濱海地層盾構開挖土體加固技術研究

韓 君，曹樹森，齊士樂，王禮武

（1.臺州市軌道交通建設開發有限公司，浙江 臺州 318001；2.中車智能交通工程技術有限公司，北京 100071；3.江蘇中車城市發展有限公司，江蘇 無錫 214101）

0 引言

隨著我國城市建設的快速進行，軌道交通的建設也亟待解決［1］，尤其是經濟發達的濱海城市地區軌道交通的數量更是呈現出高速發展的趨勢。在城市用地日益緊張的格局下，軌道交通規劃線路多穿經城市建筑物密集區域。濱海地區土體多為軟土或上軟下硬土體，土性飽水、松軟、承載力低，盾構法作為目前最為先進的隧道施工方法，是我國軟土地區軌道交通隧道建設的首選方法。但在盾構機掘進過程中，勢必會對土體造成擾動，土體強度會進一步下降，如何對濱海地層盾構開挖土體進行加固，保證施工安全十分重要。因此有必要開展濱海地層盾構開挖土體加固技術研究，為后續類似項目提供指導。本文就臺州市域鐵路 S1 線一期工程盾構開挖土體加固技術進行研究。

1 工程概況

臺州市域鐵路 S1 線一期工程全線設站 15 座，其中地下站 7 座，高架站 8 座。臺州地區土質為第四系濱海平原沉積層，屬典型的軟土地區，表層土除卻人工填土、雜填土基本以淤泥層為主，其具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低密度、低強度、低滲透性等特點［2］，土體具有很大的流變性和蠕變性，盾構區間掘進段穿越市府大道等主干道，采用大直徑土壓平衡盾構掘進盾構。

2 軟土地層土體加固技術

2.1 始發、接收端頭井土體加固技術

2.1.1 技術參數

端頭井土體加固的質量是盾構機安全、順利始發、接收的關鍵。針對軟土地層始發端，采用三軸攪拌樁+雙管旋噴樁相結合的方式。三軸攪拌樁技術指標：水泥使用 P.O42.5 級，加固水泥摻量 20 %，無側限抗壓強度為 1.0 MPa，滲透系數≤1×10-7cm/s；弱加固水泥摻量 7 %，無側限抗壓強度為 0.5 MPa。高壓旋噴樁技術指標：水泥使用 P.O42.5 級，水泥漿液的水灰比為 0.7～1.0，無側限抗壓強度為 1.0 MPa，滲透系數≤1×10-7cm/s；弱加固水泥摻量 7 %，強加固區水泥用量控制為 300 kg/m。

2.1.2 試樁取芯試驗情況

通過將取芯狀況與試樁的檢測結果進行對比發現，當水泥摻量為 30 %，采用雙重管芯樣連續，成樁效果好，自檢和第三方檢測結果一致。高壓旋噴樁試樁施工具體參數如表1 所示。

表1 高壓旋噴樁試樁施工參數統計表

2.2 聯絡通道土體加固技術

對于軟土地層聯絡通道加固，主要采用冷凍加固技術，即先將土層降溫凍結，再在凍結的土層上進行掘砌施工。

2.2.1 凍結參數

對聯絡通道進行冷凍加固常用的參數為：①低溫鹽水的溫度保持在-28～-30 ℃；②低溫鹽水的單孔流量不得＜ 5～7 m3/h；③凍結 7 d 后將鹽水溫度降至-18 ℃ 以下，凍結 15 d 后將鹽水溫度降至-24 ℃ 以下，然后開挖時鹽水溫度降至-28 ℃ 以下，去、回路鹽水的溫度相差不超過 2 ℃［3］；④設計積極凍結時間為42～45 d；⑤維護凍結時間預計為 30 d。

2.2.2 凍結制冷設備選型

設置一個凍結站；凍結站內分別安設 2 臺冷凍機組，1 臺為聯絡通道凍結供冷，1 臺備用；每個冷凍機組配鹽水循環泵 2 臺，其中備用 1 臺；凍結站冷卻水循環泵選用 IS125-125～200 型 2 臺，其中備用 1 臺。

2.2.3 管路選擇

凍結管選用Φ89×10，20# 低碳無縫鋼管，絲扣加焊接連接，單根長度 1～2 m；測溫孔管選用與凍結管一樣的鋼管。供液管和冷卻水管分別選用Φ42×4 塑料管與Φ127×4.5 鋼管。鹽水干管和集配液圈均選用Φ159×4.5 鋼管。

