前进式水平注浆加固在天津软土中的应用

喻涛锋

(中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052)

0 引言

在天津地区软土中施工盾构隧道，需要对盾构隧道的盾构井进行加固。在通常情况下，采用的加固方式有地面搅拌桩加固、地面旋喷桩加固或者是搅拌桩加旋喷桩加固;但是在有地面障碍、盾构井较深等情况下，使用地面加固的方法已不适用。前人已进行了其他方法的尝试，如水平注浆加固、水平冻结法加固等。实践证明前进式水平注浆加固效果好，经济性较好，具有良好的应用前景。

在长大隧道中，注浆加固止水应用比较普遍，随着注浆工艺的发展，在城市地铁中采用注浆法加固也越来越普遍。钟锋等［1］研究了前进式水平注浆在地铁中的应用，但是应用地质条件不一样，地层为风化岩层，而本文研究的是软土富水地层。孔恒等［2］研究了水平分段注浆后形成加固体，起到临时支护的作用，主要是填充注浆。本文重点是研究前进式水平注浆加固在软土富水地层中的应用。

1 天津地区的地质条件特点

天津地区地层主要为海、路相交互沉积层。地表以下3～5 m为人工杂填土、素填土，该层以下土体主要有粉质黏土、淤泥质黏土、粉土、粉砂等。地下水丰富，有潜水和承压水，地表以下2 m有一含水层，受大气补给，水位变化受季节影响，通常被称为潜水;在地表以下20 m左右有一浅层承压水，水压约0.16 MPa，水头稳定，通常被称为微承压水或者浅层承压水;地表以下70 m左右有一层承压水，水压约为0.6 MPa，水头稳定，通常被称为深层承压水。

2 盾构隧道在天津地区的应用

天津地铁1号线于2002年开工，2005年基本完成，但是在地铁1号线施工过程中很少采用盾构法施工区间隧道。盾构法施工主要兴起于天津地铁2号和3号线。经过地铁施工的验证，现已经广泛应用于其他地下工程。

3 天津地区地质条件对盾构法施工的影响

天津地区地质均匀，土体以粉质黏土、粉土、粉砂为主，易于盾构机掘进;但由于地层土体承载力小、含水丰富、稳定性差，在盾构机始发和到达的过程中容易发生透水事故。

4 前进式水平注浆在天津的应用

4.1 天津地铁2号线靖江路站

天津地铁2号线靖江路站盾构井深约为19 m，盾构井加固原设计方案为地面搅拌桩加旋喷桩加固。在搅拌桩、旋喷桩施工完成以后进行钻芯取样，发现加固的效果不是很理想，不能满足盾构机始发要求。而后采用前进式水平注浆进行补充加固，注浆完成以后进行钻芯取样，经检验加固效果能够满足始发要求，施工过程始发、到达均没有发生透水现象。

4.2 天津海河“共同沟”刘庄桥隧道

天津海河“共同沟”刘庄桥隧道盾构井深约27 m，盾构井加固原设计方案采用地面旋喷桩加固，加固后经检验加固效果一般，盾构机始发过程中发生涌水涌砂，造成盾构机淹没。后采用前进式水平珠江进行补充加固，注浆完成以后进行钻心取样，经检验加固效果能够满足始发要求。

5 常见的几种盾构井加固方法优缺点比较

通常采用的盾构井加固的方法有地面搅拌桩、旋喷桩垂直加固、冻结法加固、前进式水平注浆加固等，几种加固方法的优缺点见表1。

表1 常见的几种盾构加固方法比较Fig.1 Normal shield grouting methods

6 前进式水平注浆法加固的设计与施工

以海河“共同沟”刘庄桥隧道为例说明前进式水平注浆法加固的设计与施工。

海河“共同沟”刘庄桥隧道位于天津海河刘庄桥附近，横穿海河，海河两侧各设1个盾构井作为盾构机的始发和接收井。盾构始发井深27 m，接收井深28 m，地址条件主要以粉土、粉质黏土、粉沙为主，地下水丰富，有浅层承压水。盾构井原采用地面旋喷桩加固，效果不佳，后采用前进式水平注浆补充加固。

