复合地层顶管洞门灌浆加固关键技术

罗飞轮,熊亮,李志周,孟飞,黄小波,喻志豪

(1.中国水利水电第五工程局,成都,610066;2.中国地质大学,武汉,430074)

0 引言

顶管法以其施工工期短、噪音小及不影响地面交通等优势,在国内得到了飞速的发展,广泛应用于市政隧道工程,并在近些年中,逐渐运用于水利工程中[1-2]。在顶管施工过程中,顶管机的始发及接收存在着诸多技术难点,决定着工程能否顺利进行,尤其是运用于水利工程在富水地层中施工时,容易发生洞门漏浆、涌水及坍塌等事故,需对洞门采取止水加固措施。常用的洞口加固处理措施有高压旋喷桩、水泥搅拌桩及注浆。

现有关于洞门加固技术方面的研究主要集中在盾构施工领域。王云峰等[3]以武汉轨道交通12号线国博中心南站—凌吴村站越江盾构隧道工程为背景,介绍了长江Ⅰ级阶地富水地层大直径泥水盾构始发洞门垂直冷冻加固技术,详细论述了该技术的施工流程、工艺控制要点及施工过程中遇到的特殊情况的处理措施;刘祥等[4]以盾构始发与接收水平冻结施工为例,介绍了冻结设计方案、盾构始发与接收过程及实际应用效果,成功实现始发与接收;王志鑫等[5]提出了一种洞门环形冻结密封止水装置及其施工方法,并采用数值建模分析该环形冻土帷幕温度场的发展规律;谢超等[6]结合园博苑站—杏锦路站盾构区间端头加固施工实际情况,结合现场勘查、三维有限元计算、监控量测,提出行之有效的端头加固范围优化技术,为端头加固研究做出了大量的补充;王杰等[7]利用有限元软件进行数值模拟,对掌子面对流系数、土体导热系数、容积热容量、相变潜热、水泥掺量等因素进行敏感性分析;陆路等[8]通过与上海和天津的洞门加固工程的地质条件冻结特性的对比,提出富水中砂层地质条件下工程的难点,在设计中通过计算,确定了冻结帷幕施工参数;武冰冰等[9]从洞门加固方案比选、冻结帷幕厚度设计计算、冻结方案设计及冻结施工技术等方面对该洞门垂直冻结加固技术进行了详细阐述;黄华等[10]采用提前进洞以超前加固技术对不良地质进行预加固处理和格栅钢架结合超前小导管进行洞门支护加固进洞的方法。

综上,洞门加固方面的研究主要集中于盾构工程中,而鲜有关于复合地层顶管始发井洞门加固的研究和技术,因此本文结合引绰济辽输水工程隧洞段施工六标蛟流河无压洞顶管工程,对复合地层顶管洞门灌浆加固施工进行研究和介绍。

1 工程概况

由中国水电五局承建的蛟流河穿河建筑物位于内蒙古自治区兴安盟突泉县境内,连接5号隧洞和6号隧洞,按直线布置,由东北向西南走向,长为1115m。主要由始发井、顶管段、无压洞钻爆段及扩大洞室段组成,其中顶管段长940m,管节外径4.3m,内径3.6m,纵断面比降为1/1100。顶管始发井结构总深度为24.72m,衬砌后直径为13m。蛟流河穿河建筑物平面布置如图1所示。

图1 蛟流河穿河建筑物平面布置示意

始发井施工过程中,受不良地质条件影响,顶管出洞洞门方向发生塌方,造成地面塌陷,对塌腔位置进行勘探,高程312.3m～311.8m(孔深0～0.5m)为钢筋混凝土,高程311.8m～310.0m(孔深0.5m～2.3m)为空腔,高程310.0m～301.0m(孔深2.3m～11.3m)为碎石渣料,高程301.0m～300.0m(孔深11.3m～12.3m)为基岩,高程300.0m～298.5m(孔深12.3m～13.8m)为空腔,高程298.5m～290.3m(孔深13.8m～22.0m)为碎石渣料,高程298.5m～288.8m(孔深22.0m～23.5m)为基岩,需对此复合地层顶管洞门进行加固处理。

2 工艺选择

常用的洞口加固处理措施有高压旋喷桩、水泥搅拌桩、注浆等。

(1)高压旋喷桩是指将含有喷嘴的注浆管插入需要加固的土层之中,再利用高压将配置好的泥浆通过喷嘴射出,强水压的泥浆使土体发生破坏,土颗粒从土体中被剥落,进而与泥浆搅拌混合形成混合浆液,混合浆液逐渐凝固,最终形成一个有一定强度的圆柱状固结体,从而达到土体加固的目的。高压旋喷桩施工简单,噪声小,无污染,效果好,但造价高,所用灰量大。

