富水砂层中深埋盾构接收端头加固技术

2020-03-01刘其成蒋尚志彭文韬

建筑施工 2020年9期

关键词：承压水端头接收端

刘其成周浩蒋尚志彭文韬

中建三局基础设施建设投资有限公司湖北武汉 430073

1 工程概况

武汉大东湖核心区污水传输系统工程包括17.5 km主线和1.7 km支线，主线隧道沿线分布有10座施工竖井，主线隧道采用盾构法施工。

本文详细介绍紧邻正在开挖顺作法深基坑的盾构接收端头加固施工，分析施工中的重难点，在传统加固方法的基础上[1]，进一步提出了一种新的紧邻基坑深埋盾构富水砂层接收端头加固技术。

2 水文地质条件

2.1 水文情况

场地位于长江Ⅰ级阶地，地下水主要为上层滞水、孔隙承压水、碎屑岩裂隙水。抽水试验结果显示孔隙承压水水量丰富，与长江有密切的水力联系，其水位变化幅度受长江水位涨落影响。据武汉地区承压水长期观测结果可知，该地区承压水头标高一般为15.0～19.5 m，年变幅3～4 m。端头隧道所在粉细砂层渗透系数为2×10-2cm/s，渗透性极强。

2.2 地质情况

区间隧道在接收端，即正开挖竖井小里程端头范围内穿越区为上软下硬地层，上部为粉细砂，下部为中风化含钙泥质粉细砂岩（图1）。

粉细砂呈灰色、饱和、密实状态，砂质较纯，颗粒级配均匀，分选性好，压缩性低；中风化含钙泥质粉砂岩呈黄灰-褐灰色，岩芯呈短柱状，泥砂质结构，块状构造，解理、裂隙较发育，属于软-较软岩，岩体较完整-较破碎，基本质量等级为Ⅳ级。

3 施工重难点

1）盾构接收端头位于长江Ⅰ级阶地，所在地层中砂层最厚达28 m，渗透性极强，承压水头标高最高达19.5 m，地下水极为丰富，且隧道洞身位于砂岩接合面，端头降水难度大，盾构接收安全风险大，对端头加固的形式、效果及施工质量要求较高[2]。

图1 正在开挖基坑小里程端地质断面

2）盾构接收竖井已开挖，因工程工期紧张，端头加固施工期间竖井开挖同步进行，为避免在端头加固施工时对已开挖竖井基坑产生较大影响，需优化设计方案，科学组织施工，减少对竖井的影响。

3）正在开挖竖井冠梁存在1.2 m悬挑段，无法进行有效的端头加固，容易形成地下水径流通道，需优化工艺。

4 加固设计及原理

正在开挖竖井盾构接收端采用MJS（全方位高压喷射）工法桩+U形素地下连续墙+内外降水井组合加固的施工方法，加固理念为以双层堵水为主、以内外降水为辅，加固区深度40 m（超出隧道底板3 m）、长度13 m、宽度为隧道左右各3 m，MJS工法桩设计为φ1 200 mm@ 1 000 mm，直径小咬合处加固效果更好；U形素地下连续墙厚800 mm，同时在素地下连续墙分幅处和其与竖井冠梁交接处也采用MJS进行加固，以提升加固体整体止水效果。

双层堵水为主：U形素地下连续墙深入地层基岩，将外部地层中的大部分承压水与MJS工法桩加固体隔绝，对素地下连续墙与竖井冠梁接缝处补打MJS工法桩进行加固，即使少量承压水由素地下连续墙接缝薄弱处进入U形墙体内部，其水头标高也将大大降低，MJS工法桩自身能将其抵挡在外。内外降水为辅：素地下连续墙接缝处外部设有降水井，在承压水由接缝处进入U形墙体内部时，外部降水井通过抽排水，降低接缝处局部水头标高，减少进入U形墙体内部的地下水水量；另外，U形墙体与MJS加固体间设置内部降水井，疏干进入U形墙体内部的地下水。

竖井接收端隧道洞身范围大部分位于岩层，导致一般的加固方法很难将地下承压水位降至基岩面，而本工法的双层堵水及加设内外降水井的加固方式，能够使加固区内部地下承压水相对于MJS加固体水头高度几乎为零，这是传统加固方法降水井根本无法达到的效果（图2、图3）。

5 加固效果分析

5.1 工序

图2 端头加固平面示意

图3 加固体止水效果示意

传统端头加固形式（高压旋喷桩+素地下连续墙+降水井）的工序顺序不可颠倒，只能先施工高压旋喷桩，后施工U形素地下连续墙。若顺序颠倒，旋喷桩施工将会影响素地下连续墙的堵水效果，从而影响整体加固质量。