6.1 孔位设计

全断面注浆始发井纵向加固长度为15 m，径向加固范围隧道开挖工作面及开挖轮廓线以外4 m，为减小注浆盲区在8 m处增设1个补孔断面。由于隧道洞身及附近地层主要为粉质黏土、粉土，浆液扩散较困难，为了有效的对地层进行加固满足开挖要求，注浆设计A-A断面和B-B断面的最外圈扩散半径按1.5 m布置，其他区域扩散半径按1.2 m布置。注浆孔位平面布置见图1，剖面见图2，隧道注浆断面终孔交圈示意图见图3。

图3 A-A断面注浆孔纵剖面布置图Fig.3 Profile of grouting holes at A-A section

6.2 注浆参数

水平前进式深孔注浆参数见表2。

表2 水平前进式深孔注浆参数表Table 2 Parameters of advancing horizontal detection grouting

6.3 注浆材料

根据地质情况及堵水加固的要求，拟采用普通水泥-水玻璃双液浆和硫铝酸盐水泥-水玻璃［3］。施工过程根据涌水情况及地质情况进行选择调整。

原材料:硫铝酸盐水泥(早强快硬，P·O42.5);普通硅酸盐水泥(P·O42.5);水玻璃(浓度35 Be'，模数2.4～2.8)。

所使用材料必须合格、保质、新鲜。

根据室内试验结果测试浆液性能如表3所示。

表3 注浆材料性能参数表Table 3 Performance of grouting materials

6.4 注浆顺序

钻孔注浆施工采取间隔跳孔分2序进行实施劈裂挤密型注浆加固［4-5］，施工顺序先外后内，先下后上。

6.5 注浆工艺

前进式水平注浆工艺流程见图4。

图4 前进式水平注浆施工工艺流程图Fig.4 Flowchart of advancing horizontal grouting

1)标定孔位确定钻进外插角后，安放孔口管。

2)孔口管采用φ 89无缝钢管预埋，长0.9 m，钻孔机械采用电动空心钻，钻孔深度达到设计深度后用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆，孔口管预埋如图5。孔口管钻孔时要通过仪器定位，保证孔口管预埋的位置以及角度准确。

图5 孔口管预埋示意图Fig.5 Orifice pipe insertion

3)为防止钻孔过程中突发涌水突泥，孔口管安设完成前端须安设法兰，发生涌水时立即推出钻杆，然后利用法兰安装注浆堵头，关闭堵头上的闸阀以后涌水就立即停止。关闭闸阀以后浆注浆机注浆管与注浆堵头另一端的管头连接，当注浆压力大于水压时打开闸阀进行注浆，注浆管与孔口管连接见图6。

图6 孔口管与注浆管连接图Fig.6 Connection of orifice pipe and grouting pipe

4)注浆钻孔过程中每次钻深1～2 m后安设注浆堵头进行注浆施工，当该段注浆达到设计结束标准后，拆除注浆堵头在原孔深基础上再钻进1～2 m，注浆到设计标准，再钻孔，如此循环直到钻注到设计深度，施工中可根据地质情况适当调整钻注段长。前进式水平原理见图7。

图7 前进式水平注浆原理图Fig.7 Mechanism of advancing horizontal grouting

6.6 注浆结束标准

6.6.1 单孔注浆结束标准

单孔注浆以定量定压相结合。

1)定量标准。注浆量根据地层围岩孔隙率30%，每m注浆量控制在4.0 m3，当注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升，可采取调整浆液配比缩短凝胶时间或进行间歇注浆等工艺使注浆压力达到设计终压，结束该孔注浆。

2)定压标准。根据地层涌水压力注浆终压定为:前8 m注浆压力控制在3～4 MPa，6 m以后压力控制在4.0～5.0 MPa(注浆过程根据浆液扩散情况并结合注浆量大小对注浆压力终值进行验证，确定合适的注浆终压力。)单孔注浆压力达到设计终压并维持10 min以上可结束该孔。

