富水地層盾構(gòu)端頭加固方式與工藝研究

周曉華，何 冬，楊 平*

(1.江蘇省南京重大路橋建設指揮部，南京 210033；2.南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

盾構(gòu)端頭加固是盾構(gòu)始發(fā)、接收技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)，端頭加固的成功與否，直接關(guān)系盾構(gòu)的安全[1]。盾構(gòu)的始發(fā)與接收是盾構(gòu)施工中風險最大的環(huán)節(jié)，其主要風險是在盾構(gòu)始發(fā)與接收過程中要進行洞門鑿除，在洞門鑿除階段極易發(fā)生坍塌、涌砂涌水等事故，主要原因在于加固體自身強度不夠，難以滿足抗滑移剪切的要求；加固體不連續(xù)，局部出現(xiàn)滲漏；加固體節(jié)點處理不理想，特別是圍護樁與加固體之間的間隙處理、不同工法的界面處理等[2]。

處于軟弱富水土層中的洞門，由于地層土體具有含水量豐富、富水性良好、滲透性好等特點，為確保盾構(gòu)始發(fā)與接收的安全，選擇合適的端頭加固方式尤為重要[3]。本文依托南京寧和城際軌道交通NH-TA05標新梗街站端頭加固工程實踐，針對軟弱富水土層實際地質(zhì)條件，提出合理的盾構(gòu)端頭加固方式及工藝。

1 工程概況

南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標天河路站～新梗街站盾構(gòu)井區(qū)間隧道工程起于江東南路(規(guī)劃)和雙閘接(規(guī)劃)交叉口的天河路站，線路出天河路站后，向南下穿雙龍路、恒河路、塘、雙閘村民房、中心路、中心河后到達淮河路(規(guī)劃)與新梗街(規(guī)劃)交叉口的新梗街站。區(qū)間最小曲率半徑R=350 m，左右線間距13.5～18.5 m。區(qū)間設計起點里程YCK11+677.6，終點里程YCK12+445.300，區(qū)間全長1537.40 m。

新梗街站洞門底部埋深約15.82 m，所處地層主要為粉細砂層，其地質(zhì)分布圖如圖1所示。端頭地下水屬孔隙承壓水，穩(wěn)定水位埋深3.26 m，標高+2.67，具微承壓性，年變幅一般在1.0～1.5 m左右，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性為微腐蝕性，隔水底板為下浮巖層，厚度約為30～50 m。車站端頭加固范圍內(nèi)無相關(guān)管線及敏感性構(gòu)筑物，工程環(huán)境較好。

圖1 盾構(gòu)接收端頭地質(zhì)分布圖

2 盾構(gòu)端頭加固技術(shù)方案

2.1 端頭加固方案選擇

端頭加固施工方法很多，采取的施工方式主要取決于工程地質(zhì)條件。工法選擇不當，會使加固效果達不到設計要求，不僅導致外部水土流失、坍塌等風險，還會造成工程造價成倍增加[4]。

下面主要針對軟土地層、砂性土層、巖石層三類巖土討論各自適用的加固方式。

(1)軟土地層。軟土具有高含水量和高孔隙性、滲透性弱、抗剪強度低、壓縮性高、顯著的觸變性和蠕變性、且層與層之間的物理力學性質(zhì)相差較大等特點。在軟土地層中，目前盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有SMW工法樁+高壓旋噴樁，水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。當受周圍環(huán)境限制不能進行上述加固方法時，可采用人工凍結(jié)法進行地基加固[2]。但要注意控制土體的凍脹與融沉以及盾構(gòu)在通過凍結(jié)區(qū)時不能停留以防刀盤被凍住這兩個問題[5-6]。

