)行加固并作為止水帷幕，樁底伸入基坑以下14 m，內(nèi)撐采用7 道鋼撐+混凝土撐。由于盾構(gòu)吊裝時(shí)龍門吊和盾構(gòu)組件的荷載較大，在上述加固措施基礎(chǔ)上，再采用裙邊+抽條對始發(fā)井進(jìn)行加固，抽條寬3 m，凈距3 m。

盾構(gòu)吊裝和始發(fā)前，需對始發(fā)端頭進(jìn)行加固，結(jié)合洞門所處地層條件，經(jīng)過研究，決定對始發(fā)端頭采用水泥系（三重管旋噴法）+凍結(jié)法的加固方法，能夠滿足富水軟土地層的加固要求和止水要求。加固區(qū)見圖1。

圖1 濟(jì)南黃河隧道工程剖面圖

4 三重管高壓旋噴加固

三重管高壓旋噴法即用3 層噴射管，同時(shí)向地層中高壓噴注水和空氣，低壓噴注水泥漿，水和空氣可切割土體，而后水泥漿注入土體的孔隙中，實(shí)現(xiàn)加固的效果。

始發(fā)端頭三重管旋噴加固設(shè)計(jì)指標(biāo)為：（1）加固區(qū)邊緣距洞門≥5 m，長度為20 m；（2）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa；（3）滲透系數(shù)k≤1×10-7cm/s。

具體流程見圖2。

圖2 三重管旋噴施工工藝流程

4.1 場地平整

施工前，首先應(yīng)探明地下管線的分布，對管線進(jìn)行改遷或者做好保護(hù)，然后將地面整平；其次，備好施工所需設(shè)備，提前做好線路的布設(shè)工作。

4.2 樁位放樣

場地平整完成后，采用全站儀進(jìn)行樁位放樣，做好標(biāo)記，嚴(yán)格控制樁孔中心偏差。

4.3 鉆機(jī)就位

將鉆機(jī)移至指定位置，進(jìn)行調(diào)平和垂直度檢查校正，嚴(yán)格控制孔位偏差≤5 mm，嚴(yán)格控制垂直度偏差≤1/500；開機(jī)前檢查確保線路正確連接、設(shè)備正常運(yùn)行。

4.4 成孔、清孔

準(zhǔn)備就緒后引孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中應(yīng)注意垂直度的檢驗(yàn)和矯正，確保成孔的垂直度、深度滿足要求，并及時(shí)清孔。

4.5 插入高噴管

鉆孔完成后，將巖芯管拔出，換上噴射注漿管，用塑料布包裹高壓水噴嘴，將注漿管緩慢插入孔中達(dá)到設(shè)計(jì)深度。在插管時(shí)，應(yīng)小水壓邊射水邊插管，以防止泥砂進(jìn)入管內(nèi)，導(dǎo)致噴嘴堵塞。

4.6 旋噴提升

漿液制備完成，噴射注漿管就位后，便可以進(jìn)行旋噴提升。為了提高樁底的成樁質(zhì)量，開始旋噴后，速度不應(yīng)過快，樁底部分可適當(dāng)延長時(shí)間。提升鉆桿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不能中斷，直至完成旋噴。

5 凍結(jié)加固

始發(fā)端頭盾構(gòu)吊裝的荷載主要由高壓旋噴樁的加固體承擔(dān)，凍結(jié)法的作用主要是洞門鑿除時(shí)的止水作用。

始發(fā)端頭凍結(jié)加固設(shè)計(jì)指標(biāo)為：（1）凍結(jié)加固區(qū)上、左、右邊緣距洞門≥5 m、下邊緣距洞門≥4 m，厚度≥2 m；（2）凍土平均溫度≤-13 ℃；（3）鹽水溫度-28～-30 ℃，鹽水去回溫差≤2 ℃；（4）洞門周邊水平探孔溫度≤-5 ℃。

5.1 鉆孔與下管

首先按凍結(jié)孔設(shè)計(jì)位置固定鉆機(jī)，用取芯鉆開孔，為了保證鉆孔精度，鉆進(jìn)前要確認(rèn)鉆桿垂直度、每鉆進(jìn)5 m 進(jìn)行一次垂直度的檢驗(yàn)和矯正。鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要，做到勻速旋轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)。