2.2.4 其他

冷凍機油、制冷劑以及冷媒劑分別選用 N46 冷凍機油、氟立昂 R-22 和氯化鈣溶液。

2.2.5 效果監測

聯絡通道開挖施工前應根據關鍵節點施工前條件驗收規定逐條進行核查驗收，驗收條件合格后可進行施工。聯絡通道滿足以下條件時方可開挖：積極凍結時間超過 45 d；凍結孔的單孔流量≥5 m3/h；凍土帷幕厚度不小于設計厚度，平均溫度低于-10 ℃；泄壓孔壓力上漲超過 7 d；已安裝防護門；隧道支撐安裝完畢；人員、應急材料、設備已全部到位；確保設備正常運轉。

2.3 洞內加固技術

2.3.1 加固范圍及要求

1）應在洞內加固段管片內加設注漿孔；盾構隧道下半斷面注漿管采用φ38×5 mm 鋼花管。鋼花管注漿壓力按照 0.3～0.5 MPa 控制，注漿擴散半徑≥0.5 mm。

2）管片底部 90°范圍（以盾構隧道堅向中心線為對稱軸，向兩側各偏移 45°，下同）注漿管要求伸入非軟土層≥0.5 m，該種要求注漿管不得＜3 根；管片底部 90°～120°范圍內注漿深度≥5 m；管片底部120°～180°范圍注漿深度≥3 m。

3）注漿材料采用水泥漿或水泥砂漿，具體應按照現場試驗進行確定。

4）為防止隧道發生側移，應兩側對稱同時進行注漿，并現場控制注漿的順序，相鄰管片不可同時注漿。

5）洞內注漿結束后，鋼花管應拔出，為后續處理提供條件。

2.3.2 注漿材料及設備

1）注漿材料及制漿。注漿水泥的強度等級不得低于 42.5，使用普通硅酸鹽水泥；注漿水泥通過 80 μm 方孔篩篩余量≤5 %［4］，每 15 d 進行一次細度檢測；細骨料：砂的細度模數為 2.4～2.8，最大粒徑≤2 mm。粗骨料：粒徑 5～10 mm；宜在現場安裝集中制漿站集中制漿，制備普通純水泥漿液，制漿比例為 0.5∶1；注漿漿液使用前應過篩，漿液溫度在 5～40 ℃；注漿一般不摻加任何外加劑。

2）注漿及觀測設備。注漿工程所用的風、水、電專線專用，不得混用；注漿管路采用鋼絲編織膠管；注漿采用雙缸或多缸活塞式注漿泵，注漿進漿管口處應安裝壓力表；注漿工程應設置集中制漿站，并確保漿液溫度能保持 5～40 ℃。

3）注漿工藝要求。利用機械針對預留注漿孔進行鉆孔，擊穿 50 mm 外側混凝土；鉆孔時應正對注漿孔圓心，鉆孔精度差不得超過 1 mm，鉆孔直徑比鋼管直徑大 1～2 mm；鉆孔過程中應采取可靠的防斜措施［4］；保證孔向準確，孔斜偏差值不得大于孔深的 0.5 %，注漿壓力按 0.3～0.5 MPa 控制；純水泥漿的水灰比為 0.5～1.0，注漿漿材具體配比根據現場試驗確定。

3 上軟下硬地層土體加固技術

3.1 始發、接收端頭井主體加固技術

針對于上軟下硬地層，始發接收端采用 WSS 注漿加固技術，無收縮（WSS）雙液注漿技術是采用二重管坑道鉆機鉆孔至預定深度后注漿。

3.1.1 施工方法

1）注漿平面范圍與注漿孔位布置。對隧道掘進方向長 5 m，寬 9 m土體進行加固；注漿孔間距 0.85～0.9 m，中心部分孔位按梅花形布置，間距 1 m，孔數為 66 孔。位布置為四周密排布孔位，其中第 2 排孔位于刀盤切口環后邊 0.28 m。

2）注漿平面范圍與注漿孔位布置。

①注漿量。根據計算公式（1）確定注漿量，由于漿液的擴散半徑與土孔隙很難精密確定。

Q=Anα（1）式中：Q為注漿量；A為注漿范圍體積；n為孔隙率；α為漿液填充率。

②注漿壓力。根據地層性質，地層水土壓力，盾構機刀盤主軸承密封性能對注漿壓力計算，注漿壓力暫定為 0.3～0.35 MPa。注漿量達到設計值或注漿壓力達到設計值時，停止注漿。

