犀牛站電纜隧道盾構(gòu)始發(fā)井端頭加固技術(shù)研究

張家樂，馮松寶

(1．中煤礦山建設(shè)集團(tuán)三十六處，安徽 宿州 234000;2．宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

隧道嚴(yán)重滲漏水以及滲漏水對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損壞等，為隧道的后期維護(hù)帶來了安全隱患。針對不同的地質(zhì)條件和不同的工程質(zhì)量要求，各個工程單位采取了相對應(yīng)的加固措施。南京市中山門隧道通過裂縫補(bǔ)強(qiáng)、圍巖注漿、新增三襯、加強(qiáng)防排水體系等多方面進(jìn)行綜合治理，使得新增三襯混凝土結(jié)構(gòu)滿足了安全系數(shù)的要求[1］。南京地鐵二號線莫愁湖至茶亭區(qū)間由于是富水性軟弱地層，采用高壓旋噴與三軸攪拌樁方法進(jìn)行了加固，檢測結(jié)果能夠保證盾構(gòu)機(jī)能安全的接受[2］。坪崗2號隧道Ⅳ級圍巖淺埋段在進(jìn)行開挖前，采用三重管高壓旋噴樁從地表加固洞周圍巖，開挖以后，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道周壁任意點(diǎn)的相對累計位移值小于6cm，拱頂沉降速度小于0.09mm/d，墻腰收斂速度小于0.12mm，達(dá)到了預(yù)期目的[3］。

為了保證犀牛站電纜隧道盾構(gòu)始發(fā)井安全施工，同時又保證速度快，無滲水盲區(qū)，工程質(zhì)量高，勞動強(qiáng)度低，材料消耗小等優(yōu)點(diǎn)的情況下，采用高壓三重管旋噴施工技術(shù)，加固了始發(fā)井端頭。

圖1 犀牛站端頭剖面圖

1 研究區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)

本電纜隧道始發(fā)端位于220 kV犀牛變電站，電纜隧道沿線地貌主要為低山丘陵與河流階地接壤地帶。根據(jù)有關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料及本次勘探披露該段地層自上而下依次為第四系人工堆積層;第四系沖積層;第四系殘坡積層;第四系殘積層;下伏基巖為燕山晚期花崗巖為主，始發(fā)端剖面圖如圖1所示。

1)第四系人工堆積層。第(1－1)層雜填土:淺灰、紅褐色，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，成分主要為建筑磚石碎塊及粉質(zhì)粘土，含生活垃圾。最薄處為0.70m，最厚處為6.00m;

第(1－2)層素填土:黃褐色、褐紅色，稍濕，松散，成分以坡殘積物粉質(zhì)粘土為主，混有生活垃圾及多量碎石、碎塊。最薄處為0.80m，最厚處為10.20m，平均厚度為4.43m。

2)第四系沖積層。第(2－2)層淤泥質(zhì)土:灰黑色，深灰色，飽和，流塑，含粉細(xì)砂及多量有機(jī)質(zhì)、腐質(zhì)殖，具腐臭味，土的粘性較好。最薄處為1.40m，最厚處為4.00m，平均厚度為2.70m。

第(3－1)層粉細(xì)砂:灰白、淺灰色，飽和，稍密，砂質(zhì)均勻，含粘性土及少量礫石，局部夾薄層粉質(zhì)粘土。最薄處為2.60m，最厚處為2.60m，平均厚度為2.50m。

第(4－1)層粉質(zhì)粘土:青灰色，淺灰色，濕，可塑，土的粘性較好，含中細(xì)砂粒，局部含大量中粗砂粒。最薄處為1.30m，最厚處為5.40m，平均厚度為2.88m。

第(5－2)層中砂:灰白－褐黃色，飽和，中密，顆粒級配好，局部含石英礫石。最薄處為0.50m，最厚處為4.90m，平均厚度為2.56m。

第(6)層粉質(zhì)粘土:褐黃色，濕，可塑，土的粘性一般，含多量石英砂礫，膠結(jié)緊密，局部呈硬塑狀。最薄處為1.60m，最厚處為11.30m，平均厚度為5.62m。

