盾构下穿城市景观湖地层加固施工技术

黄惟，吴波，李展峰

(1.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350118;2.中铁四局五公司 江西九江 332000)

引 言

随着城市地铁建设的发展，越来越多的盾构投入隧道建设。盾构隧道穿越复杂地层，成为施工过程中需要解决的难题。盾构下穿城市景观湖，由于湖底覆土软弱稀薄，盾构姿态不易控制，易造成地层过大扰动等。本文以南宁地铁1号线麻村～南湖盾构区间下穿南湖隧道施工为工程依托，探索和总结出盾构下穿城市景观湖加固施工技术和相关参数，同时可为类似隧道施工积累宝贵的经验。

1 工程概况

麻村～南湖区间隧道起止里程为ZSK19+763.763～ZSK20+918.916，隧道设计内径为5.4m，在南湖大桥北面约25m处南湖站始发，其中穿越南湖段约250m，湖底隧道埋深4.2m～11m。南湖段地质自上而下为淤泥层、粘土、粉质粘土、粉细砂层、圆砾层，隧道主要穿越粉细砂层，具体见(图1)。

图1 加固区域和隧道位

盾构下穿城市景观湖首先施作南湖段埋深小于6m地段砂袋围堰，围堰范围为157.7m×44.5m，围堰高出最高水位0.5m，围堰内湖铺设0.5m厚砂垫层作为加固平台。其次对围堰范围内146×25.5m范围内隧道顶面以上1.5m至隧道底部以下1.0m～3.0m范围内的土体进行注浆加固。最后清除围堰内沙袋垫层，抛填片石进行加固，增加覆盖层厚度，抛填结束后，清除砂袋围堰。

盾构下穿城市景观湖加固施工，主要施工流程见(图2)。

图2 盾构下穿城市景观湖施工流程图

2 地层加固技术

盾构由南湖站始发进入下穿南湖段。在下穿南湖段最小覆土厚度为4.2m，均为软土，盾构掘进过程中，极易造成土体扰动，隧道坍塌渗漏水等施工病害。对穿越南湖段采用全断面注浆加固。

对隧道穿越湖底软弱覆土采取全断面注浆加固，主要加固区域见(图3)。

图3 加固区域横断面

软弱地层加固采用Φ48mm，壁厚t=4mm的PVC管，注浆管应深入加固土层以下1.0m。注浆加固平面范围为隧道外边缘线外扩3m;竖向范围为区间隧道顶1.5m至隧道底部以下1.0m～3.0m范围内的土体。平面加固区域根据实际工程确定，加固前，在围堰内清淤，施做0.5m砂垫层，作为注浆设备作业平台。

2.1 注浆加固准备

首先进行测量放线，在基本整平的场地上，利用施工基线和辅助基线，测放出注浆孔的孔位，用竹桩等作出明显标记。桩位误差不大于2cm。测量工作面标高，沿钻孔位置开挖沟槽和集水坑，及时排出冒浆和孔内水，以保持场地整洁干燥。

其次要制作及插入花管，注浆管采用Φ48mm，壁厚t=4mm的PVC管。注浆管应深入加固土层以下不小于1m。加固范围外围三排采用水泥－水玻璃双液浆进行加固，内部采用水泥浆加固。外围三排注浆管采用间距0.75m(错开布置)，内部注浆管采用间距1.0m(错开布置)。开孔范围为设计加固范围内。花管的底端头用配套盖子封堵，防止泥沙进入。

最重要的是确定注浆参数。注浆浆液采用单液浆及水泥－水玻璃双液浆，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，水玻璃采用40%硅酸钠溶液，水泥浆水灰比0.5:1～1:1，双液浆配比为水泥浆:水玻璃=1:0.5～1:1;注浆压力0.5～1.0MPa，注浆压力逐步提升，达到注浆终压后稳压10min，注浆参数及压力供试验前参考，实际注浆参数根据现场试验注浆效果后确定。

2.2 配备注浆液及注浆

注浆液采用纯水泥浆，注浆所用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比按注浆次序有一定调整，依次减少，控制范围为1.00～0.5。外三排注浆考虑止水效果，浆液采用双液浆。搅拌机采用叶式机械搅拌机，应能保证浆液能连续均匀搅拌，才能过滤。浆液须在搅拌均匀过筛后，再泵送压注，在注浆过程中，浆液应连续搅拌，搅拌时间应大于2min。注浆泵采用柱塞泵或双液柱塞泵，压送水泥浆液时，柱塞与缸体不直接接触，以减少磨损。按每m注浆加固深度控制注浆量，每m注浆深度水泥用量定为100kg。注浆的流量一般为7～15l/min。每次注浆完毕后用对注浆管管口封堵，以便于下次重复注浆。注浆进程中出现地面冒浆或压力突变，应立即停止注浆，查明原因，采取措施。单孔注浆结束标准应根据下列情况综合决定:a.注浆量达到设计要求;b.注浆压力超过设计值;c.地面冒浆。

