地铁全断面前进式水平深孔注浆加固方案设计及施工技术
2015-09-14
工程概况
广州地铁三号线北延长线某标段盾构隧道施工，其盾构机到达吊出端头，受现场施工场地狭小的限制，加上工期紧张，必须尽快恢复地面道路交通，经过技术方案比较，将原设计地面加固形式变更为车站洞内全断面前进式水平深孔注浆加固方案，以满足洞门围护结构破除、盾构机到站出洞的安全。
场地地质及环境概况
位置和周边环境
广州地铁三号线北延长线人和站位于白云区人和镇交通要道――G106国道之下，两侧建筑物多为2~5层的商住楼房，距基坑25~30m。
人和站北端扩大端头区段设计为盾构机吊出井，左右线两台盾构机均在此到达终点吊出。
人和站工程水文地质
该端头地层从上而下分布主要为<1>人工填土层（Q4ml）、<4-1>冲积－洪积土层（Q4al+pl）、<3-1>冲积－洪积粉细砂层（Q4al+pl）、<3-2>冲积－洪积中粗砂层（Q4al+pl）、<3-3>砾砂层、<4-1>、<7>岩石强风化带。隧道掘进范围内主要为<3-2><3-3><4-1>层，砂层。砂层地下水饱和，且与附近河流水系联通。隧道覆土厚度10.043m。
吊出井端头水平加固设计
加固的目的和应达到的效果
（1）洞门土体加固强度能保证洞门破除后、盾构刀盘尚未顶到隧道掌子面时的土体稳定。同时，盾构能够顺利切割加固体。
（2）洞门加固体的抗渗性能。加固体的抗渗性能要考虑地下水位的高低，地下水的流速，土体的粉粒、砂粒、砾石的含量等。如果抗渗性能不佳，同样会造成严重的涌砂、涌水现象（特别是水+砂+压力同时存在的情况下）。
（3）洞门加固范围。到达洞门的加固范围必须保证一定的加固体长度、宽度和高度，确保土体的止水需要。此次加固长度定为10米。
原设计端头加固方案
原设计盾构吊出端头为人和站到达端头，端头地层采用Φ600@450水泥土搅拌桩结合外包Φ800@600旋喷桩进行加固。端头加固长度10m，宽度25m，深度19.043m，其中实桩12m（隧道及其上下各3m）。隧道顶埋深10.043m。
对于本工程，实施旋喷桩加搅拌桩端头加固方案具有以下难点及缺点：
成桩质量不易保证。设计旋喷桩及搅拌桩加固深度为19.043m，从地勘资料分析，加固桩施工范围地层标贯高达16~28击，尤其是隧道底部标贯击数最高。加固深度大则成桩质量不易控制，土层标贯高则搅拌桩难以下钻。
交通疏解影响作业场地。人和站位于G106国道道路正下方，车站主体结构施工之后还要继续施工车站出入口，由于交通疏解的需要，人和站每次只能提供半幅场地用于端头加固施工，桩基作业面狭小，施工组织极为不便，地面加固施工工期难以控制。
对环境污染较大，现场文明施工较难保持。旋喷桩、搅拌桩施工，产生大量泥浆、渣土和污水，对周边环境污染严重。
优化加固方案
为解决以上问题，我部通过多方了解和实地考察，综合比较分析，借鉴其它项目成功经验，决定采用洞内全断面水平深孔注浆的施工方案。
该方案注浆加固原理是：在打孔后安装注浆孔口管，由孔口管向内进行注浆，整个注浆过程是在一个封闭体系中进行的，浆液通过孔口注浆管进入封闭状态的被注地层（流砂层、粉质粘土层、粘土层等），通过注浆泵产生的压力，使浆液在被注地层中向四周扩散，达到充填、挤压、密实的作用，从而使松散含水砂层或粘土层变为密实的坚固地层，达到注浆堵水的目的。
本次水平加固的范围是：沿隧道轴线方向为10m（按照设计要求），断面范围为洞门圈以外3.0m。
布孔设计
沿洞门圈周边布设水平钻孔23个（图示空心圆孔），环向间距0.7m；洞门下部布设斜孔19个，对底部注浆加强。水平钻孔深度为10m。
导向管采用内径Φ65、壁厚3.5mm的钢管。注浆角度和长度为：
1、5号的埋设角度为65.5°，长度为3.62m
2、4号的埋设角度为68.8°，长度为3.54m
3号的埋设角度为70°，长度为3.51m
29~32号的埋设角度为71.8°，长度为6.10m
33~37号的埋设角度为74.5°，长度为8.61m
38~42号的埋设角度为75°，长度为11.18m