第(7－2)層中砂:褐黃色，淺黃色，飽和，密實(shí)，顆粒級配好，含多量粗砂粒及石英礫石，含粘性土。最薄處為0.70m，最厚處為7.50m，平均厚度為3.49m。

3)第四殘坡積層。第(8－1)層粉質(zhì)粘土:褐紅－褐黃色，濕，可塑，含多量石英砂礫，次棱角狀，屬坡積物。最薄處為2.00m，最厚處為13.30m，平均厚度為7.34m。

4)第四殘積層。第(9)層砂質(zhì)粘性土:紅褐色，褐黃色，濕～稍濕，可～硬塑，含多量石英砂礫及母巖殘屑，為花崗巖殘積物，遇水易軟化。最薄處為2.50m，見于最厚處為20.70m;平均厚度為8.99m。

5)燕山期花崗巖。第(10－1)層為全風(fēng)化花崗巖:灰褐色，原巖風(fēng)化劇烈，礦物除石英外，基本風(fēng)化呈土，呈堅硬土狀，含大量石英砂礫，遇水易軟化、崩解。最薄處為1.7m，;最厚處為10.0m，平均厚度為4.84m。

第(10－2)層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖:黃褐色，褐灰色，原巖風(fēng)化強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)較清晰，礦物部分風(fēng)化呈土，呈半巖半土狀，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈土柱狀，手可捏散。局部分布，最薄處為1.20m;最厚處為15.20m，平均厚度為6.58m。

1.2 水文地質(zhì)

地下水類型主要為:第一類型(1)層為人工填土中的上層滯水，其補(bǔ)、排方式為大氣降水和大氣蒸發(fā);第二類型(3－1)層、(5－2)層、(7－2)層砂層的孔隙水具有承壓性或局部承壓性，含水量較豐富，其補(bǔ)給排方式主要為大氣降水和地下徑流，排泄方式主要為大氣蒸發(fā)和地下徑流。勘察期間測得地下混合水位在1.10～12.80m，地下水位標(biāo)高在27.18～45.59m。根據(jù)本次水質(zhì)分析結(jié)果，地下水中相關(guān)指標(biāo)對混凝土及混凝土中鋼筋未達(dá)到腐蝕等級，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

2 加固方案設(shè)計

2.1 加固范圍計算

1)水平加固長度。本次研究在計算時采用的是均布載荷模型[4］。最小水平加固長度的計算公式為

式中:D為工作井洞門直徑，t為水平加固范圍;p為作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力，對于砂性土，水壓力和土壓力分別計算，對于黏性土，采用水土合算，土壓力按靜止土壓力考慮;μ為加固土體的泊松比;σt為加固土體的極限抗拉強(qiáng)度，一般可取極限抗壓強(qiáng)度的10%，即 σt=qu/10;τc為加固土體的極限抗剪強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，τc=qu/6;k1，k2為安全系數(shù)，一般取1.5。

考慮以往工程的加固經(jīng)驗(yàn)以及其他研究者的加固經(jīng)驗(yàn)，加固區(qū)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0 MPa，側(cè)向水土壓力為0.1MPa，泊松比μ為0.3，帶入公式可得

[3(3+ μ)k1pD2/32σt］0.5=2.79，k2pD/4τc=0.91，此時t=2.79考慮土體滲透性要求，始發(fā)端按有水始發(fā)考慮，水平加固長度取4.0m。

2)加固寬度和深度范圍。隧道加固深度范圍

根據(jù)土體松動圈半徑計算公式，算得松動圈半徑為3m，則隧道上下加固范圍H1=1.5×(3－4.1/2)=1.425m，考慮盾構(gòu)本身尺寸要求，H1取4m，H2取2m。

隧道左右側(cè)加固寬度范圍

根據(jù)β的計算公式，cos β=0.58，則L=(4.1/2+4)×0.58－2.05=1.459m。

綜合以上分析，考慮安全的需要，加固水平長度為4m，加固寬度為洞門直徑左右各2m，共8.1m，加固深度為洞門底部以下2m，至洞門頂部以上4m，即單根樁長為10.1m。為保證旋噴加固的質(zhì)量，此次加固旋噴樁中心距為450 mm，咬合150mm，采用梅花型布置如圖2所示。