(2)砂性土層。砂性土層所具有的特點有滲透系數(shù)大、抗剪強度高、粘聚力小、容易排水固結(jié)等[7]。在盾構(gòu)始發(fā)與接收工程中，由于該類土層具有滲透系數(shù)大，易被地下水沖蝕的特點，地基處理難度很大，尤其在高水壓砂性土層中，若地基加固處理效果不好，在水頭壓力的作用下，特別容易發(fā)生涌水、涌砂等工程事故。在砂性土層中盾構(gòu)隧道端頭加固可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，高壓旋噴樁+深井降水等[7]。但要注意的是深層降水井在使用前應進行試抽水試驗，以確保其能夠達到預期的降水效果；且地基加固需在深層降水井成井前完成，第一可避免高壓水泥漿液破壞降水井，第二可減少高壓水泥漿被流動水帶走[8]。

(3)巖石地層。目前在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工中經(jīng)常遇到的巖石主要有砂巖、礫巖、泥巖、閃長巖和花崗巖等。巖石的成因不同決定了其強度、裂隙發(fā)育程度也各不相同。巖石類型的不同，對盾構(gòu)始發(fā)與接收的施工影響也不相同，在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工中巖石裂隙的發(fā)育程度以及裂隙水的大小對施工影響尤其重大。在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工過程中遇到全斷面巖石地層時，可不進行地基加固，但當巖石裂隙較發(fā)育或者裂隙水的較大時，可采用分層注漿的方法封堵裂隙[9]。

2.2 端頭化學加固方案設計

盾構(gòu)到達加固厚度為10 m，在盾構(gòu)斷面位置加固范圍為隧道地板上、下3 m，隧道頂板3 m以上至地面區(qū)域為弱加固區(qū)。端頭水泥土加固采用三軸攪拌樁(樁徑為φ850 mm)加固，按300 mm搭接，強加固區(qū)樁長12.2 m，水泥摻量20%，上部弱加固區(qū)水泥摻量7%，采用p42.5級普通硅酸鹽水泥。

攪拌樁與地下連續(xù)墻之間的縫隙(300 mm)采用三重管旋噴樁(樁徑為φ800 mm)進行補加故，旋噴樁搭接為300 mm，除封口樁加固至地面，其他均由隧道地板下3 m加固至隧道頂板上，水泥采用p42.5級普通硅酸鹽。高壓旋噴樁隔空跳打(施工間隔不小于4 m)。三軸攪拌樁+三重管旋噴樁加固土體后，在端頭加固區(qū)設置應急降水井，井深22 m，井管深入隧道底下5 m。端頭加固平面與剖面如圖2所示。

圖2 新梗街站盾構(gòu)接收端頭加固平面圖與剖面圖

按設計要求，土體加固后，弱加固區(qū)強度不低于原狀土的強度，強加固區(qū)土體加固強度指標：無側(cè)限抗壓強度≥0.8MPa，滲透系數(shù)≤1.0*10-7 cm/s。同時確保加固土體的均勻性、密封性和自立性。

2.3 凍結(jié)加固方案設計

由于本工程端頭處于軟弱富水土層中，考慮到攪拌加旋噴樁加固體與洞門槽壁的間隙封水，在破開預留鋼筋混凝土洞門時，防止涌砂涌水發(fā)生。保證盾構(gòu)能夠安全接收，故采用地面垂直局部凍結(jié)法進行輔助地基加固。選用凍結(jié)法加固土體具有凍結(jié)壁均勻性好，與洞門槽壁結(jié)合嚴密，強度高，封水性好，安全可靠的優(yōu)點[10]，適用于本工程地質(zhì)條件的土體加固。

新梗街站單個洞門端頭凍結(jié)加固區(qū)域?qū)?0.5 m，非凍結(jié)段0～6.8 m，凍結(jié)段11.8 m。布設27根凍結(jié)管，呈梅花形布置，凍結(jié)管間距850 mm，凍結(jié)管排間距800 mm，內(nèi)側(cè)凍結(jié)管據(jù)槽壁400 mm；為準確掌握凍結(jié)溫度場變化情況，洞門布置3個測溫孔監(jiān)測凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁與地下連續(xù)墻交界面溫度和凍結(jié)情況。凍結(jié)孔與測溫孔布置如圖3所示。按設計要求，積極凍結(jié)周期為30 d，凍結(jié)孔單孔流量不小于5 m3/h；積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-18℃以下，凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24℃以下，開挖前鹽水溫度降至-28℃以下，去、回鹽水溫差不大于2℃；凍結(jié)壁與地下連續(xù)墻交界面處溫度不高于-5℃，凍結(jié)壁平均溫度低于-10℃[11]。

