水平深孔注浆技术在盾构端头加固中的应用

王书峰

青岛市政管理处 山东 青岛 266000

引言：盾构在始发和接收过程中,均需要破除隧道范围内的支护结构,施工时间较长,破除面积大,往往会造成洞门坍塌,地面沉陷以及上方管线断裂等,风险较大。因此,需要对始发和接收洞门进行加固,以控制洞门周围土体的变形。

常见的端头加固有旋喷注浆法和冷冻法。冷冻法在南方淤泥地质条件下应用较多,工程造价较高。旋喷注浆应用较多,费用相对较低,但是其需要的设备多,占地较大,受地表建筑物和地下管线的影响较大。水平注浆加固可以在洞内施工,不需拆改地下管线,且费用较低,适用性强。下面就水平注浆加固施工技术做简单介绍。

1 岩土工程条件简述

1.1 地层地质条件 根据该场地岩土工程勘察报告,本工程端头土体加固范围在层底标高12.137m～0.137m 范围内共涉及到第四纪新近沉积层(Q42＋3al＋pl)、第四纪全新世冲洪积层(Q41al＋pl)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q3al＋pl)。

1.2 水文地质条件 根据地质勘察报告,对工程建设有直接影响的主要是上层滞水、潜水和承压水,其中：

上层滞水(一)：含水层岩性为粉土③层、粉细砂③3层以及局部填土层,本次勘察仅在C15＃钻孔中揭露。水位标高为16.76m,水位埋深9.0m。该层水分布不连续,透水性较差,主要接受大气降水及侧向径流补给,等垂直补给,以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。

潜水(二)：含水层岩性为粉土④2层及粉细砂④3,水位标高为11.36～13.85m,水位埋深为11.2～14.4m,。该层透水性好,主要接受侧向径流及越流补给,以侧向径流的方式排泄。

承压水或层间潜水(三)：含水层岩性为粉土⑤层,水位标高为11.30～14.13m,水位埋深为11.36～13.85m,观测时间为：。由于其顶板隔水层粉土④层的不连续性,此层水与上部潜水贯通。主要接受侧向径流及越流补给,以侧向径流和人工开采的方式排泄。

承压水(四)：含水层岩性为细中砂⑦层,水头标高为0.52～2.76m,水头埋深为23.0～25.4m。

2 施工方案选择

盾构端头加固方案的选择,应满足安全可靠的前提下,充分考虑施工场地。施工速度和施工成本,综合比较得出的。加固方案安全可靠的依据是洞门破除后能有效抵挡洞门口处的水土压力、能有效的封堵洞门维护结构侧的渗水和易破除的加固体。

深层水泥搅拌桩法是利用水泥作为固化剂的桩体,通过配有专用钻头的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌合,使一定范围的软土硬结而提高整体基的符合强度。受机械能力的限制,其施工质量随着加固深度的增加,其成桩质量部号控制,往往不能保证。

冷冻法加固地层是利用人工制冷的方法,将低温冷媒送入地层,把加固范围周围的地层冻结成封闭的连续冻土墙,以降低土压力,并隔绝地下水与开挖体之间联系,此种方法一般使用与淤泥质粉质粘土,夹粉土及粉砂地层,地下水位高,且在基坑内出现大量涌水、涌砂现象,施工条件异常复杂。

水平深孔注浆加固法主要是使用水平地质钻头成孔,采用前进式二重管注浆或一次式单管边回抽边注浆的施工方法,从而达到加固地层,提高土体自稳性控制水土流失的方法。施工条件限制小,使用机械简单轻便,注浆材料价格较为经济,并且对任何土层均可以加固。

3 水平深孔注浆二重管无收缩定向喷注WSS工法的优点

(1)采用特殊的端点监控器和二重管喷射方式,使注入系统设备简单,具有很高的可靠性、经济性。

(2)可以进行一次、二次喷射切换,回路变换装置容易实行,所以能实行复合喷射。

(3)瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射的复合比率,在土层改良时可以自由地设定,从粘土、砂质土到地下水非常多的砂砾层,以及更加复杂的复合地层都可以适用。

