自进式中空锚杆注浆技术在卵石地层顶管工程中的应用

2023-03-07宁建安

大科技 2023年8期

宁建安

（甘肃新方位工程咨询有限公司，甘肃兰州 730000）

1 工程概况

武威市永昌镇和五和乡基本没有任何排水收集处理设施，污水接入自家化粪池或直接散排到地面上，对环境和镇区的发展造成极为不利的影响，同时对整个园区的进一步发展形成巨大阻碍。随着武威装备制造与新能源工业园区近几年的快速发展，入驻的企业及工作人口越来越多，对生活配套设施的要求不断增加，产生的污水将对周围环境造成破坏。为完善武威金太阳高新技术集中区及武威新能源装备制造产业园及永昌镇、五和乡集镇基础设施，凉州区政府建设武威市凉州区永昌镇污水处理工程，以解决两个园区及永昌镇、五和乡集镇污水处理问题。

尾水排放至污水厂以东，距离约8.0km 的石羊河，从地形可知，沿线高程逐渐降低，污水厂位置自然高程为1530m 左右，石羊河附近自然高程为1470m 左右，管网可实现重力接入。尾水管道与G3017 金武高速装备园匝道正交布置，为保证匝道上车辆通行安全以及最大限度的减小对路基的影响，采用顶管施工工艺，顶管采用DN1500mm 的Ⅲ级钢承口钢筋混凝土管，顶进管道中心距现状地面约3.6m，顶管工作井采用钢板桩维护矩形井，尺寸为8m×6m×5m，工作井顶管后座墙采用6m×5m×0.8m 的C30 混凝土，顶管接收井采用钢板桩维护矩形井，尺寸为8m×6m×5m。顶管完成后，顶管内穿D800 钢管，钢管基础采用C30 混凝土，包封角120°。端头采用C30 混凝土封堵。下穿匝道部分采用顶管施工，顶管采用DN1500mmⅢ级钢承口钢筋混凝土管，壁厚150mm，顶管长度34m，其中工作井与接收井内各外露1m。顶管穿过卵石层，为第四系全新统冲洪积物，青灰色，一般粒径为4～8cm，最大粒径为20～30cm，粒径大于2cm 的颗粒的质量占总质量的70%，磨圆度较好，母岩类型以石英岩、花岗岩、砂岩为主，充填物以中细砂为主，含量为25%～30%，局部夹有薄层粉细砂及粉质黏土，偶含漂石，中密～密实。卵石层无黏聚力，顶进过程中塌方严重，阻力过大顶进困难且纠偏困难。为有效控制地表沉降，本文采用自进式中空锚杆超前深孔注浆加固顶管上半周地层，使松散的卵石层通过水泥-水玻璃浆液胶结成整体，在顶进施工中起到“套拱”的作用，减少超挖，使顶管工程顺利推进。

2 自进式中空锚杆简介

由厚壁无缝钢管制作而成的自进式中空锚杆，表面具有标准的螺纹，搭配穿透力强的钻头，在一般凿岩机械的作用下，可以轻易穿透各类岩石。中空的钻杆作为锚杆无须拔出，亦可作为注浆通道，集成孔、锚固、注浆等多种功能与一体。高效能的止浆塞使注浆能保持较强的注浆压力，充分地充填空隙，固定破碎岩体，高强度的垫板、螺母可以将深层围岩应力均匀地传递到周壁围岩上，达到围岩与锚杆互为支护的目的。自进式中空锚杆如图1 所示。

图1 自进式中空锚杆

3 自进式中空锚杆注浆方案设计

针对松散卵石层无黏聚力，自稳能力差，顶进过程中坍塌严重的问题，在顶管上半周采用φ51mm 自进式中空锚杆钻进成孔。短进尺钻孔注浆施工简便快速，由于顶管直径为1500mm，管内不具备施工条件，因此采用一次成孔。单液水泥浆凝结时间长，且凝结时间难以控制，水泥-水玻璃双浆液通过添加速凝剂或者缓凝剂等添加剂，按照不同比例的水泥浆和水玻璃相互混合，初凝时间可控制在十几秒到几十分钟不等，注浆固结体强度高，结实率也比单液水泥浆要高。

水泥水玻璃双浆液通过中空锚杆体注入卵石层后，水玻璃可与土层中碳酸钙发生化学反应生成硅胶，水泥与土颗粒及土层中其他填充物胶结，同时水玻璃可促使水泥早凝，避免沉淀、析水，保证浆液和易性、可注性，充分利用水玻璃溶液黏度低、可注性好、来源广泛、无污染、造价低的特点和超细水泥粒径小、可灌性好、强度高的特点，注浆液通过土层中孔隙，起劈裂和渗流充填作用，所经之处均与土层牢固胶结，提高围岩自稳能力[1]。故而采用水泥-水玻璃双液超前深孔注浆加固土层，再进行顶管施工。注浆孔布置如图2 所示。

图2 注浆孔布置

一般，利用一定的压力使浆液填充卵石层，并排挤孔隙中的自由水和气体，这种方法称为静压渗透法，该方法可以基本上不改变原状土的结构和体积（砂性土注浆的结构原理），所用注浆压力相对较小[2]。渗透注浆容许注浆压力按照1.0MPa 进行计算，浆液扩散半径根据马格球形扩散理论的简化公式[3-5]计算，如式（1）所示。