钻孔时准确及时记录孔号、孔深、土层类型、分层深度等参数，注浆施工时应详细记录每一个钻孔的每次注浆压力、注浆量、注浆时间、浆液配比、复灌次数等基本参数。

2.3 施工质量控制和检查验收

(1)施工准备质量检查:

①用于加固的材料宜经检验合格后再用于工程施工。

②施工场地应预先平整，并沿钻孔位置开挖沟槽和集水坑。

③浆液42.5级普通硅酸盐水泥配制。

④注浆用水不得用pH值小于4的酸性水和工业废水。

⑤注浆用水的水温不得超过30～35℃;并不得将盛浆桶和注浆管在注浆体静止状态下暴露于阳光下，防止浆液凝固。

⑥花管注浆法要求:

a采用钻孔或振动法将注浆管送入土层中。

b采用钻孔法时，应从钻杆内注入封闭泥浆，然后插入孔径为48mm的PVC花管。

(2)施工过程质量检查:

①注浆施工时，浆液种类、注浆量、注浆压力应符合设计要求，宜采用自动流量和压力记录，并应及时对资料进行整理分析。

②水泥浆的水灰比可取0.5:1～1:1。

③浆体应经过搅拌机充分搅拌均匀后才能开始压注，并应在注浆过程中不停缓慢搅拌，搅拌时间应小于浆液初凝时间。浆液在泵送前应经过筛网过滤。

④花管注浆时，须待封闭泥浆凝固后，移动花管自下向上或自上向下进行注浆。

⑤压密注浆时，须待封闭泥浆凝固后，捅去注浆管的活络堵头，然后提升注浆管自下向上或自上向下对地层注入浆液。

⑥注浆泵排量应控制在10～20L/min。

⑦花管每次上拔或下钻高度宜为0.5m。

⑧注浆孔的间距应符合设计要求，注浆顺序应按跳孔间隔注浆方式进行，并宜采用先外围后内部的注浆施工方法。

⑨对渗透系数相同的土层，首先应注浆封顶，然后由下向上进行注浆，防止浆液上冒。如土层的渗透系数随深度而增大，则应自下向上注浆。

(3)注浆质量验收标准

注浆完毕后，应在注浆加固体强度达到75%或注浆结束7d(双液浆)及28d(水泥浆)后对加固体进行质量检验，采用静载法或标贯试验进行检验，注浆检验点不少于注浆孔的1%，且不少于3点。检验点应布置在有代表性的孔位、施工中出现异常的部位。

加固后土层标贯应满足:粉细砂层N≥20，粘土层N≥10;隧底加固后地层地基承载力不小于250kpa，若达不到要求，应及时弥补。注浆地基的质量检验标准见(表1)的规定。

表1 注浆质量检验标准

2.4 注浆加固质量通病及处理办法

(1)可灌性差:选择浆液及浆液配合比不当及选择注浆压力不当时，浆液扩散半径小都会使浆液可灌性差。由于地质分布不均，致使设计人员在确定注浆浆液类型及注浆参数时，不能满足现场实际要求，可在正式注浆前增大试注浆孔数，使之能正确反映整个施工区域的情况，并调整注浆压力、配比等相关参数。如在正式注浆工程中发现局部区域存在可灌性差的现象，可采用局部增加注浆孔进行补救，或调整浆液水灰比和添加速凝剂、缓凝剂、流动剂、加气剂、防析水剂等，加强浆液的扩散性。

(2)冒浆:止浆不好或在用套管嵌入止浆时，套管嵌入不好;注浆压力过大都可能是引起冒浆的原因。调整注浆压力，限制进浆量，间歇注浆以及重新嵌套管(或加止浆塞)可对该质量问题加以防治，必要时在止浆处下套管，用水泥砂浆封住，重新扫孔注浆。

(3)串浆:出现浆液从其他孔中流出的情况，一般是由于两孔间的连通性好，可采用加大孔间的间距，适当延长相邻孔施工时间的间隔，用止浆塞塞于被串孔串浆部位上方2m～3m处，相邻串浆孔同时注浆这几种方法进行处理。

(4)浆液大量流失到非注浆部位如出现某孔注浆量异常大，且总是灌不满时，极有可能因为注浆压力过大或浆液过稀等等，使浆液流失到非注浆部位。勘察注浆区域地质情况确认后，可采用以下方法:低压或自流注浆;改用较浓浆液;在浆液中加速凝剂;采用加粗骨料浆液注浆;加大注浆压力间歇注浆;控制注浆施工程序，在注浆范围的边缘和底部用水泥－水玻璃浆液，调整配合比，使其在十几分钟内凝固以封闭外围及地层。

