劈裂注浆技术在城市淤泥质软流塑地层中应用

胡振宇

在城市地铁建设快速发展的态势下,城市中软弱地层区域对城市地铁建设影响更加显著,直接制约了城市地铁线路选择、加大了成本投入。劈裂注浆是目前针对软土地层应用较广的一种注浆方法,它是在钻孔内施加液体压力于弱透水性地层中,当液体压力超过渗透注浆的极限压力时,土体产生水力劈裂,形成裂缝,进浆量突然增大。劈裂面发生在轴力最小主应力面,劈裂注浆在钻孔附近形成网状脉络,通过浆液挤压土体形成浆液骨架作用。在注浆压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起土体结构的局部扰动,使地层中原有的裂隙和空隙张开,浆液的可注性和扩散距离增大,排挤原土层中含水,在土层中形成浆液骨架,改善原有软流塑土体结构,从而达到加固的目地,由于注浆后浆液固结体在土体中呈脉络状,因此又称为脉状注浆。通过劈裂注浆使软流塑淤泥质黏土形成具有一定强度、渗透系数较小的黏性土层,以达到稳定土体并止水的预期效果。

1 工程概况

南京地铁二号线上海路站—新街口站区间采用矿山法施工,区间穿越地层主要为粉质黏土、粉土、淤泥质黏土、粉质黏土夹粉土。洞室围岩稳定性整体较差。区间拱顶覆土厚8.4 m～10.1 m。区间隧道上方管线密集,主要有φ 1 200给水管、φ 450雨污水管、φ 500煤气管及较多的电信电缆、110 kV电力电缆、10 kV电力电缆、80 V路灯电缆等;隧道正上方为交通繁忙的城市干道——汉中路,周边多为高层建筑。区间隧道根据前段时期开挖揭露的地质情况,地层长期受管线渗漏水和地层游离水的侵蚀,特别是在黏土和淤泥质黏土中,土体已形成软塑状～流塑状,增大了施工难度,直接威胁施工和管线、建筑物的安全。前期施工中出现多次涌水涌泥险情,进度一度受阻,经现场探测分析采用拱顶管棚+小导管注浆难以在隧道外侧形成有效的加固圈,对隧道上方和前方存在的软流塑土体未能形成有效阻隔,导致开挖后泥水从薄弱部位冲进隧道施工面,因此,必须对隧道前方和周围软流塑土体进行有效改良,提高该土体稳定性,才能确保开挖作业安全。

2 施工方法

2.1 工艺流程

工艺流程见图1。

2.2 浆液选择

考虑淤泥质土体含水量大,在注浆后必须达到迅速固结并形成具有一定强度的浆液骨架,采用水泥—水玻璃双液浆,浆液固结时间可调,注浆后早期强度较高,有利于分步注浆安排,同时可提高注浆土体强度。

浆液配比选择:选择水灰比分别为:0.8,1.0,1.2,水玻璃波美度分别为:10 Be′,15 Be′,20 Be′,25 Be′(水玻璃原浆为 50.8 Be′,M2.39),水泥浆—水玻璃体积比为1∶0.8的浆液进行试验分析,选定W/C=1∶1,15 Be′～ 20 Be′为最佳浆液配比。

2.3 注浆循环和注浆顺序

根据注浆压力控制和浆液扩散范围,为避免注浆长度过大造成浆液无法形成有效分段劈裂现象,全断面劈裂注浆单循环注浆长度为13 m,开挖9 m,每环隧道掌子面劈裂注浆顺序为先施工周边孔注浆,使周边形成壳体后,内圈孔再进行注浆,并适当加大注浆压力,以提高注浆效果。钻孔及注浆采取间隔跳孔施工,可以选择避免注浆时相互串浆。采用一台YQ100C型气动潜孔钻机和一台KBY-50/70型双液注浆泵组织施工。

