管幕支护与袖阀管注浆加固技术在地铁隧道穿越桥梁桩基施工中的应用

赵立财

(天津大学建筑工程学院，300072，天津∥博士研究生)

地铁隧道施工中不可避免会遇到穿越地下各种桩基础。欲防止桩基础下沉、侧斜等不良情况，保证桩基以上的结构不受或少受影响，其关键是采取不同的措施对桩基础进行保护。在隧道穿越桥梁桩基开挖掘进中将不可避免地因应力释放、地下水流失、爆破振动等诸多因素导致土体固结沉降、桩侧产生负摩擦力，如不采用有效的加固措施将会使桩基产生不均匀沉降或倾斜，甚至裂缝，影响立交桥行车安全。本文结合现场实际情况，确定对离地铁隧道较近的桩基采取地面大管幕支护与袖阀管注浆技术，对桥梁桩基进行保护，避免因失水而导致桩基下沉的现象发生，以确保隧道开挖及立交桥安全。

1 工程概况

深圳地铁4号线二期工程大脑壳山隧道，穿越梅观立交桥，全长1 608 m。在隧道线路两侧分布有桥墩20 处，桩基类型均为摩擦桩。其中桥桩基距K9 +222 处摩擦桩离隧道开挖轮廓线距离近仅为5.4 m。该位置车流量密集，沉降反应敏感，且位于V～VI 级松散围岩地段;地表以下18.5 m 为人工填石，18.5～22.6 m 为粉质黏土，22.6 m 以下为强风化粗粒花岗岩;地下水丰富，属于强透水流砂层。

2 总体方案选定

结合本工程特点，梅观立交桥梁桩基选用了袖阀管注浆工艺进行加固，袖阀管注浆可以分段、定量、间歇、多方位、多角度注浆，注浆后能形成止水帷幕，有效地减少因失水和爆破引起的基础沉降，增强桩基整体的刚度及桩侧摩擦力。但根据最新勘探钻孔可知，Ⅵ级围岩地段(右K9 +205～250)的隧道拱顶开挖线已经进入砂层，隧道本身开挖引起的塌落拱效应会使隧道拱顶地层产生下沉，进而影响桩基础，需要在隧道洞内采取一定措施用以加大拱部止水帷幕厚度。经研究分析，大脑壳山的隧道穿越桥梁桩基时仅仅使用袖阀管注浆技术是无法确保洞内施工安全的。因此，在袖阀管注浆基础上选用管幕对洞内围岩进行超前支护，该结构施工后在充当永久结构的同时也作为支护结构使用，承担围岩的全部荷载，可减少隧道开挖对围岩的扰动，能很好地控制周边围岩沉降和收敛。

3 施工工艺及关键技术

在隧道开挖前，从地表沿桩基两侧垂直打设深孔袖阀注浆管，同时在洞内横向打设管幕钢管复合工艺，使桩基与隧道周边土体形成整体结构，以增大桩身摩擦力，减少因地下水流失固结产生的沉降。管幕与袖阀管注浆工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

3.1 桩基袖阀管注浆技术

袖阀管注浆法的基本施工工序可分为泥浆护壁成孔、浇注套壳料、下袖阀管，以及固管止浆、注浆等步骤，如图2所示。具体工艺如下。

(1)袖阀管布置:在桥墩承台以外1.5 m 开始打设两圈袖阀管，袖阀管间距为40 cm ×40 cm，并相互咬合布置，袖阀管共174 根，每根深为26.6 m，深入隧底以下3 m。袖阀管布置如图3所示。

(2)钻孔:采用XY-100 型探矿钻机引孔，针对不同地层采用合金钻具回转钻进方法成孔，成孔直径为90 mm。在现场施工中，由于桩基附近地质有填土层和流沙层，很容易塌孔，所以必须采用优质稀泥浆护壁，必要时还得采用φ108 mm 套管护孔，待孔内注入套壳料并下入袖阀管后，将φ108 mm 套管提出孔外。如需要钻吹砂孔，则适当增大套管直径。在钻孔过程中，为了不破坏已钻好的孔，采用隔两孔再钻孔的钻孔顺序。成孔后连接注浆管，用注浆泵向孔内泵送大量清水，将孔内的泥浆和沉渣冲出孔外，直至孔口返出清水。