圖2 旋噴樁平縱面布置圖

2.2 施工工藝

圖3 高壓三重旋噴施工工藝流程圖

高壓三重管旋噴樁的工藝原理是用壓縮空氣包裹高壓噴射水流沖擊破壞攪動土體，同時用低壓灌漿泵灌入漿液，漿液被高壓水、氣射流卷吸帶入，同時與被攪動土體混合形成固結(jié)體，通過樁間的咬合搭接最終形成防滲墻，達(dá)到止水加固的效果。其工藝流程如圖3所示。

施工設(shè)備如表1所示。

表1 施工設(shè)備表

2.3 施工方法

1)定孔?？组g距為450 mm。布孔時，布孔誤差控制在±50mm范圍以內(nèi)，確有特殊原因時不得超過100mm。

2)造孔。造孔是旋噴工程必不可少的先導(dǎo)工序，其深度應(yīng)滿足設(shè)計深度，本工程為13.5m，其孔位偏差小于50 mm，孔底偏斜率小于1%。造孔過程應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，其方法如下:

①移機(jī)就位鉆孔時鉆機(jī)移至孔位裝上鉆具，其中心對準(zhǔn)孔位中心，立軸水平，用水平尺兩個垂直方向正反測量校準(zhǔn)。

②鉆進(jìn)鉆孔嚴(yán)格按鉆孔施工工藝進(jìn)行，嚴(yán)格控制垂直度在允許范圍之內(nèi)。檢測控制方法，用水平尺兩個垂直方向靠在主動鉆桿上檢測，不許超過5mm。個別孔斜稍有超差可在后續(xù)噴射工序適當(dāng)調(diào)整參數(shù)予以彌補(bǔ)。施工必須分兩序孔間隔進(jìn)行鉆孔，且兩序孔噴夾角方向相反。鉆孔深度一定要達(dá)到指定地層。

③泥漿護(hù)壁粉土和礫石地層，鉆進(jìn)過程都是極易坍塌的。鉆孔完成后尚需保持一定時間完好，控制好泥漿至關(guān)重要，一般在鉆進(jìn)至3m左右的地層時，加以少量泥漿護(hù)壁。泥漿控制指標(biāo)比重為1.1～1.3g/cm3粘度18s以上，泥漿應(yīng)充分循環(huán)利用，既可以降低成本又可減少環(huán)境污染。

3)旋噴作業(yè)。旋噴作業(yè)時采用隔孔作業(yè)，即跳過相鄰孔對下一孔進(jìn)行噴射。然后再對剩下的樁進(jìn)行噴射。

①水、氣、水泥漿的主要參數(shù)。水壓:30～35MPa，漿壓:0.5 ～2.0 MPa，氣壓:0.6 ～0.7 MPa;漿液水灰比:1∶1 ～1∶1.5，比重 1.6 ～1.7 g/cm3;流量:水:60～80L/min，漿:80～120L/min，氣:3～6m3/min;水泥用量:320～350 kg/m(普通硅酸鹽水泥)。

②提管旋噴。當(dāng)噴射管達(dá)到預(yù)定地層后，先送空氣、高壓水，再將水泥漿送入孔中靜噴少頃，待孔口回漿的比重＞1.3g/cm3開始提管，連續(xù)進(jìn)行;若孔口回漿的比重＜1.3 g/cm3時，應(yīng)降低提速或停止提管。在噴射過程中，應(yīng)注意觀察回漿情況，以了解土層情況、噴射注漿的大致效果以及技術(shù)參數(shù)是否合理，噴射加固沙層時，應(yīng)多次反復(fù)噴射。回漿量為注漿量的20%左右為正?，F(xiàn)象，若回漿量過大，可采取減少注漿量、加快提升及提高噴射壓力等措施。為確保旋噴樁質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)速度控制在8～12rpm，提升速度控制在6～12 cm/min，并同步作好施工記錄。當(dāng)旋噴注漿管作業(yè)提升到設(shè)計標(biāo)高時，旋噴作業(yè)即告結(jié)束?？紤]到漿液凝固收縮，停漿位置應(yīng)提高0.5～1.0m;在發(fā)現(xiàn)孔口漿下降后進(jìn)行回灌補(bǔ)漿或第2次注漿。