6~28号的埋设角度为0°，长度为10.00m
施工工艺和方法
施工工艺
施工方法
在已完成的吊出井主体结构内，沿洞门周边向需要加固的土体内，全断面施做水平钻孔和斜孔，顺导向管内一边钻孔一边注浆堵水，逐段推进注浆加固到设计深度；水泥浆/双液浆在砂层中扩散与周边孔注浆区域相互渗透融合，在洞门周边固化形成桶状加固体，满足盾构机到站出洞掌子面不坍塌、不漏水涌砂的安全要求。
导向管加工
导向管长度70cm，采用内径φ65，壁厚3.5mm钢管加工而成。一端焊接内径φ65的法兰盘，另一端端头植于掌子面上。植入深度为60cm，外露10 cm。
导向管埋置
注浆工作开始之前，按注浆角度和位置布设图，在连续墙上进行导向管开孔施工。开孔直径φ120，采用钻孔取芯机进行施工，钻孔深度30cm。用快干水泥植入导向管。
钻孔、注浆
1、钻孔：采用风动凿岩机从连续墙上埋设的导向管进行钻孔，成孔直径Φ50。钻杆顶进时，注意保护管口不受损、变形，以便与注浆管路连接。
2、按设计顺序依次对每个孔进行钻孔注浆，其原则是：钻孔时每次长度不宜超过2米就进行注浆，有砂有水时，不管长度多少，出砂出水就注。依此往复循环，直至设计终孔为止。注浆顺序如下：
17-18-16-19-15-20-14-21-13-22-12-23-11-24-10-25-9-26-8-27-7-28-6-1-5-2-4-3-29-30-31-32-33-35-37-34-36-38-40-42-39-41。
钻孔布置详见“注浆管布置立面图”、“注浆管布置注浆角度图”。在“注浆管布置立面图”中显示黑色实心孔为斜孔。
3、注浆时，严格控制浆液浓度及压力，根据压力变化，及时调整浆液浓度，直到达到设计终压为止。
原则上，开始只注单液水泥浆，如果注浆压力上不去且浆液用量大，则逐步改用双液浆，以达到注浆压力控制要求。
采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注5min，即可结束注浆。注浆时通过控制注浆压力控制注浆量。当注浆压力较小，而注浆量较大时增大水泥浆的浓度，直至终压达到1.5～2.0MPa，持续注浆至设计孔位深度。
4、注浆参数：
注浆扩散距离：3~5米。
注浆浆液浓度：水泥浆水灰比为0.5:1，水波璃浓度为20-25波镁度，水泥浆和水玻璃的体积比为3:1。
注浆终压：1.5-2.0Mpa
技术要点
①导向钢管外插角必须严格照图施工，保证注浆管外插角度。
②各孔注浆时，间隔进行，以保证浆液扩散效果。
③各孔注浆时，间隔进行，以保证浆液扩散效果。
加固效果的检测
该加固方式主要依靠水泥浆对加固土体的挤密作用，水泥浆不一定能够均匀渗透入加固土体，因此采取抽芯的方法进行检测反映不出加固效果。因此，现场实际采取水平抽芯检测。沿洞门圈内加固体范围内打9个水平探孔，观察渗水情况。经检查注浆效果达到设计要求后，即可破洞门进行始发。
结束语
该端头水平加固历时约2个月，使用水泥约1100吨/单线端头，水玻璃约20~30吨。加固完成后，沿洞门圈内加固体范围内钻打2.5~3m深的9个水平探孔，观察渗水情况，仅3个探孔有少量清水渗出。据此初步判断加固效果满足盾构机出洞要求。在盾构机刀盘掘进至距离洞门约1m时，出空盾构机土仓渣土，开仓发现在3点钟位置有漏水通道，渗水量约2m3/s，遂在车站吊出井内对应位置施钻水平孔，注入约500Kg油性聚氨酯堵漏，成功止水。随后盾构机顺利出洞。
地铁盾构端头土层水平注浆加固方式在上海、天津软土地层有成功应用，但未推广使用；在广州地铁是第一次成功应用。不久，我们在广州地铁6号线联络通道富水砂层加固也得到成功应用。从各地案例来看，水平注浆加固适应于各类地层，尤其适应于含水流砂层（高压旋喷桩和搅拌桩成柱困难的地层）。跟进式水平注浆，不仅满足了加固土体的止水要求，同时对加固土体的强度指标也能胜任。其优点一是加固方便、堵水效果好；二是不占用地面场地、排污量很小，对环境污染小，现场文明施工容易保持。该方案设计及施工技术简便可靠，实施很成功。对类似工程施工具有一定参考价值。