本工程新的加固形式（MJS工法桩+U形素地下连续墙+降水井）：在保障基坑能同步开挖情况下，可先施工MJS工法桩，稳固端头地层，后施工U形素地下连续墙；在保障最理想的加固效果情况下，可先施工U形素地下连续墙，形成封闭空间后施工MJS工法桩。

5.2 加固效果

传统端头加固形式（高压旋喷桩+素地下连续墙+降水井）单纯以堵为主、以降为辅，在本工程地质条件下降水效果无法保障。同时桩径小，深层加固质量无法保障。

本工程新的加固形式（MJS工法桩+U形素地下连续墙+降水井）以双层堵水为主、内外降水为辅，相辅相成，降水效果好。同时桩径大，加固质量受深度影响较小。

5.3 安全

传统端头加固形式（高压旋喷桩+素地下连续墙+降水井）的基坑开挖和盾构接收安全性无法保障。加固区外围需布置较多的降水井，抽排地下水水量极大，地层失水严重，易造成地面和基坑坍塌，同时影响盾构安全接收。

本工程新的加固形式（MJS工法桩+U形素地下连续墙+降水井）的基坑开挖和盾构接收安全性高。MJS施工时可通过强制排泥卸压，减小对基坑的侧压力；MJS和U形素地下连续墙的堵水配合内外降水井的作用，使地下水对盾构接收的影响微乎其微。

5.4 经济

传统端头加固形式（高压旋喷桩+素地下连续墙+降水井）的降水井数量多，维护费用高，且因地下水损失严重，加固薄弱点较多，后期补强费用不可控。

本工程新的加固形式（MJS工法桩+U形素地下连续墙+降水井）中的MJS工法桩施工成本较高，但后期降水井维护、地面沉降加固处理费用低且可控。

5.5 环保

传统端头加固形式（高压旋喷桩+素地下连续墙+降水井）的泥浆污染比较严重。高压旋喷桩施工时，在喷浆的过程中，孔内泥浆漫流四周，对周围环境污染严重。

本工程新的加固形式（MJS工法桩+U形素地下连续墙+降水井）的泥浆污染少。MJS工法采用专用排泥管进行排浆，有利于泥浆集中管理，同时通过对地内压力的调控，可实现对周围建（构）筑物的零扰动。

6 施工操作要点

6.1 MJS工法桩施工

MJS施工前需在满足设计要求的情况下结合加固区域的情况进行桩位设计，尤其针对加固区薄弱点，应加强加固，保证整个加固区的加固质量。施工注意事项如下：

1）MJS设备安装平稳对正，开孔前须严格检查桩位和开孔角度，施工时应控制好桩的标高。

2）保持引孔泥浆性能，使孔壁完整、不坍孔，确保高喷管顺利下至孔底。

3）下至距孔底0.5 m时，应先启动浆泵送浆，同时旋转下放，下放至孔底（开喷深度）后，再启动高压泵和空压机，各项参数达到要求后方可提升，提升速度根据水泥掺量和桩径确定，实桩提升速度控制在20～40 min/m。

4）喷浆前要检查高压设备和管路系统，其压力和流量必须满足设计要求。注浆管及喷嘴内不得有任何杂物。注浆管接头的密封圈必须良好，注浆压力为40 MPa，削孔水压力控制在10～30 MPa之间。

5）喷射时，要做好压力、流量和冒浆量的量测工作，同时进行紧邻开挖基坑的监测工作。了解喷射注浆的大致效果和喷射参数，及时关注加固区域土层的变化。

6）基于地勘情况结合施工过程压力变化，喷头由岩层进入砂层交界面时，喷浆压力保持不变，提升速度降低10%～40%，确保交界面处浆液饱满，保证加固质量。

6.2 素地下连续墙施工

U形素地下连续墙作为本端头加固技术的外层防水墙，其成墙质量直接影响整个加固区的整体效果，在接缝和竖井冠梁交接处外侧补打MJS工法实桩，进一步补强加固质量。主要控制事项如下：

1）成槽偏斜控制。挖槽机作业前需调平机架，调直钻机或抓斗的柔性悬吊装置，防止钻机或抓斗本身倾斜；在挖槽过程中，挖槽机司机要精心操作，及时纠偏。

2）槽壁坍塌控制。在如此厚的砂质地层中成槽时槽壁极易坍塌，施工时应适当加大泥浆密度，控制槽段内液面高于地下水位0.5 m以上；必要时缩短单元槽段的长度。

3）接缝质量控制。素地下连续墙接缝处质量控制主要从2个方面进行：一方面是在其施工过程中进行控制，施工时分幅不宜过大，控制泥浆含砂量不超标，加强槽段刷壁处理，并控制好浇筑前锁口管垂直度；另一方面是在其完成后进行接缝处加固处理，加固方式为接缝处补打MJS工法桩，素地下连续墙接缝部分处理是保障本工法加固体系质量的一项重要措施。