(2)水泥搅拌桩是利用钻机钻进预先设计的深度,打开注浆泵喷射水泥浆液,并缓慢提钻至预定高度,再重复搅拌下钻,喷射水泥浆液并提钻至地表,成桩结束。水泥搅拌桩利用水泥浆液作为固化剂与土体充分搅拌后,发生一系列的物理、化学反应,使软弱地基土硬化,从而提升土体强度。水泥搅拌桩经济效益好,施工工期短,设备机械化程度高,但施工机械占地面积大,且加固深度有一定限制。

(3)注浆法是将配置好的浆液通过注浆管注入地层之中,浆液通过土层中的空隙进行流动渗透,与土层中的颗粒固结形成强度大且稳定的整体。注浆法工期短,施工简便、安全。但注浆固结位置不可控,易出现漏浆现象。

综合现场具体情况考虑,本工程拟采用注浆法对顶管洞门进行灌浆加固处理。

3 加固方案

3.1 加固流程

加固施工流程包括准备工作→后背墙加固→洞门水平注浆→塌腔回填→地表注浆→井壁处理→结束。

3.2 准备工作

顶管洞门加固施工准备工作主要包括人员、设备、材料及技术保障等方面。施工前做好原材料及设备进场准备工作,组织作业人员进行技术交底,并对灌浆孔位进行测量放线。

3.3 后背墙加固

后背墙混凝土浇筑前,按2.5m×2.5m预埋固结灌浆钢管,内径60mm。待后背墙钢板安装完成及混凝土浇筑完成后,进行后背墙固结灌浆施工。固结灌浆范围沿顶管中心线两侧环向各2.8m,单孔深5m(后背墙厚2m,入岩3m),环向排间距3m,固结灌浆高度6m(自底板起至洞门高程),共布置3排灌浆孔,单排布置3个孔,共9个灌浆孔。

灌浆孔具体位置如图2所示。

图2 后背墙加固孔位布置

3.4 洞门水平注浆

根据对洞门上方塌腔部位进行勘探,针对塌腔部位拟采取固结灌浆措施。为确保灌浆效果,灌浆时拟采用双液注浆法(水玻璃+水泥浆)进行施工,双液比例根据现场情况确定。灌浆遵循逐渐加密的原则,先注浆最外侧孔位,凝固后形成止浆墙,再进行内侧孔位注浆施工。当单孔注浆量较大时,可根据实际情况,调整浆液水灰比,用浓一级的浆液或加注砂浆的形式进行注浆。

洞门灌浆布孔示意如图3所示。

图3 洞门灌浆布孔示意

3.5 塌腔回填

洞门固结灌浆结束后,对地表塌陷处进行回填,露天范围内采用碎石(小石)回填,盖重范围内塌陷处采用细砂回填。回填施工时,采用3m3装载机装车,20t自卸汽车将回填料运输至工作面附近,由1.6m3挖掘机或3m3装载机将回填料进行分层回填,不可直接将回填料倾倒至塌陷处。回填施工时,井下不应安排人员施工,并安排专人观察井壁稳定情况。

3.6 地表注浆

塌腔回填完成后,通过采取压水试验的方式对洞门上方岩层进行注浆效果及密实度检查。经检查,洞门上方岩层透水率较大及存在空腔现象时,则应进行地表注浆,采取进一步处理措施,具体如下。

3.6.1 布孔施钻

自井壁外侧、顺顶进轴线方向间距2m×2m布孔,沿洞圈方向按2m的弧长延伸至洞轴线位置,共计34个孔,具体布置见图4所示。覆盖层钻孔孔径为φ146mm,下入DN146钢管(δ=4.0mm)形成护壁,防止塌孔等情况;岩石层采用φ115mm钻头成孔,钻孔孔深23.5m,灌浆段长度10m,采取自上而下分段灌注,第一段5m(13.5m～18.5m),第二段5m(18.5m～23.5m)。钻孔过程中,各孔应详细记录孔位、孔深、地层变化、换层情况和漏水、掉钻。尤其注意分层的位置,准确记录,便于后续分析情况。所有灌浆过程中的钻孔均需妥善保护,防止流进污水或落入其他异物。

图4 地表灌浆布孔示意

3.6.2 灌浆

(1)施工次序

加强固结灌浆遵循逐渐加密的原则施工。灌浆为六排固结,先灌注塌腔两侧排、依次向塌腔的中部推进,最后灌注塌腔中间排,排内均按两序施工。

(2)施工工艺流程

①加强固结灌浆孔采用“阻塞灌浆法”进行灌浆,止浆塞阻塞在不少于出洞口两倍洞径位置,采用自下而上分段灌浆法。

②以灌注水泥基浆为主,可根据灌浆情况采用外掺水玻璃水泥浆液、水泥-水玻璃双浆液、外掺早凝剂的水泥砂浆浆液。

③水泥-水玻璃双浆液应采用孔口混合。

(3)灌浆压力

灌浆压力应尽快达到设计值,注入率大的孔段应分级升压;为防止岩石面或混凝土面抬动,加强固结灌浆原则上“一泵灌一孔”,最大灌浆压力为1.5MPa。

(4)浆液水灰比及浆液变换

①水泥浆液:采用水灰比为3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1和0.5∶1五个配比,浆液配比计量误差应小于5%。