6.6.2 全段结束标准［6］

1)设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。

2)按总注浆孔的5% ～10%设计检查孔，检查孔满足设计要求。

6.7 注浆效果检查及评定

6.7.1 分析法

1)P-Q-t曲线法。通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q进行P-t，Q-t曲线绘制，根据地质特征、注浆机、设备性能、注浆参数等对P-Q-t曲线进行分析，从而对注浆效果进行评判。

注浆施工中P-t曲线呈上升趋势，Q-t曲线呈下降趋势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压，注浆速度达到设计速度(常取5～10 L/min)。

2)浆液填充率反算。通过统计总注浆量，可采用下式反算出浆液填充率，根据浆液填充率评定注浆效果，即

式中:ΣQ为总注浆量，m3，V为加固体体积，m3，n为地层孔隙率或裂隙度;α为浆液填充率;β为浆液损失率。

地层富含水时，浆液填充率须达到70%以上。

6.7.2 检查孔法

1)选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，检查孔数量按注浆孔总数的10%控制。检查孔无涌泥、涌砂，不塌孔，涌水量小于0.2 L/min·m。

2)选择适当数量检查孔进行钻孔取芯，取芯率达到70%以上。

3)对检查孔进行注浆试验，反算地层的填充度。

6.8 施工监测

为了保证在注浆过程中结构的安全，防止因注浆或水压过大而引起围岩局部发生变形等，钻孔注浆施工期间需对注浆工作面后方30m范围进行施工监测。

监测项目:地面沉降、管顶沉降、地连墙位移。监测频率:1次/d。

测点埋设:每5 m布置1个断面，每断面布置水平收敛1对，拱顶下沉测点1个。

监测仪器:DSZ-2+FS1自动调平水准仪、JS-3型坑道收敛计。

控制标准:收敛速度v＜1 mm/d时正常施工;v=1～5 mm/d时应加强观测，适当采取措施;v=5～10 mm/d时，应调整施工方案，v＞10 mm/d时，暂时停止施工、采取措施进行处理。

7 结论与讨论

前进式水平注浆法加固盾构隧道盾构井，在基坑较深、地下水的等软土底层中具有加固效果好、速度快、经济等优点。在经过几个工程实践成功以后，该技术在天津地区应用已经日趋成熟，相信在天津乃至全国其他软土地区会有更好的应用前景。

当然前进式水平注浆加固在软土富水地区应用，如果要达到预定效果，需要采用劈裂注浆，注浆压力较大，可能导致地面隆起，从本工程看，最终地面隆起约100 mm，需提前对地面管线进行保护。如何在应用前进式水平注浆的同时确保不影响地面建筑物或者地下管线是下一步研究的重点。

［1］ 钟锋，张东生.某地铁暗挖段TGRM前进式分段深孔注浆工法探讨［J］.西部探矿工程，2010(1):118-121.

［2］ 孔恒，彭峰.分段前进式超前深孔注浆地层预加固技术［J］. 市政技术，2008(6):17-20.(KONG Heng，PENG Feng.The Technique of earth prestabilization with deeplevel grouting heading in segmently onward mode for shallow excavation tunneling ［J］. Municipal Engineering Technology，2008(6):17-20.(in Chinese))

［3］ 刘玉祥，柳慧鹏.矿冶水泥-水玻璃双液注浆中的最优参数选择［J］. 矿冶，2005(4):4-6，25.(LIU Yuxiang，LIU Huipeng.Optimal parameter selection of cement-water glass two-shot grouting［J］.Mining and Metallurgy，2005(4):4-6，25.(in Chinese))

［4］ 邝健政，昝月稳，王杰.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京:科学出版社，2001.

［5］ 周富宽，彭峰.燃气管线下穿地铁五号线注浆加固技术［J］. 科技信息，2007(2):245-246，248.

［6］ 上海市建设和管理委员会.GB 50202—2002建筑地基基础工程施工质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2002.