浅谈富水砂层盾构端头三轴加固工艺顺序优化

余志勇

（南昌轨道交通集团有限公司地铁项目管理分公司，江西 南昌 330000）

1 工程概况

南昌地铁2号线前湖大道站至学府大道东站区间位于丰和南大道下方，区间出前湖大道站，沿着丰和南大道北进，到达学府大道东站，丰和南大道道路红线宽65 m，隧道主要穿越粉质黏土、细砂、粗砂、圆砾、砾砂、中风化泥质粉砂岩。前湖大道站北端头为前学区间接收端，地面标高20.29 m，地下水位埋深1.5 m，地下从4.8～17 m均为富水砂层。每个盾构三轴搅拌桩加固体为10.5×12.5 m，加固深度达20.5 m。拟建场地地形平坦，属赣江冲积平原区一级阶地，拟建场地距离赣江不足1.5 km，地下水位受地表水系影响较大。雨季时，赣江水位上涨，场地地下水位也随之涨高，反之则降低。地下水位受季节影响较大，地下水流动补给加快。

根据既有南昌地铁盾构始发接收经验，传统端头加固顺序及方式，不可避免的会产生渗水流沙，个别甚至发生涌水涌砂。为提高施工技术质量，通过精细化管理，施工过程中改进了传统的单侧单排施工顺序，优化为先施工外围三轴桩且采用套打止水工艺。

2 加固的意义及设计概况

2.1 加固的意义

盾构机在进出洞时，工作面将处于开放状态，这种开放状态将持续较长时间。如处理不当，地下水、流砂、涌泥等就会进入工作井，严重情况下会引起洞门塌方。为了在拆除洞门内维护结构桩时保持底层的稳定和防止地下水流入，防止在盾构机完全进入地层之前其周围流入地下水和泥砂，导致洞周大面积地表下沉，危及地下管线和附近建筑物，必须考虑地层条件、隧道埋深及周边环境等因素对端头进行相应处理。端头加固的原则，满足拆除洞门内维护结构桩能保证地层稳定、防止地下水流入以及作业面压力不足所引起的掌子面坍塌。防止盾构机始发进洞期间涌水涌砂、地面塌陷、基坑失稳等。因此做好端头加固，对保障盾构机及基坑安全至关重要。

2.2 设计概况

加固措施采用水泥浆搅拌桩及高压旋喷桩进行加固。盾构始发、接收地基加固：采用Φ850@600三轴搅拌桩加固，桩间搭接250 mm，桩身垂直度偏差≤1/200，采用梅花形布置；搅拌桩与围护结构间500 mm的空隙采用Φ800@500高压旋喷桩加固，桩间搭接300 mm，桩身垂直度偏差≤1/200,高压旋喷桩和搅拌桩桩位偏差≤50 mm。搅拌桩加固指标：加固一区的水泥掺量为10%，加固二区的水泥掺量为25%，采用P42.5级普通硅酸盐水泥。盾构端头加固范围平面布置图。

3 传统的三轴搅拌桩加固工艺顺序及效果分析

3.1 传统加固顺序

传统加固顺序为，先完成第一排，接着二排、三排依此加固，同排之间加固由一端向另一端推进。

3.2 效果分析

此种顺序推进方式，在土层中或地下水贫乏处于效果较好，工艺简单适应性好，便于操作。

但在富水砂层中，受地下水及其流动影响，三轴搅拌成桩后临水边缘水泥浆有被水稀释或冲蚀现象，导致加固体中夹杂着砂囊和水囊，甚至形成完整的渗水流沙通道。严重影响端头加固质量，威胁着盾构机和基坑的安全。

单边盾构加固体单排约7幅搅拌桩，加固时间约10 h，根据此种施工顺序，搅拌桩成桩后，10 h内，桩体边沿水泥土，均处于地下水的浸泡和流动侵蚀环境下。导致迎水面部分桩体外侧被破坏，此排桩体无法与之有效咬合，形成质量缺陷。个别幅段施工时如垂直度控制不到位还会扩大质量缺陷的严重性，甚至形成水囊和渗水通道，产生严重的后果。

图1 缺陷形式及产生过程示意图（m）

南昌地铁某站南端头始发前进行水平探孔，在探孔深度不到2 m位置，就出现了涌水涌砂现象，一下子就涌出了近1方的水和砂，现场应急处置，用提前准备的木塞堵住了探孔，阻止了事态的扩大。但事后进行双液静压注浆进行二次加固，延误了大半个月的工期，且产生了较大的直接经济损失。这就是产生水囊和渗水通道的实例。

4 优化后三轴搅拌桩加固工艺顺序及效果分析

4.1 优化后加固顺序

根据地下水及流动侵蚀的特点分析，被破坏的部分一般为桩体外侧，内部往往不会受到破坏，以至于桩心取芯检测，并不能检测到缺陷的位置。现对盾构端头三轴搅拌桩加固顺序进行优化。

优化方案为，先完成加固体周边一圈的三轴搅拌桩，并采用套打止水工艺。待完成封闭后再加固加固体内部。就可以避免加固时地下水流动侵蚀的影响。内部加固在从一侧向另一侧一排排完成内部搅拌桩的加固。

4.2 效果分析

先加固周边桩体，且采用止水套打工艺使桩体封闭成环。有效地解决了地下水及流动对桩体外侧的侵蚀，避免桩间加固不到位的情况，提高了加固质量。

加固体内，已被周围的止水帷幕封闭，即使有个别缺陷，也不会形成渗水通道，杜绝了涌水涌砂发生的可能性，有效地降低了安全风险。

5 经济安全分析

传统方案除正常加固施工外，需要增加的工程量和费用及延误的工期有：水平探孔一般设置9孔，但很难一次成功，往往要多次施工水平探孔的增多4～5孔数量，增加费用约1 万元。延误工期2～3 d。探孔发生渗水后需要对探孔周边范围进行双液静压注浆二次加固补强，每个注浆孔费用约为1.5 万元。根据以往施工经验，一般需要增加注浆孔3～6个。延误工期7～10 d。如发生涌水涌砂事件，所损失的费用和延误的工期将成倍地增加，还将对项目部的声誉产生不良的影响。

优化后将极大提高加固质量，减少二次加固的产生，水平探孔增加数量将减少至1～2孔。增加二次静压注浆孔减少为0～4孔。但增加了先期施工的组织措施，需要管理和技术控制，确保外围桩体先期封闭成环。由于采用套打止水工艺，单侧端头加固体约增加10幅三轴搅拌桩，增加费用约1 万元，增加工期1 d。由于加固体内已完成止水封闭，能极大降低涌水涌砂事件发生概率，降低安全风险。

6 结语

本工程针对富水砂层地质条件，通过精细化组织管理，优化了三轴端头加固施工作业顺序，减少了地下水流动环境对施工质量的不良影响。提高了止水效果，提高了加固体质量，降低了洞门涌水涌砂风险，减少了二次加固费用，减少了工期延误，提高了工作效率。