清华园隧道泥水盾构停机点位置选择及地层加固方案探讨

高始军

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,江苏南京 211800)

由于盾构施工技术及施工工程地质的复杂性和多样性，一方面，刀具在施工过程中的磨损是无法规避的问题，所以泥水盾构在施工过程中需要经常停机带压进舱换刀，如何保证停机带压换刀的安全性是研究的主要目的之一；另一方面，地层的多样性导致地层加固成为换刀施工成功与否的决定因素，因此选择合理的加固区域至关重要。为了保证停机部位掌子面土体稳定，为作业人员提供安全的作业环境及保证换刀工作的安全、有序、快速进行，需要根据沿线建构筑物分布，选择最合理的换刀加固区域，并根据工程地质情况，采取最合适的加固工艺。

目前，在国内大直径泥水盾构施工方面有较为丰富的成功实例，但带压进舱作业仍然是泥水盾构技术中不可避免的施工风险之一，所以如何保障安全、高效、合理的进舱作业是盾构施工中的重点。

本文依托新建京张铁路清华园隧道，对于该工程泥水盾构停机点位置选择原则及地层加固方案进行探讨，对进舱作业技术进行总结分析，为类似工程问题提供可供参考依据，提高施工效率，进而推广泥水盾构技术的使用。

1 工程特点

1.1 工程环境特点

工程范围内均为第四系地层，围岩自稳能力普遍较差，须考虑上覆土层的稳定性，如掘进速度控制不当，会产生较大的地面沉降。洞顶附近可能存在粉、细砂层，若上述土层存在上层滞水，易产生坍塌及突然涌水、涌沙等问题。

1.2 工程水文特点

根据第四系地层中松散岩类孔隙水埋藏条件进行划分，该平原地区地下水主要由上层滞水、潜水和承压水等组成。其中由于上层滞水存在分布不均、水位高低变化幅度较大等问题，水位标高通常约44.91～49.62 m(埋深0～4.6 m)，主要地下水由大气降水补给，此外管沟渗漏也会对地下水进行补充。承压水主要分布在中、下部，被若干隔水层分隔，形成多层承压水，水头标高为22.5～26.0 m(水头埋深为23.6～27.1 m)。由于存在区域性地下水位降低，在部分地区局部承压水已经失去承压性。

1.3 工程自身特点

清华园隧道是京张高铁的控制性工程，其主要施工内容为6.02 km隧道和4.467 km路基，该工程包括盾构隧道(4 448.5 m)、明挖隧道(1 516.5 m)、暗挖隧道(55 m)；京张高铁清华园隧道为单洞双线隧道，管片采用单侧预制管片衬砌，管片内径11.1 m，管片厚度0.55 m,分开模型采用“6+2+1”。

2 盾构区间停机换刀选取原则

(1)根据施工调查报告中的内容，掌握地面构建筑物与隧道的位置关系，地下管线的位置和与隧道的关系。

(2)获悉隧道的行走路线，合理选取换刀地点。

(3)通过地质详勘报告和地质补勘报告，对整个区间的地质情况进行分段，选择换刀区域。

(4)依据刀盘选型，刀具配置形式，预估刀盘刀具在不同地层的磨损值，选择合理的换刀位置。

(5)根据区间地质情况分段，并设置一换刀点。

(6)根据掘进情况设一换刀点。

根据上述选择原则，计划换刀点位如表1所示。

3 换刀点地层加固方法

3.1 加固原理

高压喷射注浆法是一种近年发展起来的注浆方法，该方法在城市基坑、地铁等工程中得到了广泛的应用。该方法的原理是采用水泥浆等加固材料与土体混合形成固结体，以达到加固土体、止水防渗的目的。在工程实践中，常采用带有喷嘴的注浆管作为钻杆并进行钻孔，待钻进至设计位置后，采用20～30 MPa的水泥浆或水或空气利用高压设备进行喷射、冲切，扰动，破坏土体，与此同时钻杆以一定速度逐渐提升，并强制搅拌、混合浆液和土壤颗粒，待浆液和土体凝固后，形成圆柱形固结体。

表1 2#～1#、3#～2#盾构区间换刀点加固位置

3.2 工艺流程

本工程采用二重管高压旋喷法来进行换刀点地层加固，具体工艺流程如图1所示。

图1 二重管高压旋喷法实施工序

3.3 施工方法

3.3.1 场地平整

首先，将场地平整以消除地面和地下的所有障碍物。在地表凹陷区域采用黏性土料进行回填并进行夯实，并且应做好场区的排浆沟开挖及修整工作。

3.3.2 测量定位

在旋喷桩施工之前，应由测量人员进行孔位、孔口高程及桩轴线的测量放样，将各轴的基准点投影到安全可靠且易于操作的位置。通过观察位置，并用水泥钉标记原始的混凝土路面孔位。从孔位移开，并清除周围的杂物，用喷漆进行标记，然后根据轴线对孔进行统一编号。

3.3.3 机具就位

将钻机移至指定的桩位，并由专人指挥用水平尺和定位锤校准打桩机，以使桩机保持水平，导向架和钻杆与地面垂直，且倾斜率小于1.5 %。调整不符合垂直度要求的钻杆，直到钻杆的垂直度满足要求。如果钻杆垂直度满足要求，则进行低压射水试验，首先调整钻机将钻头对准孔位的中心，并调整钻杆的垂直偏差不超过1 %。满足上述要求后，首先进行低压射水试验(试验压力一般不超过0.5 MPa)，检查设备是否正常。

