特殊地層下盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)實(shí)例研究

曾 暉，楊 平，胡 俊

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020;2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

特殊地層下盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)實(shí)例研究

曾 暉1，2，楊 平2，胡 俊2

(1.五邑大學(xué) 土木建筑學(xué)院，廣東 江門 529020;2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

歸納了盾構(gòu)隧道端頭常用的土體加固方式，并結(jié)合南京地鐵岔路口站北端頭盾構(gòu)始發(fā)工程，提出了在特殊地層下端頭的加固方式以及相應(yīng)的施工工藝和質(zhì)量保證措施。實(shí)踐表明，對(duì)特殊地層采用素鉆孔灌注樁擋土+樁間旋噴止水的加固方式效果良好。

盾構(gòu)始發(fā) 南京地鐵 特殊地層 加固方式

自從1990年上海軌道交通1號(hào)線采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工以來(lái)，盾構(gòu)法在我國(guó)城市地下軌道交通領(lǐng)域使用已近20年。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)隧道施工中的事故多發(fā)階段，存在著較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，合理選擇隧道端頭土體的加固方式是保證盾構(gòu)始發(fā)施工非常重要的環(huán)節(jié)[1]。地質(zhì)條件的不同，決定了土體加固形式的不同，而且周圍環(huán)境要求又會(huì)制約加固方法的選擇。根據(jù)在各類地層條件下的施工經(jīng)驗(yàn)及《巖土工程勘察規(guī)范》中對(duì)巖土的分類，可將全國(guó)絕大部分盾構(gòu)始發(fā)端頭地層分為以下幾類:軟土層、砂性土層(特別是含水砂層)、巖石層、特殊地層。

特殊地層包括硬塑黏土層、高密實(shí)度砂土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖等地層，該類地層兼具巖層和土層的某些特性，在施工中處理方法也較為特殊。對(duì)于特殊地層，常規(guī)的攪拌樁、旋噴樁等加固方式無(wú)法達(dá)到理想的加固效果，但由于其強(qiáng)度指標(biāo)不能滿足盾構(gòu)始發(fā)要求，又需要采取措施達(dá)到擋土、止水的作用，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)需要采取較為特殊的加固方式。

1 盾構(gòu)隧道端頭常用的土體加固方式

盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有深層攪拌法、高壓噴射注漿法、SMW 工法、人工凍結(jié)法、注漿法、素混凝土灌注樁法和降水法等，土體加固可以采用一種工法或多種工法相結(jié)合的加固手段。加固方式可以分為以下兩大類:

1)化學(xué)加固方式(深層攪拌法、高壓噴射注漿法、注漿法、素混凝土灌注樁法等);

2)物理加固方式(凍結(jié)法、降水法等)。

對(duì)于軟土地區(qū)，常用的加固方式有水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，素SMW工法樁(三軸攪拌樁)+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等(圖1)。當(dāng)受地面環(huán)境限制時(shí)，可采用凍結(jié)法進(jìn)行加固[2-3]。

圖1 軟土地層常規(guī)加固方式(單位:mm)

在砂層中進(jìn)行加固，主要采用素SMW工法樁(三軸攪拌樁)+高壓旋噴樁 +深井降水，高壓旋噴樁+深井降水等加固方式(圖2)。當(dāng)不能通過降水井進(jìn)行抽水，且在開探孔時(shí)發(fā)現(xiàn)漏水、漏砂現(xiàn)象時(shí)，可采用地層加固+凍結(jié)的加固方式[4]。

圖2 砂性土層中常規(guī)加固方式(單位:mm)

在遇到全斷面巖石地層時(shí)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攪拌樁或旋噴樁的加固強(qiáng)度，無(wú)需進(jìn)行加固。但巖石地層多有裂隙發(fā)育，為了封堵裂隙水，可采用分層注漿的加固方式。對(duì)于特殊地層，在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)需要采取較為特殊的加固方式。

2 工程概況

岔路口站為南京地鐵一號(hào)線南延線TA05標(biāo)段內(nèi)車站，TA05標(biāo)段范圍為南京南站～岔路口站，區(qū)間始于位于規(guī)劃玉蘭路下的地鐵南京南站南端，線路沿規(guī)劃玉蘭路以400 m半徑曲線東拐后前行，再以350 m半徑曲線南拐進(jìn)入寧溧路地下至岔路口站北端。根據(jù)地層及周邊環(huán)境情況，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，區(qū)間采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。為保證盾構(gòu)始發(fā)安全掘進(jìn)，需對(duì)岔路口站北端土體進(jìn)行加固。

岔路口站北端地層分布從上至下為:①-1雜填土、①-2b2-3素填土、①-3b4淤泥質(zhì)填土、①-1b2-3粉質(zhì)黏土、②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-3b2-3粉質(zhì)黏土、③-3-1b1-2粉質(zhì)黏土、③-4e粉質(zhì)黏土夾礫石、J3x-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、J3x-2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。加固施工區(qū)存在③-3-1b1-2粉質(zhì)黏土層這一硬塑粉質(zhì)黏土層，無(wú)論采用攪拌樁還是旋噴樁，加固效果都不理想[5-6]。