式中：R——浆液扩散半径，cm；k——地层渗透系数，cm/s；h——注浆压力水头，cm；r——注浆管半径，cm；t——注浆持续时间，s；β——浆液相对黏度；n——地层孔隙率。计算参数取值及结果如表1 所示。

表1 浆液扩散半径计算

浆液扩散半径50cm，孔间距宜为浆液扩散半径的0.8～1.7 倍，取40cm，环间距宜为孔间距的0.8～1.0 倍，取35cm，入射角度为斜向上1°。

注浆量按照式（2）[6]计算。

式中：Q——注浆量，m3；e——土体孔隙比；R——浆液扩散半径，m；h——注浆段的长度，m；α——有效注浆系数；β——损失系数，可取0.3～0.5。

注浆量计算参数取值及结果如表2 所示。

表2 注浆量计算

注浆加固应采用注浆压力与注浆量双控，注浆压力1.0MPa，单孔注浆量8.48m3，以填充卵石空隙为宜，待浆液固化后再进行顶管施工。

4 自进式中空锚杆注浆技术施工工艺

4.1 钻进成孔

施工时应在场地附近先进行钻孔注浆试验，掌握钻进参数，确定浆液配合比、注浆方法和工艺，检测浆液充填效果，修正注浆压力、注浆量等参数。试验钻孔深度应大于设计孔深，并全孔取芯详细记录地层分层情况以及地层特性。试验注浆时应对孔口进行封闭，由低压、较大注入量开始，至终压、较小注入量结束。测量和现场放线工作，标定注浆孔位，要求孔位偏差为±3cm，入射角度偏差不大于1°。钻机就位后，调整钻杆的垂直度，对准孔位后，钻机不得移位，也不得随意升降。根据试验孔获得的钻进参数，缓慢匀速钻进，同时监测地表沉降情况，出现较大沉降或者沉降数据突变时，应立即停钻，分析原因后再进行施工。每钻进一段，检查一段，及时纠偏。钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈各孔应间隔施工，避免注浆孔互相影响，而且后施工的注浆孔能起到补充加强先施工的注浆孔的作用。

4.2 浆液配比及制备

水泥-水玻璃双液浆一般按照体积比来进行配置，根据试验孔浆液凝结时间、注浆固结体的强度等资料，选定最佳配合比。

水泥-水玻璃双液注浆材料应根据浆液配比进行计量，水泥等固相材料采用质量称量法进行计量，水泥浆应搅拌均匀，应根据水泥-水玻璃双液注浆浆液配比对集中制备的水泥浆的水灰比进行调整，水玻璃宜在使用前加水稀释备用，浆液自制备至用完的时间不应超过其初凝时间[6]。

4.3 注浆

注浆次序由两侧对称向中间、自下而上逐孔进行注浆。注浆方式采取全段一次注浆，即一次钻至设计全深，一次完成注浆。注浆质量应采用注浆量和注浆压力双控。注浆过程中严格控制注浆压力，认真观察土体情况，由于浆液的进入，引起地层变化，封闭强度较低的位置，可能会出现冒浆，此时应进行封堵，降低注浆压力，必要时采取间歇注浆的方式，确保浆液有效的注入地层。注浆过程中压力逐渐上升，流量逐渐减少，当压力达到注浆终压，或者注浆压力未达到终压，注浆量达到设计注浆量的2 倍，可结束单孔注浆。

4.4 检测

利用注浆体内钻孔，以压力、注水等办法测定土层的渗透系数，或者钻取岩芯，观察浆液充填情况，达不到要求需补充注浆，检查孔的数目每环设2～3 个。

4.5 顶进施工

顶管施工段需两个井，分别为顶管工作井和顶管接收井，根据地质情况，顶管工作井和接收井均宜采用钢板桩支护，钢板桩采用25#钢板和20#工字钢加工制做，顶管工作井尺寸为8m×6m×5m，顶管接收井尺寸为8m×6m×5m。工作井和操作井开挖深度超过3m时，采用放台，土方转运、二次开挖的方法施工，采用槽钢和工字钢焊接成钢板桩支护，安全可靠。当工作井安全支护完成后，进行导轨安装。根据提前确定好的中线放入坑内两端，然后将标高转入坑内，根据两点进行导轨铺设安装，严格控制导轨的中心位置和高程。导轨安装完毕后，用C30 混凝土进行导轨固定及坑底铺设，以免在施工过程中，导轨移位变形。导轨安装完毕后，进行后靠背安装，6m×5m×0.8m 的后座墙采用C30 混凝土浇注完后，养护72h，然后采用枕木和5cm 厚钢板双层铺设，确保靠背的受力大于顶管的受力，严格控制后靠背、洞口墙的水平度和垂直度。顶管、千斤顶、后背作用点确保在同一轴线上，保证导向准确。工作井内设备安装完毕，检查确认各部件处于良好状态，即可进行试顶。首先校验设备的水平及垂直标高是否准确无误，合格后即可顶进工具头，然后安放2m 长的Ⅲ级钢筋混凝土管，再次测量标高，确定无误后进行试顶，待调整各项参数后即可正常顶进施工。在施工过程中，做到勤挖勤顶勤测，加强监控。安装顶铁，启动液压千斤顶，将管子推进一定距离，停止油泵，添加顶铁，重复以上步骤，直至需要安装下一节管子为止。