3 加固辅助措施施工

3.1 膜袋围堰

膜袋围堰为加固施工辅助措施之一，为全断面注浆加固提供作业空间。膜袋围堰成型快，对地层适应性强，能够有效满足加固工期紧的要求。此外，膜袋围堰相对土石围堰更加环保，对环境影响小，适合城市景观湖土层加固施工。

考虑湖底一定厚度的淤泥，结合本项目实际特点并在征求相关有类似工程施工经验的基础上，膜袋围堰底部无需进行换填，设置土工格栅进行防滑处理，并且在多层膜袋间设置止水土工布满足防渗功能。上部采用常规膜袋围堰设计膜袋围堰结构图见(图4)。

图4 膜袋围堰结构图

主要施工步骤:施工准备－泵砂船就位－铺设输砂管砂袋－袖口绑扎套管－输砂管与砂袋套管连接－启动砂泵抽砂－充灌注砂料－检查砂袋形状－抽出套管绑扎袖口－铺设止水薄膜－下一个砂袋施工－完成围堰。

膜袋围堰中关键技术如下:

(1)特别注意泵砂管接头要严密，在进行泵砂作业前，要进行射水实验，查看管身是否有沙眼等缺陷出现，从而防止暴管事故发生。

(2)由运砂船直接对砂袋进行灌砂，灌砂过程中泥浆泵压力控制在0.2～0.3MPa、水与河砂比例为1∶0.75，保证砂体在泵送过程中良好的流动性。充填砂袋时首先沿砂袋长边方向充填，避免应力集中损坏袋体，并在充填过程中调整出砂管口方向，防止袋体受力不均匀而移位变形。灌砂量宜控制在砂袋容积的75% ～80%，每层充填高度控制在80㎝左右，在充填过程中如一次达不到想理高度可分次进行，其间隔时间一定要满足已经灌进砂袋中砂体的沉淀时间。

(3)在围堰迎水面铺设防渗土工布，并采用小砂袋堆码压牢。当土工布铺至围堰坡脚时采用砂袋压实，土工布压实面宽度不小于1.0m。两幅土工膜在进行铺设时，必须考虑拼接的重合叠加，一般控制在30cm;土工膜应压入湖底最低不少于1m，土工膜铺设应平整紧贴堰体坡面，不得绷拉过紧;铺设人员穿软胶底鞋，以免损伤土工膜;

3.2 抛填碎石

抛填碎石为重要的辅助加固措施。由于盾构隧道覆土极为稀薄，尤其在进行注浆加固施工后，在施工荷载和土层固结会变得更薄，抛填碎石能够有效增加隧道覆土厚度，此外可以避免日后河道清淤造成的削弱。

抛填碎石主要施工工序:测量－抛投－垫平－碾压－检测。备料要求:片石粒径5～30cm，碎石粒径5～40mm，片石、块石最低强度等级不低于MU30。当抛入的片石露出湖底面50cm后，用12t振动压路机碾压，先抛填湖边后抛填湖中央，先静压后振压，直至块石不再下沉为止，施工中若发现淤泥翻出，采用挖掘机挖除淤泥;抛填块石要求大小不均匀，便于层层铺设，第一层抛填粒径较大的块石，向上依此可减小粒径，小碎石填缝，直至软基处理结束;抛填片石采用片石、块石及碎石组成，分三层抛填片石、块石及碎石，采用机械分层压实。加固前，清除回填砂及部分泥土(共1m)，以保证抛填片石层不得超过原有湖床底面。

4 小结

盾构下穿城市景观湖加固施工技术适用于地铁盾构穿越中小湖泊且土层软弱、地铁埋深较浅的工程。全断面注浆加固辅以抛填碎石，加固效果更加突出。注浆加固主要集中在地铁下穿土层较薄的区域，有效减小盾构掘进过程中对地层和环境的影响。抛填碎石还可以防止以后河道清淤对地铁盾构的覆盖土层造成削弱。膜袋围堰集成性好，可一次成形，并且在水下根据具体情况微调，工艺简单、耗时短、经济性好、对景观河造成的污染小等优点。

［1］刘建国.深圳地铁盾构隧道施工技术与经验［J］.隧道建设，2012，32(1):72 ～87.

［2］廖少明，侯学渊.软土盾构法隧道设计与施工的最新研究进展［J］.地下空间，1998，18:406～454.

［3］张海波，殷宗泽，朱俊高.地铁隧道盾构法施工过程中地层三维有限元模拟［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(5):755～758.

［4］周梁，廖少明，史宁强，李家平.隧道软弱下卧地基注浆加固试验［J］.重庆交通大学学报，2010，29(6):880～884.

［5］陆璐，林峰.膜袋砂围堰施工工艺［J］.西部交通科技，2010，8:54 ～58.