本區(qū)間場(chǎng)地地下水主要為孔隙潛水，賦存于①層和②層土中，而③層土為相對(duì)隔水層。地下水位取地面下1.0 m。場(chǎng)地土層以黏性土為主，透水性較差。風(fēng)化基巖雖發(fā)現(xiàn)部分裂隙，但裂隙多呈閉合狀或?yàn)槟噘|(zhì)充填，其透水性差。

3 盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固施工

3.1 實(shí)際采用的加固方式

根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)端頭加固專家評(píng)審會(huì)的意見，為保證盾構(gòu)機(jī)安全始發(fā)，綜合工程技術(shù)要求、施工場(chǎng)地、周邊環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等因素，決定采用以下加固方式:在始發(fā)段最內(nèi)側(cè)施工一排素混凝土樁。素混凝土樁形式為φ 1 000@1 200 mm，采用 C15混凝土，樁長(zhǎng)范圍為洞門下3 m至地面。素混凝土樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隙采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固。高壓旋噴樁樁徑為800 mm，與素混凝土樁搭接200 mm，水泥摻入量為400 kg/m3，高壓旋噴樁起止水作用，加固深度至洞門下3 m。先施工素混凝土樁，按照“跳一打一”的辦法施工，再施工高壓旋噴樁。加固方案平面布置如圖3所示。

圖3 加固方案平面布置(單位:mm)

3.2 素混凝土樁施工工藝及質(zhì)量保證措施

本工程素混凝土樁采用鉆孔灌注樁形式，施工機(jī)械采用SR型旋挖鉆機(jī)成孔。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件，采用干成孔作業(yè)法施工。整個(gè)工藝分成孔與成樁兩大部分:成孔部分包括回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔;成樁部分包括導(dǎo)管安放，灌注混凝土。采用商品混凝土，分段跳打施工。

3.2.1 施工工藝流程

定軸線、樁位→鉆機(jī)就位→成孔→安放導(dǎo)漿管→灌注混凝土→成樁→鉆機(jī)移位→回填樁孔。

3.2.2 確保成樁質(zhì)量

1)鉆頭外徑不小于設(shè)計(jì)樁徑，并應(yīng)經(jīng)常檢查鉆頭直徑，防止出現(xiàn)縮徑。

2)預(yù)防孔斜措施:①鉆機(jī)定位要準(zhǔn)確、水平、穩(wěn)固，定位后要墊實(shí)，以保證鉆機(jī)平衡運(yùn)行;成孔過程中，鉆機(jī)塔架頭部滑輪組邊緣、轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心應(yīng)始終保持在同一鉛垂線上，如發(fā)現(xiàn)異常，立即調(diào)整，確保樁孔傾斜率小于1/200。②初始鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)爭(zhēng)取低參數(shù)鉆進(jìn)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的軟、硬土層變化，合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)。③操作人員、機(jī)長(zhǎng)、施工員應(yīng)加強(qiáng)鉆進(jìn)過程中的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)有異常現(xiàn)象及時(shí)處理糾正。④根據(jù)情況抽查成孔后的孔徑及垂直度。

3)在鉆進(jìn)過程中應(yīng)適當(dāng)串動(dòng)鉆具，上下掃動(dòng)，以便將孔內(nèi)黏泥塊掃走裝入鉆斗內(nèi)并使孔拉直。

4)在傾斜的堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)吊住鉆桿，控制進(jìn)尺，低速鉆進(jìn)，防止孔身偏斜。

5)預(yù)防縮徑措施:①根據(jù)孔徑的測(cè)試結(jié)果，及時(shí)調(diào)整鉆頭的規(guī)格和鉆進(jìn)方法;②操作人員應(yīng)注意鉆具提升過程，如發(fā)現(xiàn)有受阻現(xiàn)象，必須重新復(fù)鉆。

3.2.3 確保混凝土施工質(zhì)量

1)工程開工前，技術(shù)負(fù)責(zé)人必須按審定的“施工組織設(shè)計(jì)”對(duì)有關(guān)人員做好混凝土施工的技術(shù)交底工作。

2)把好質(zhì)量關(guān)，不符合要求的材料不得使用。原材料應(yīng)提供質(zhì)保書，并按規(guī)定進(jìn)行原材料試驗(yàn)工作。

3)混凝土初凝時(shí)間宜控制在6～8 h。

4)混凝土灌注過程中應(yīng)勤測(cè)混凝土頂面上升高度，隨時(shí)掌握導(dǎo)管埋入深度，避免導(dǎo)管埋入過淺或過深。

5)混凝土灌注的充盈系數(shù)不得小于1.0，也不宜大于1.3。6)混凝土坍落度應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)或規(guī)范要求控制。7)灌注過程中，應(yīng)認(rèn)真做好灌注原始記錄，并及時(shí)分析整理。