③注漿施工。注漿孔開孔直徑≥73 mm。注漿過程中，邊注漿邊提鉆桿，提升速度要合適，每步提升 0.3～0.4 m，當注漿壓力達到設計要求后再提桿。

3.1.2 注漿效果檢測

1）施工前對原材料、機械設備及注漿工藝等進行檢查，主要有：原材料的質量合格證及復驗報告，拌合用水的鑒定結果；每批水泥進場必須出具合格證明；漿液配合比是否合適。

2）施工中重點檢查鉆桿的垂直度及鉆頭定位、A 液、B 液、C 液的配比、注漿速度、注漿壓力、注漿量、鉆桿提升速度等。

3）施工后對加固土體進行檢查，檢查內部樁體的均勻程度，及其抗滲能力。

4）試樁結論。經過試驗結果對比分析，SZ-6 試驗結果均滿足設計要求。綜合加固效果、工效、施工過程控制和成本等情況，建議采用 SZ-6 參數用于后續施工。

綜上，通過對比發現空樁水泥摻量為 8 %，實樁水泥摻量為 20 % 時，成樁效果好，施工參數如表2 所示。自檢和第三方檢測結果一致，處理結果有效。

表2 WSS 注漿加固試樁施工參數統計表

3.2 聯絡通道土體加固技術

1）聯絡通道地面加固方式采用Φ850 mm 三軸攪拌樁，三軸攪拌樁地面加固應在區間盾構隧道通過前實施。

2）攪拌樁加固的水泥摻入量應在施工前根據地層類型進行摻入量的強度及其他參數的試驗。根據車站三軸攪拌樁試樁總結，聯絡通道三軸攪拌樁加固指標：強加固區與弱加固區的水泥摻量分別取 20 % 與 8 %；水泥型號選 P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥；加固體 28 d 無側限抗壓強度≥1.0 MPa，滲透系數＞1×10-7cm/s；加固土體具有良好的均勻性、密封性、止水性和自立性。

3）攪拌樁的加固效果的抽檢根數不得少于總樁數的 2 %，且不得少于 6 根，抽檢鉆孔應在加固范圍內均勻分布，宜位于原攪拌樁樁體搭接位置。

3.3 盾構換刀原位加固技術

3.3.1 加固處理

1）地面預加固前，應做好開倉換刀處詳細的現狀調查。

2）在盾構機換刀前，地面采用φ800@500 雙管旋噴樁對盾構機前端軟弱地層進行預加固，提高其自立能力，加固長度為 3 m，加固范圍為盾構機上、左、右外輪廓線外 3 m，下部加固至基巖土分界線。

3）旋噴樁加固區攪拌樁水泥摻入量建議值取 300 kg/m，采用 P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥。施工前必須進行試樁。

4）地層加固前必須對該地段地下管線進行核查。

5）地面預加固完成后，做好地質狀況取芯檢測工作，確保地面預加固的土體強度檢測，形成強度檢測報告，合格后方可進行開倉換刀施工。

3.3.2 取芯檢測

經加固的土體應有很好的均質性、自立性，其中無側限抗壓強度≥1 MPa，滲透系數應＜10-7cm/s。旋噴樁加固區以上到地面為空鉆區。

3.3.3 試樁取芯試驗情況

試樁成樁 28d 后取芯試驗設備開始取芯，3#、6#、9#、12# 樁芯樣整體情況在 0～24.5 m 較為完整連續，底部存在部分攪拌不均勻情況，但芯樣無側限抗壓強度均能滿足設計要求［5］。

3.3.4 試樁結論

經過對比分析，發現 3#、6#、9#、12# 樁試驗結果均滿足設計要求。綜合加固效果、工效、施工過程控制和成本等情況，建議采用 6# 樁參數用于后續施工。

綜上，根據取芯狀況及試樁檢測結果對比分析，當水泥摻量為 25 %，采用雙重管芯樣連續，成樁效果好。自檢和第三方檢測結果一致，處理結果有效。初擬采用加固段土體天然密度平均值對應實樁水泥摻量 25 %，水灰比 1.2，泥漿流速 39 L/min，提升速度為 0.1 m/min。

4 結論

本文以臺州市域鐵路 S1 線一期工程盾構區間為研究案例，通過室內試驗，施工現場原位試驗，施工實踐檢驗，并通過與原位試驗所得數據以及經驗規范值進行對比，對濱海地層盾構開挖土體加固技術進行了研究，主要結論如下。

1）針對始發端土體加固，常采用的方法包括雙管旋噴樁以及三軸攪拌樁加固技術。針對軟土地層采用單一的加固方法并不能起到絕佳效果，因此往往采用兩者相結合的方法進行土體加固；而上軟下硬地層穩定性分布不均勻，采用無收縮（WSS）雙液注漿往往會達到更好的效果，為始發掘進保駕護航。

2）針對聯絡通道加固，主要控制的除了土體加固以外另一點便是防水，但對于含水量較高、淤泥質地層或者地質條件較差地層，常用的 SMW 不能滿足最終要求，需用采用冷凍加固技術進行聯絡通道和泵房的掘砌施工，而其他地層一般情況下施作三軸攪拌樁便可以實現預期目標。Q