3.3.4 钻孔

测量并放样孔位后，使用地质钻头钻孔。

3.3.5 旋喷台车就位

把台车移动就位到钻孔的附近位置，为了使喷杆自然垂直通过转盘中央与钻孔孔口，需要调整旋转台盘的转盘和天车。

3.3.6 试喷

在通过钻孔检查后，在准备好将喷头和喷杆下降到钻孔内之前，应进行试喷以检查高压泵是否运转良好，浆液管道密封是否良好，以及喷杆、喷嘴是否泄漏。

3.3.7 下入喷具

调试好地面后，为了防止喷具在下入孔内过程中泥砂进入喷嘴，应设法保护喷嘴(先使用透明胶包扎浆气水嘴，然后使用现场废弃的水泥袋包裹喷头)。

3.3.8 搅拌水泥浆液

采用水泥进行注浆，水泥浆的水灰比为1∶1。根据JGJ 63-89《混凝土搅拌水标准》的要求选择用于搅拌水泥浆的水。在制浆过程中采用高速搅拌机，首先将水和水泥根据规定的水灰比放入搅拌桶中并充分搅拌，在搅拌完成后使用比重计测量水泥浆液的比重。配置后时间超过4 h浆液是禁止使用的。

3.3.9 高压旋喷灌浆

(1)在旋喷灌浆开始时，启动机械设备应遵循浆、气的先后顺序，注浆泵首先将水泥浆输送到钻孔中，然后使用空气压缩机输送气体。在停止旋喷灌浆时，根据以下先后顺序：气、电、浆进行关闭。

(2)为了使喷具迅速达到正常施工时所需的压力状态，在其到达孔底后，请尽快调整好压力大小。在开始时，将喷杆保持在孔底并持续旋转，当水泥浆液从孔口中冒出时，再根据施工技术参数来开始提升喷具。

(3)现场施工员统一指挥操作人员和供浆系统，各方人员密切配合，并进行现场原始记录。

(4)灌浆机操作人员需要做到熟练掌握相关技术参数，在现场施工员和技术员的指导下，根据孔深和孔内的变化，及时调整有关技术参数，并定时测量进浆和回浆比重。

(5)随时做好压力和流量的观测工作，对高压灌浆的各项参数和出现的异常现象按照要求如实记录。

3.3.10 终止旋喷灌浆

当喷头位置提升达到设计高程时，说明注浆已完成，可以停止灌浆作业。

3.3.11 封孔

在确认旋喷桩的桩顶高程达到设计标高后，将水泥浆回填到旋喷桩以上的空洞中。

3.4 控制要点

(1)在开始正式注浆前应充分做好工艺性试桩试验，确定合理的施工参数和浆液配比。

(2)在施工之前，需对设备情况进行进一步检查，如喷嘴是否通畅，设备密封圈是在设定位置，通过后方可将浆液喷射。

(3)在制备浆料的时候，应该严格按照设计原则控制水灰比，不能够随意更换。不得使用受潮或过期的水泥。在搅拌浆液完成以后，将其送到吸料桶时，应使用筛网将其过滤。过滤筛孔最好小于喷嘴孔直径的1/2。

(4)喷射时，在达到预定的喷射压力、喷射量后，然后再逐步提升注浆管。为了防止桩体中断，若中间发生故障，应该停止提升和旋喷，同时马上检查排除故障。如果旋喷由于机械故障而中断，则应重新钻孔至桩底的设计位置并重新旋喷。

(5)在旋喷过程中，正常现象为冒浆量小于注浆量的20 %。如冒浆量过大或过小(不冒浆)，则应当暂停注浆并查明原因，采用针对性的措施，如调整旋喷参数等。

(6)在旋喷过程中，需要作好施工记录。

(7)在高压喷射灌浆完成后，应当立即将喷管拔出。

(8)施工期间要进行泥浆处理，并及时把泥浆运出。

3.5 质量保证措施

(1)在放置注浆管之前，在地表上进行射水实验。等到射喷压力正常后，才可进行注浆管施工。

(2)为了防止相邻高喷孔施工时出现串浆，在高喷施工时应隔两孔施工，同时应注意施工时间间隔的相关要求(一般应不少于48 h)。

(3)在进场之前每批注浆水泥必须有合格证明，并应按照每批次在现场抽样外检，检查合格后才能够投入使用。施工过程中所有计量工具应该进行鉴定，为了防止水泥受潮结块，在水泥进场后，应当垫高水泥存放台，覆盖防雨彩布。

(4)以现场试桩情况为准则，选择浆液水灰比、浆液比重、每1 m桩体水泥用量等参数。为了确保浆液配比的正确性，运灰小车及搅拌桶都应该作明显标记。灰浆搅拌应当均匀并进行过滤。为了防止水泥沉淀，喷浆过程中浆液应当连续搅动。

(5)为了保证成桩直径不小于设计桩径，由设计、业主、监理、施工单位共同确定旋喷桩施工参数，并在施工前进行成桩试验。

(6)为了保证桩的施工质量，依照地质条件的变化情况，应及时调整施工工艺参数。在调整参数之前，应及时向业主，主管和设计部门报告，并在批准后进行调整。

(7)为了保证机械设备发生故障时候能够及时进行抢修，应当在施工现场配备常用机械设备配件。

(8)调制水泥浆时要戴好防尘口罩。

4 结束语

在城市大直径泥水平衡盾构的施工中，为了保证工程施工质量和安全，选择停机换刀点是关键。本文通过京张铁路清华园隧道盾构区间换刀点地层加固的一些工程实例，介绍了一般的停机换刀点位置选择原则、加固方案及质量保证措施等内容，通过高压喷射注浆法方式来解决，既保证了盾构换刀区加固施工工作的顺利进行，又节省了施工工期和成本。