鉆孔完成后進(jìn)行下管工作。凍結(jié)管應(yīng)在預(yù)先配組完成，并清除凍結(jié)管內(nèi)的雜物。先將第一根管的底部進(jìn)行焊接密封，然后逐一與后續(xù)鋼管焊接并下放，下放完成后，進(jìn)行試壓并封堵管口，最后用土將凍結(jié)管周圍的空隙填實(shí)。

凍結(jié)孔最大偏斜值不超過250 mm?？康剡B墻的第一排冷凍管控制外偏，外偏最大偏斜值不超過100 mm。如超過此規(guī)定，需逐一復(fù)核所有終孔間距，繪制終孔圖提交設(shè)計(jì)單位復(fù)核，如超過終孔間距的控制規(guī)定，應(yīng)考慮是否增加凍結(jié)孔，作為施工措施予以補(bǔ)救。

5.2 測斜與測漏工作

測斜工作采用經(jīng)緯儀燈光測斜法進(jìn)行，燈光測斜是指將光源作為觀測標(biāo)志。凍結(jié)管下管完成后，放入光源，用經(jīng)緯儀的對點(diǎn)器分段觀測凍結(jié)管內(nèi)燈光的位置，解析出鉆孔在某深度的偏距、偏向和偏斜率。

測漏工作采用加壓法進(jìn)行。凍結(jié)管測斜工作完成后，需通過測漏對其密封效果進(jìn)行檢驗(yàn)。向凍結(jié)管里加入水，然后焊接密封測漏管，通過閥門加壓到0.8 MPa，壓力能夠穩(wěn)定1 h 后則視為密封合格，如果不合格則應(yīng)拔出凍結(jié)管重復(fù)上述工作，直至密封性達(dá)標(biāo)。

5.3 供液管的施工

凍結(jié)管施工完畢后在凍結(jié)管內(nèi)下入一長一短兩根鹽水供液管。施工時(shí)將短管底部切除一部分以增大回液面積，并將凍結(jié)管管口焊接密封。

5.4 管路連接

所有供液管下放完畢后進(jìn)行管路連接工作。整個(gè)系統(tǒng)的管路分為去、回兩路，凍結(jié)管之間采用串并聯(lián)的方式連接，兩個(gè)孔串聯(lián)成一組，并根據(jù)組數(shù)在去、回的路上布置相應(yīng)數(shù)目的進(jìn)出液孔，各組并聯(lián)與去、回路連接。管路連接簡圖如圖3所示。

圖3 管路連接簡圖

5.5 管路保溫

鹽水箱、鹽水管路采用保溫板包裹形成保溫層進(jìn)行保溫，厚度≥50 mm，保溫層的外面包扎嚴(yán)實(shí)；用高壓膠管連接集配液圈與凍結(jié)管，每組凍結(jié)管的進(jìn)出口各裝一個(gè)閥門，以便控制流量；冷凍機(jī)組的蒸發(fā)器及低溫管路采用棉絮進(jìn)行保溫。

5.6 拔管方案

在盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)入洞門圈后，刀盤頂部距離凍結(jié)壁20 cm時(shí)進(jìn)行拔管作業(yè)，所有凍結(jié)管一次性拔除，拔除后用M15 砂漿回填凍結(jié)管孔洞，所有拔管工作需在24 h 內(nèi)完成。

拔管采用熱鹽水循環(huán)局部解凍的方案，通過熱鹽水循環(huán)使得凍土融化至40～60 mm 時(shí)，進(jìn)行拔管。操作步驟如下。

1）鹽水加熱：用電熱絲對鹽水進(jìn)行加熱，加熱至40～50 ℃；

2）鹽水循環(huán)：利用鹽水泵進(jìn)行熱鹽水循環(huán)，循環(huán)5 min 左右便可進(jìn)行試拔，邊循環(huán)邊拔。

3）用千斤頂進(jìn)行試拔，拔起約20 cm 時(shí)，停止熱鹽水循環(huán)，并將熱鹽水排出，然后用吊車快速拔出凍結(jié)管，邊拔邊轉(zhuǎn)動凍結(jié)管，如拔不動時(shí)，再進(jìn)行一遍熱鹽水循環(huán)，直至拔管完成。熱鹽水循環(huán)及吹鹽水系統(tǒng)見圖4。

圖4 熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)圖

6 結(jié)語

濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工程，在富水粉質(zhì)黏土條件下，采用三重管高壓旋噴法+垂直凍結(jié)法對始發(fā)端頭加固，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)安全始發(fā)，可有效降低洞門鑿除和盾構(gòu)始發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，以期為類似工程提供參考。