圖3 新梗街站盾構(gòu)接收端頭凍結(jié)管與測溫管布置圖

3 盾構(gòu)端頭加固施工

3.1 三軸攪拌樁施工工藝及參數(shù)配置

三軸攪拌樁樁身采用兩噴兩攪工藝，水泥與原狀土需均勻攪拌，下沉和提升過程中均為注漿攪拌[12]，同時嚴格控制下沉和提升速度，下沉速度為0.5～1.0 m/min，提升速度為0.5 m/min，設計攪拌樁為單排擠壓式連接。

為保證施工質(zhì)量，必須加強施工中主要參數(shù)控制，并要求現(xiàn)場做到掛牌施工。施工前必須先做2～3根試樁，根據(jù)實際情況確定合理參數(shù)。擬定的三軸攪拌樁主要參數(shù)見表1。

表1 三軸攪拌樁主要技術(shù)參數(shù)

3.2 三重管旋噴樁施工工藝及參數(shù)配置

三重管高壓旋碰樁施工技術(shù)是用三層噴射管使高壓水和空氣同時橫向噴射，沖蝕切割地基土體，再借空氣和水的上升力把以破除的余土漿托舉到地表排除；與此同時，另一個噴嘴將水泥漿以較低壓力噴射注入到被切割、攪拌的土體中，使水泥土與土混合固結(jié)成樁，達到加固的目的。三重管高壓旋噴樁主要技術(shù)要求指標見表2。

表2 三重管高壓旋噴樁主要技術(shù)參數(shù)

3.2 凍結(jié)法施工工藝及參數(shù)配置

凍結(jié)法施工主要分為凍結(jié)站安裝和凍結(jié)管鉆孔施工兩部分，兩者一般同時進行。鉆孔結(jié)束后即可轉(zhuǎn)入凍結(jié)器管路連接階段，后再對土體進行凍結(jié)加固運轉(zhuǎn)。單個端頭凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)

4 盾構(gòu)端頭加固效果

三軸攪拌樁加固30 d后取芯檢驗，所得的芯樣連續(xù)完整，最小強度為1.46MPa，滿足設計強度的最小0.8 MPa要求；凍結(jié)加固33 d后，經(jīng)驗算得最小凍結(jié)壁厚度為1.67 m，凍結(jié)壁平均溫度為-10.6℃，均滿足設計要求；在端頭洞門加固區(qū)內(nèi)布設9個米字型探孔，孔深85 cm，布設探孔過程未見流水流砂且界面溫度均低于-5℃。經(jīng)實踐證明，采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結(jié)+應急降水井的端頭加固方式能充分滿足軟弱富水土層端頭接收的要求，安全性得到保證。

5 結(jié)束語

針對南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標新梗街站軟弱富水土層的地質(zhì)條件，采用三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結(jié)+應急降水井的方法進行端頭加固，通過現(xiàn)場實測結(jié)果分析得出以下結(jié)論。

(1)軟土地區(qū)，盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，SMW工法樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。

(2)砂層中進行盾構(gòu)隧道端頭加固，可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結(jié)，高壓旋噴樁+深井降水等。

(3)新梗街站端頭加固實踐中，認為在軟弱富水土層中采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結(jié)+應急降水井的端頭加固方式是行之有效且安全可靠的。

(4)確定采用何種加固方式后，應針對地層特點選擇可靠的施工設備，確定合理的施工參數(shù)，確保施工安全。

【參 考 文 獻】

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