(4)二次喷射材料是低粘性且凝胶时间长的浸透性浆材,可以用压力喷射到均匀的土质颗粒之间,由于这样的操作方法。减少了对周围建筑物的影响。

(5)由于一次喷射是限制喷射,二次喷入是的渗透喷射,浆才不会向喷入范围外溢出,从而有利保护地下环境而不被污染。

(6)土体加固原理：

a、注浆中,注浆达到一定压力后,在注浆孔周围会产生一定大小的泡体,随着压力的为断增加,在浆液泡体上方的土体会产生一个倒立锥形剪切面;另一方面,当浆液泡体的直径d增大时,周围的土体将提供越来越大的阻力。设浆液泡体的向上总压力为Fy,浆液泡体的水平总压力为Fx,园柱形浆液泡体的平面投影面积为Ay,园柱形浆液泡体的侧面面积为Ax。

则有：

Ay＝∏×d2/4Fy＝σ×AyΔσ∏

Ax＝2∏×d2×1Fx＝σ×Ax

因为σ值是唯一,所以Fy的增加与浆液直径r的平方成正比,而Fx的增加与浆液直径的一次方成正比。因此浆液向上总压力的增加幅度远大于总水平力的增加幅度。在一定压力下,浆液泡体直径达到了一个极限值Rmax与RL相应的注浆压力设为pn。该值时,水平和向上在压力足以使得浆液充填土体间的缝隙,从而改良土体的物理指标。

b、注浆时在不改变地层组成的情况下,将土层颗粒间存在的水强迫挤出,使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结,达到改良土层性壮的目的,其注浆特性是使该土层内聚力C,内摩擦角ψ值增大,从而使地层粘接强度及密度增加,起到加固作用,颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后,使土层透水性降低,而形成相对隔水层。

4 施工工序流程

(1)布孔：由测量人员按要求放出加固区域的孔位线,加强环梁最外圈孔间距为0.2m,等距离布置;截面积圆环内孔间距0.4m,梅花型布置,当因脚手架限制或初支拱架限制可适量增加孔距,但最大孔距不允许超过0.6m,编号后由专人做孔位记录(图布孔示意图)。

(2)成孔：孔径42mm,纵深度7.5m,其中复孔按水平纵向深度7.5m、5m 和3m 钻深钻进,其倾斜角度和钻杆长度以实际离盾构轮廓外三米的对边距离及纵深长度的邻边距离用正切三角函数计算后定位钻杆角度和要求钻杆长度。

(3)配浆：浆液必须严格按配比调配,搅拌必须有足够的时间以保证浆液的A 液和C液浓度均匀。

(4)注浆：喷入管设置完毕后,将端点进行关闭而进行横喷射切换。一般喷射量为15―20L/min,将喷入材料施加压力,可以实现纵向渗透效果。在压力达到1.2Mpa或该深度的注浆量≥0.5M3时,在提出双重管长度20～40cm 后在开始新一轮注浆,当注浆端头提升至封堵端墙壁1.5m后并在该深度注浆完成后,则该注浆孔位结束注浆。

(5)当所有阶梯喷射注浆完毕后,对喷浆后地面实行封密,恢复原状。为保证工期进度要求,尽快进入实质性注浆加固进行,钻孔注浆顺序拟从端头的上端向端头下端推进,以减少钻孔操作时的水流对已加固土体的影响。

(6)深孔注浆完成后,在隧道正式开挖前,需进行钻芯取样测定抗压强度,加固后的土体强度需达到1.5MPa以上;如未达要求,需补充注浆。

总结

水平深孔注浆工法解决了盾构机在城市主干道下方接收的难题,工艺简单、操作方便、材料便宜,工法可节省交通导改、管线改移占地等施工时间和费用,节省投资,具有明显的社会效益和经济效益。