(3)下套壳料:钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。套壳料以黏土为主、以水泥为辅组成，主要用于封闭袖阀管与钻孔孔壁之间的环状空间，在橡胶套和止浆塞的作用下，迫使灌浆段范围内挤破套壳料(即开环)而进入地层，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表。套壳料配比为水泥∶ 黏土∶ 水 =1∶ 1.5∶ 1.88，浆液比重约为 1.5，浆液经过漏斗运用时间漏斗黏度24～26 s;施工时根据地下水情况，调整配比，以控制套壳料凝固时间。

在定义了所有矩阵F,H,Q和R之后,按照式(8)和式(9)方法进行了机器人位置的预测、更新.由于Bk描述的系统状态在每次迭代时都被跟踪,因此,可实时获得矩阵Bk的特征向量和特征值,并根据式(3)获得机器人的位置信息.

(4)安装袖阀管:袖阀管分花管和实管2 部分，每根袖阀管长度为4 m，管上每隔330 mm 钻一组8 个φ5 mm 的射浆孔，每组射浆孔外部包裹一层橡胶套(长度为6 cm，厚2 mm)。袖阀管结构如图4所示。

袖阀管施工顺序为:先将袖阀管下入注浆钻孔中，要确保注浆管下到孔底，上部要高出地面20 cm;然后用水注入内部封闭的袖阀管内，利用重力作用，使袖阀管不会浮起之后将φ108 mm 套管缓慢地提出;最后在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙在地面1 m 处以下采用砂或碎石填充，在地面1 m 处以上至地面段和孔口周围采用速凝水泥砂浆封堵，以防止注浆过程中冒浆现象发生。

(5)提管注浆:选用HFV-5D 型双液注浆泵与32.5 普硅水泥双液浆(配合比为 A 液∶ B 液 =1∶1)。待套壳料养护5～7 天具有一定强度后，在袖阀管内放入双塞的注浆管进行退后式分段注浆。在施工中，由于有流砂层的影响，必须保证注浆压力达到1.5 MPa 后，才能往上提升注浆管，每次上提注浆步距为30～50 cm，这样可以有效地减少地层不均性对注浆效果的影响。注浆采用隔孔注浆的顺序，并从最外的一圈往内注浆，外面的一圈注浆完后，再注里面的一圈，这样可以对外圈的注浆体作进一步的补充，有利于提高注浆效果，使之达到互相咬合的效果。

(6)注浆结束标准和效果评定:注浆压力逐步升高达到1.5 MPa，并继续注浆10 min 以上，结束注浆。每一循环注浆结束后采用钻孔取芯或物探等方 法进行效果评定，不合格及时补孔加强。

图2 袖阀管注浆工序图

图3 袖阀管平面布置图

图4 袖阀管结构示意图

3.2 洞内管幕支护施工

首先将φ299 mm 钢管锁口连接钻入隧道开挖线以外土体内，然后对钢管进行管内外注浆，使之形成水密性地下支护体系。具体施工工序如图5所示。

3.2.1 管幕钢管布设

在地铁隧道的开挖线外侧，沿隧道轴线方向将一排φ299 mm×8 mm 的管幕钢管水平铺设在土体里，隧道底部钢管打设锁脚锚管，并施作C35 混凝土作为加固基础。钢管沿拱部环向布置至混凝土加固基础，钢管侧壁焊接C 型钢锁口，φ229 mm 管棚的环向布置间距为10 cm，每施工段布置39 根，长40 m，管节长为10 m。同时在φ299 mm 钢管连接处打入φ60 mm钢花管(钢花管上预留注浆孔)，通过φ60 mm 钢花管对土体进行注浆加固，并使φ299 mm 钢管成为一个整体，形成止水帷幕套拱，以确保隧道开挖安全。隧道管幕与袖阀管加固体系如图6所示。

图5 管幕施工工序示意图

3.2.2 导向钻孔

结合K9 +222 处地质情况，钻孔采用50T 水平钻机完成(水平钻机设有轨道，平移、升降钻机平台)，利用φ159 mm×5 mm×6 m 的钢管作钻杆，两端为 φ159 mm×12 mm 接手。钻头为 φ325 mm 楔掌斜板型，斜板加安硬质圆柱合金，可破除一般石块，打设时采用泥浆护壁，一次性成孔。导向孔钻进施工时，在钻头内部安装探棒，通过导向接收仪及机台显示屏观测钻头的深度、左右偏差、倾角和工具角(导向板的方向:导向板朝上即为12 点)，根据监测钻头在钻进过程中的位置和方向与设计轨迹的差异，利用可调节方向的钻头来改变钻头的钻进方向;打设角度如偏下，可以把钻头调到12 点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6 点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9 点、3 点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键，终孔偏差可以控制在15 cm 以内。钻进切割产生的碎屑从钻头出水口进入钻杆管尾部排出。