2.4 注浆孔布置

注浆孔布置见图2。

2.5 注浆工艺

1)止浆墙施工。为避免浆液注入时沿掌子面和周围土体薄弱部位冒出,影响浆液注入,在掌子面设止浆墙采用C20网喷混凝土,厚度0.3 m。2)钻孔。采用钻机成孔,钻孔精度控制在1%以内。钻眼顺序先外圈后内圈,钻孔施工过程及时记录钻进参数,分析该段地层状况,便于后期注浆过程浆液参数控制。3)注浆管制作。置入PVC注浆管,PVC每隔40 cm～50 cm钻一组射浆孔,射浆孔外包橡皮套。4)安管。钻孔形成后立即安管,利用钻机将注浆管缓慢顶入,同时检查顶入过程中注浆管避免偏向、破损,否则需重新清孔。5)注浆。a.填充护壁阶段。向注浆管内注入水泥—水玻璃双浆液,配比同内圈孔浆液配比设计,待浆液沿着PVC管和孔壁之间的间隙溢出钻孔时,用棉纱等材料将间隙封闭,此时加大注浆压力至1.0 MPa,使得在PVC管外形成密实的护壁,这样确保注浆管与周围土体间空隙填充密实,避免直接提高注浆压力导致浆液串流无法形成分段劈裂效果。护壁形成之后,对PVC管内进行清孔。b.初次劈裂阶段。清孔之后,待PVC管与孔壁之间固结体达到一定强度后,进行分段注浆。首先加大压力使浆液顶开橡皮套,挤破套壳料,在土体产生劈裂,并沿着裂缝扩散,扩散范围受注浆压力、时间、浆液配比、土层特征等因素的影响,一般从底部每1 m注浆一次,达到一定的压力后,提起1 m再注浆,这样重复进行。注浆完成后,清洗管内残留浆液,以便于第二次重复注浆。c.后续劈裂阶段。对于整体软弱土体而言,初次劈裂注浆后,土体最薄弱面已经存在浆液,但未在软弱土体中形成浆液骨架,此时土体开挖仍无法保证自稳效果,需要根据钻进记录分析土层性质确定二次劈裂或三次劈裂注浆,使浆液在土体内重新进行劈裂填充,才能形成浆液骨架,达到改善土体目的。

注浆步骤同初次注浆,最终检查注浆满足结束标准后封孔。

2.6 效果检查与补孔注浆

根据现场钻孔所揭示的地质状况,结合注浆过程中P—Q—t曲线分析,选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔应不坍孔、不渗水。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆,注浆结束后再钻检查孔进行效果检查,直至达到设计要求,必要时可取芯检查。

2.7 开挖检查注浆效果

劈裂注浆后通过对掌子面加固土体开挖可明显观察到多条浆脉分布,尤其在外圈眼先行注浆后可观察到在内圈浆液掌子面形成更明显的树状浆脉骨架,厚度可达1.5 cm左右,沿浆脉周边土体存在挤密失水现象,自稳能力得到显著提高,人工开挖过程中未出现掉块、掉泥现象,地表监控量测沉降值控制在±10 mm内。

3 结语

1)采用PVC管劈裂注浆技术可有效改善软流塑地层,利用软流塑土体性质来形成更多劈裂面,在土体中形成有效树状浆脉骨架,提高软弱土体自稳性,从而有效避免涌泥、坍塌现象发生。2)劈裂注浆技术关键是浆液选型和注浆分段控制,针对实际地质特性进行浆液配比试验,同时在注浆过程中明确劈裂注浆分段目的,是确保劈裂注浆效果的关键;通过每循环注浆参数对比优化,可更有效地控制劈裂浆脉形成数量和浆脉厚度,从而达到加固土体节省材料的目的。

[1]邹金锋.劈裂注浆机理分析及其应用研究[R].2004.

[2]周书明,陈建军.软流塑淤泥质地层地铁区间隧道劈裂注浆加固[J].岩土工程学报,2002(7):31-32.

[3]章 耿.上海软土地基劈裂注浆现场试验[J].建筑施工,1995(2):8.