8)施工中要做到施工質(zhì)量4檢測(cè):自檢、互檢、專檢和抽檢。

9)做好各種施工記錄、施工日志及其它施工管理臺(tái)帳。

3.3 高壓旋噴樁施工參數(shù)及質(zhì)量保證措施

3.3.1 技術(shù)參數(shù)

1)加固料選用不低于P.O 32.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，漿液充填率大于0.75。

2)采用純水泥漿液作固化劑。水灰比1.0～1.2，水泥用量400～500 kg/m3(在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中宜加大水泥摻量，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中水泥摻量宜為500 kg/m3，以便起到更好的加固土體的作用)。

3)噴嘴切割土層，360°旋轉(zhuǎn)，噴嘴直徑為1.8 mm。4)提升速度20～35 cm/min。

5)氣壓≥0.6 MPa，漿壓 ＞22 MPa(靠近建筑物時(shí)需調(diào)整參數(shù)，將噴漿壓力調(diào)小)。

6)孔深誤差≤100 mm，孔位誤差≤50 mm，垂直度偏差≤1.5%。

7)成樁直徑800 mm。

3.3.2 質(zhì)量保證措施

1)施工前調(diào)試好各種施工機(jī)具并進(jìn)行工藝性成樁試驗(yàn)。

2)地質(zhì)鉆機(jī)造引孔，鉆頭嚴(yán)格對(duì)位，并作水平校正，減少孔位偏差和孔斜。

3)插入噴射管時(shí)可使用少量壓縮空氣，邊噴氣，邊插管，以確保噴射管下達(dá)設(shè)計(jì)深度。

4)正式提升噴漿前，待泵壓、風(fēng)壓上升至額定值方可提升，提升速度應(yīng)按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，不得加快。

5)漿液要嚴(yán)格過濾，并設(shè)兩道過濾網(wǎng)。嚴(yán)格控制漿液相對(duì)密度，當(dāng)相對(duì)密度誤差超過1%時(shí)停噴，調(diào)整水灰比。

6)拆卸注漿管節(jié)造成停噴，續(xù)噴時(shí)停噴點(diǎn)加深0.3 m，再進(jìn)行噴射提升。

7)經(jīng)常檢查和調(diào)整泵壓、漿壓、輸漿量、空壓機(jī)風(fēng)量和提升速度，核定實(shí)際用漿量。

8)一旦出現(xiàn)中斷供漿、供氣，立即將噴管下沉至停供點(diǎn)以下0.3 m，待復(fù)供后再行提升。因故停工超過3 h時(shí)，妥善清洗泵體和噴漿管道。

9)當(dāng)提升至設(shè)計(jì)樁頂下1.0 m深度時(shí)，放慢提升速度至設(shè)計(jì)高程，然后繼續(xù)提升一段距離(0.4 m)才停噴。

10)噴射作業(yè)結(jié)束后，用冒出漿液回灌到孔內(nèi)，直至漿液面不下沉為止。

3.4 工程加固效果

岔路口站北端頭盾構(gòu)始發(fā)時(shí)采用素樁擋土+樁間旋噴止水的加固方式，在始發(fā)段最內(nèi)側(cè)施工一排素混凝土樁擋土，素混凝土樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隙采用高壓旋噴樁進(jìn)行止水加固。加固工藝及質(zhì)量保證措施基本按照上述要求實(shí)施，實(shí)際工程最終形成了良好的始發(fā)端加固區(qū)。封門拆除后掌子面暴露時(shí)，端頭土體自立性和抗?jié)B透性較好，無(wú)較大滲漏水現(xiàn)象，周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)也在控制范圍內(nèi)，說(shuō)明該加固方式在該類地層中有較強(qiáng)的適用性，從而確保了盾構(gòu)順利完成始發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南京地鐵岔路口站北端頭盾構(gòu)始發(fā)工程，提出了在特殊地層下端頭的加固方式以及相應(yīng)的施工工藝和質(zhì)量保證措施。實(shí)踐表明，對(duì)特殊地層采用素鉆孔灌注樁擋土+樁間旋噴止水的加固方式效果良好。

[1]胡俊，楊平，董朝文，等.盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究[J].鐵道建筑，2010(2):47-51.

[2]胡俊，楊平，董朝文，等.蘇州地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道端頭加固方式現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究[J].鐵道建筑，2010(11):32-35.

[3]楊平，佘才高，董朝文，等.人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車站的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003，24(增刊):388-391.

[4]楊平，袁云輝，，佘才高，等.南京地鐵集慶門盾構(gòu)隧道進(jìn)洞端頭人工凍結(jié)加固溫度實(shí)測(cè)研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(6):591-596.

[5]胡俊，邵光輝，朱春峰.海相黏土室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)研究[J].路基工程，2008(6):160-162.

[6]胡俊，光輝，朱春峰，等.海相軟土三軸流變?cè)囼?yàn)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(3):89-91.

U455.43

B

1003-1995(2011)02-0079-03

2010-08-01;

2010-09-31

蘇州市科技局蘇州軌道交通專項(xiàng)課題 (Zxj0802)

曾暉(1969— )，女，四川成都人，高級(jí)工程師，博士。

(責(zé)任審編 葛全紅)