图6 管幕与袖阀管加固体系示意图

3.2.3 夯管跟进施工

导向孔完成后，将钻杆与钻头拔出，采用50T 水平钻机施以夯力使带有连接互锁导向装置的钢管顺利顶入，直至将钢管直至导向孔深度。同时在φ299 mm 钢管前面加一个不大于φ299 mm 的扩孔钻头，并在上方焊接φ60 mm 钢花管，然后进行夯锤作业，作业过程中仍采用泥浆护壁。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余40 cm 时，人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管联成一体，然后再低速推进钢管;在进行第二根钢管作业时要与先前跟进的钢管锁口套接好，必须保证每根管之间连接紧密。

3.2.4 管幕顶进后处理

(1)注浆加固。当相邻两根钢管顶进结束后，通过φ60 mm 钢花管向管道外壁压入水泥浆(水灰比为1∶ 0.8)，注浆压力0.6～0.8 MPa，进行管壁外侧空隙填充加固，以补偿地层的松散变形，使钢管四周形成一个稳定的加固圈。

(2)钢管锁口止水处理。为了防止管幕加固后，不发生渗漏泥水的现象，在完成注浆加固后，要利用φ299 mm 钢管节上预留的注浆孔向锁口部位压注聚胺脂浆。同时，要预留足够的跟踪注浆孔，以便在隧道开挖过程中对局部渗漏点进行二次注浆。

(3)混凝土填充。在钢管钢管锁口处理后，在管幕φ299 钢管内利用导管灌注微膨胀混凝土，以加大管幕纵向的刚度，和避免管幕局部出现应力集中而屈服。

4 施工监测

4.1 测量点布置

4.1.1 管幕内监测点布置

为了第一时间发现在管幕布设及后续开挖过程中沉降数据，在左右两边各设一个空管作为测量观测管，在每个测量观测管内设测量观测点，观测点距管端口15 m。

4.1.2 桩基及地面沉降监测点布置

在隧道轴线及右侧横向、纵向每5 m 布置3 组(共 11 个)地面沉降观点，即 K9 +227 ，DK9 +222 ，DK9 +217 处;同时在隧道K9 +222 右侧桥墩共有12 根桩基，桥墩左侧6 根，右侧6 根，两侧对应桩基位置各布置6 个沉降观测点，监测频率均为每3 h监测1 次。

4.2 沉降分析

本监测数据为大脑壳山隧道掘进至K9 +222处，运用管幕支护及袖阀管注浆技术加固至K9 +222 处掘进时产生的数据。

4.2.1 地面沉降分析

由图7 可以看出，在监测的4 天内，第二组监测点地表整体表现出隆起状态，最大值10.325 mm，这是由于管幕加固洞内与袖阀管注浆加固桩基时，原状土经历了挤压、剪切、扭曲的应力，促使土体的初始应力状态发生了变化，使地表土体隆起;第七日加固措施施工后，监测沉降量趋近于零，土体产生固结沉降，逐渐恢复到原始应力状态;第十日开始隧道掘进，第一、二组监测点沉降量仍趋近于零，这说明该加固技术的应用可以有效控制地层土体应力变化，地铁隧道均处于稳定状态。

4.2.2 桥墩沉降分析

从图8 桥墩沉降变化曲线图可以看出，隧道掘进过程中，对桩体的影响不如土体那么明显，桩体沉降值波动较小，地铁隧道掘进时桥墩桩基础没有明显的下沉现象。由于左右两侧桩基距隧道的距离不同，两侧沉降曲线变化也不具严格的一致性，说明隧道掘进过程中桥梁桩基处于稳定状态。

图7 地面沉降变化曲线图

图8 桥墩沉降变化曲线图

5 结语

在大脑壳山隧道施工中采用袖阀管注浆与管幕相结合施工技术，有效地减小了隧道穿越对桩基础附加受力及变形的影响，保证了梅观立交桥的行车安全。此方法可减少施工对桥基周围土体的扰动，具有较高的推广价值。但在袖阀管注浆中，止浆塞与管壁间会产生很大的摩擦阻力，导致止浆塞翻转增加了摩擦阻力，建议增加一个连通管，以平衡底部袖阀管的封闭空腔与上部空腔的压力差。

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