②灌注双浆液时水泥浆与水玻璃溶液的体积比应按1∶0.1～1∶0.3的范围控制,灌注双浆液时水泥浆的水灰比采用0.5∶1。

③早凝外掺剂砂浆浆液:长时间难以结束或流失量大的孔段,拟采用0.5∶1浓浆外掺体积比按1∶0.3～1∶0.5砂,重量比2%～3%氯化钙的方式加快浆液的早凝。

④当灌浆压力保持不变,注入率持续减少时,或注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比;当某级浆液注入量已达300L以上,或灌注时间已达到30min,而灌浆压力和注入率均无显著改变时,应换浓一级水灰比浆液灌注;当注入率大于30L/min时,根据施工具体情况,可越级变浓。灌浆过程中,灌浆压力或注入率突然改变较大时,应立即查明原因,并采取相应的处理措施。

(5)灌浆结束条件

①在最大设计压力下,注入率降低至不大于2L/min后,屏浆40min,且屏浆期间平均注入率不大于2L/min条件下,可结束灌浆。

②当地质条件复杂、地下水流速大、浆液注入量较大、灌浆压力较低时,持续灌注的时间适当延长;当岩体较完整、浆液注入量较小时,持续灌注的时间适当缩短。

(6)封孔

全孔灌浆结束后进行封孔,封孔灌浆时间不少于30min,封孔灌浆压力采用相应灌浆孔的最大灌浆压力。封孔采用水灰比为0.5∶1的浓浆。已进行封孔的灌浆孔,待孔内水泥浆液凝固后,应清除孔内污水、浮浆,采用“导管注浆封孔法”继续封上部覆盖层孔段。

3.7 井壁处理

为确保始发井满足顶管机安装及顶进施工条件,拟对井内渗水点进行灌浆处理。灌浆总体思路为以灌注水泥基浆为主至无明显大的渗水点后,再采取灌注水溶性聚氨酯化学灌浆的方式封堵面渗或微渗水。

3.7.1 较大渗水点的处理

(1)钻孔及预埋:首先凿除混凝土渗漏点,再使用手持式岩芯钻机钻深度不小于2m,孔径不小于48mm的灌浆孔,钻孔完成后预埋φ42钢管至基岩与混凝土结合部位,使用堵漏剂封堵住周围渗漏点,使渗水集中至预埋管内流出。

(2)灌浆:预埋管及周围渗漏点封堵后待凝应不低于12h再进行灌浆,灌浆主要采用水泥基浆为主,纯水泥浆液水灰比为0.5∶1。如灌注时周边渗漏点较多且难以封堵时,灌注水泥-水玻璃双浆液,水泥浆与水玻璃溶液的体积比应按1∶0.1～1∶0.3的范围控制,灌注双浆液时水泥浆的水灰比采用0.5∶1。对于长时间难以结束或流失量大的孔段,拟采用0.5∶1浓浆外掺体积比按1∶0.3～1∶0.5砂,重量比2%～3%氯化钙的方式加快浆液早凝。

3.7.2 面渗或微渗水处理

使用水泥基浆灌注至混凝土表面面渗或微渗水后,采用水溶性聚氨酯化学灌浆方法处理。

(1)钻孔及预埋:在混凝土内钻深度不小于1m,孔径不小于20mm的灌浆孔,钻孔完成后预埋φ16钢管,使用堵漏剂封堵住周围较大渗漏点,使渗水较集中至预埋管内流出。

(2)灌浆:预埋管及周围渗漏点封堵后待凝应不低于12h才进行灌浆,灌注水溶性聚氨酯,利用水溶性聚氨酯可灌入性好、遇水膨胀的特性在内部形成外层阻水圈。

4 加固效果

地表灌浆各断面注浆用量如图5所示。

图5 地表灌浆各断面注浆用量柱状图

对各灌浆段进行钻孔取芯及压水试验检测灌浆效果,其中岩芯结石率及透水率均满足设计要求,土体稳固性与止水性均有较大提升。整体洞门灌浆加固效果良好,土体稳定,强度高,满足工程要求。

5 结论

始发井施工过程中,受不良地质条件影响,顶管洞门出洞方向发生塌方,造成地面塌陷。分析各种加固方案后选定注浆法对洞门进行灌浆加固,并将其运用到施工方案中,经此加固方案处理后的土体强度及止水性均有较大提升。通过采用顶管后背墙注浆、洞门水平注浆、塌腔回填、地表注浆、井壁堵水等一系列处理方法,保障了始发井及洞门整体稳定性,使得洞门塌方问题得到有效解决。