4)循環(huán)利用。在鉆進(jìn)和旋噴過程中，充分循環(huán)利用返出的漿液。首先在端頭北側(cè)設(shè)有沉淀池，然后通過溝渠或排污泵將返出的漿液引進(jìn)沉淀池，待漿液沉淀后，再利用水泵將上層清水泵送到攪拌池進(jìn)行二次利用。

5)最后清理施工現(xiàn)場，施工完成28 d后對加固體進(jìn)行抽芯檢查，發(fā)現(xiàn)有斷樁、空樁和結(jié)合不嚴(yán)密等情況要針對性補(bǔ)漿。

3 加固效果檢測

3.1 加固質(zhì)量要求

施工完畢后，對旋噴樁加固體進(jìn)行鉆芯取樣檢驗(yàn)，旋噴樁不得小于2.0 MPa，檢測數(shù)量不得小于1%且不得少于5根，本工程三重管旋噴樁162根，計劃對旋噴樁檢測5根。若達(dá)不到設(shè)計要求，或發(fā)現(xiàn)有斷樁、空樁和結(jié)合不嚴(yán)密等情況，應(yīng)及時采取注漿或復(fù)噴的方式補(bǔ)強(qiáng)。水平探孔擬在洞門處上、中、下、左、右均布五個水平探孔，鉆進(jìn)深度約3m，以探明加固體止水效果，如出現(xiàn)涌水涌泥等情況，應(yīng)及時采取注漿或復(fù)噴的方式補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 檢測結(jié)果分析

在注漿完成28 d后進(jìn)行加固效果檢查，一方面在加固范圍內(nèi)取芯，分別在兩個旋噴樁芯，離樁芯分別為10 cm、20 cm、35 cm的地方，進(jìn)行全取芯鉆孔如圖4a所示。取樣主要觀察巖芯，檢測加固體的連續(xù)性及強(qiáng)度。檢測結(jié)果如表2所示。

圖4 取芯示意圖和水平觀察孔布置示意圖

表2 水泥土芯樣抗壓強(qiáng)度

分析表2可知:所取的五個巖心試件抗壓強(qiáng)度值最小的11-(3-4)號試件也達(dá)到了2.3MPa，最大達(dá)到21.5MPa，檢測結(jié)果滿足要求。另一方面在洞門連續(xù)墻上打5個3.0m深的水平觀測孔(見圖4b)，在觀測孔上安裝球閥，每天對觀測孔進(jìn)行觀察，5孔總出水量＜30L/h，且不得有砂土流出。若出水量較大，則進(jìn)行有針對性的補(bǔ)漿，最終達(dá)到止水效果。觀測孔檢測表明，5個孔均未出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)結(jié)合犀牛端端頭的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，計算了犀牛站端頭始發(fā)井的加固范圍，水平加固長度為4.0m，加固寬度為洞門直徑左右各2m，共8.1m，加固深度為洞門底部以下2m，至洞門頂部以上4m。

2)三重管高壓旋噴注漿技術(shù)對犀牛站端頭始發(fā)井的加固是一種很好的選擇。經(jīng)過本次加固，盾構(gòu)安全通過始發(fā)井，沒有出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象，旋噴樁加固體的抗壓強(qiáng)度高，可以滿足安全需要，符合端頭加固的要求，且效果非常好。

[1]徐建明.隧道加固和綜合改造設(shè)計[J］.山西建筑，2011，37(29):150-151.

[2]趙立鋒，付黎龍.富水軟弱地層盾構(gòu)隧道施工端頭加固技術(shù)研究[J］.隧道/地下工程，2008(9):83-85.

[3]闕壽洪.高壓旋噴樁在隧道圍巖加固中的應(yīng)用[J］.公路交通技術(shù)，2009(2):130-133.

[4]裴書鋒，李倩倩，郭 朝，等.電力盾構(gòu)隧道端頭加固范圍計算及始發(fā)模擬[J］.隧道建設(shè)，2012，32(6):832-837.