地层加固

关键词： 修建 城市 地铁

地层加固（精选八篇）

地层加固 篇1

随着国家经济和社会的不断发展, 人们对于交通出行的需求也与日俱增。目前解决该问题的主要方法是大量修建城市地铁。在修建地铁过程中, 为了减少或者避免对城市地面交通的影响, 暗挖法是修建城市地铁主要采用的方法之一。结合青岛市某地铁中一段区间隧道工程实例, 通过数值模拟计算比较了不同地层加固范围下地表沉降结果, 确定了合理的地层加固范围, 为同类型的城市浅埋大断面软弱围岩地铁区间隧道施工提供了建议以及指导。

1 工程概况

青岛市某地铁线路中一段区间隧道下穿既有铁路线路。该区间隧道为曲线段, 曲线半径450 m, 线间距约11 m~12 m。既有铁路线为直线段, 区间隧道与既有铁路平面夹角约为42°。区间左右线隧道均以13‰的坡度下穿既有铁路, 该段区间隧道上覆岩土厚度约为9 m~11 m。

既有铁路每日列车上行68列, 下行69列, 上行时速为95 km/h, 下行时速为90 km/h;钢轨是60 kg/m标准轨, 轨枕是ⅢA型轨枕, 弹条Ⅱ型扣件, 道床为一级道砟。

2 工程地质与水文地质概况

隧道区间线路下穿既有铁路线路, 表覆第四系全新统人工堆积层, 下伏燕山晚期不同风化程度的花岗岩, 局部糜棱岩、砂土状碎裂岩及碎裂状花岗岩发育, 煌斑岩、花岗斑岩岩脉穿插。基地稳固, 地下水为基岩裂隙水, 局部具弱承压性, 富水性一般贫~极贫, 局部构造发育地段, 富水性贫~中等。

具体地层参数见表1。

3 施工工法

为保证铁路安全和正常使用, 隧道下穿既有铁路段采用台阶法施工, 棘突施工步骤及参数如下:

1) 施工拱部120°42 mm小导管注浆超前支护, 长度L=3.5 m, 水平倾角10°, 环距0.3 m, 纵向间距2.0 m。弱爆破开挖上台阶并施作初期支护, 即初喷3 cm厚混凝土, 铺设钢筋网, 架立钢架, 并设锁脚锚杆, 钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

2) 在滞后上台阶一段距离后弱爆破开挖下台阶, 台阶周边部分初喷3 cm厚混凝土, 铺设钢筋网, 接长钢架, 并设锁脚锚杆, 钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

3) 待初期支护收敛后及时施作防水层、模筑二次衬砌, 并进行衬砌背后回填压浆, 保证初期支护与二衬之间密实。

4) 先施工一侧隧道, 待该隧道下穿胶济铁路段二次衬砌施作完成且混凝土强度达到设计要求后, 方可开挖施工另一侧隧道, 以防止同时开挖左、右线隧道引起较大沉降。

4 数值模拟

出于偏安全方面的考虑, 文中计算以地表面的沉降值为研究对象来评判线路的变形和沉降。在考虑地面动荷载时直接将动荷载等效荷载施加在地表面。采用地层—结构模式进行相应的分析, 初期支护按主要承载结构设计。取最不利断面 (即区间隧道与既有铁路线相交处的隧道横断面) 作为重点研究对象。

根据围岩性质和设计需要, 并考虑开挖影响的范围选取合理的区域和尺寸剪力计算模型, 模型尺寸为宽×高=110 m×36 m, 采用有限元软件MIDAS/GTS进行二维模拟分析。

建立的模型地表面为自由面, 四周采用单向变形约束条件, 底部采用全约束条件。土体模型采用弹塑性理论计算并采用摩尔—库仑准则。关于模型的荷载条件, 路基顶面施加列车动荷载等效静载及钢轨重、轨道板、混凝土底座等静载, 采用无渗流模式并且采用不透水边界条件。

计算结果见图1。

隧道围岩在右隧道下台阶开挖第四次扰动后, 隧道上部土体产生的Y向位移云图形状同上部台阶开挖完毕后的基本相同, 只是隧道拱底的地层位移变化范围以及量值区间有较大变化。计算结果表明:右隧道拱顶沉降量值为21 mm, 右隧道拱底隆起位移量值41 mm。

图2表示的是:在右隧道开挖完毕后, 在相距左右隧道中心线一定范围内地表面的沉降量值曲线图, 其中距离的“+”“-”分别表示左右隧道中间距处的正右方向和正左方向。整体位移云图近似地呈现W形, 在左右隧道中间距处地表面的沉降量值为25 mm, 地表面最大沉降量值为27 mm, 在左右隧道中间距处地表面右方2 m左右处;在距离该处0 m~4 m范围内地表面的沉降量值有所增加;在左右隧道中间距处的正右方向4 m~20 m范围内沉降量值呈现缓慢的减小, 在相距20 m之外的区域地表面沉降量值呈现急剧地减小。在左右隧道中间距处的正左方向4 m~20 m范围内沉降量值呈现缓慢的减小, 在相距20 m之外的区域地表面沉降量值呈现急剧地减小。

当地层加固范围较小时, 注浆加固层不能够有效地控制地层的沉降变形, 造成更多的经济损失;当地层加固范围较大时, 注浆量的增加不仅影响工期, 而且增加了工程的成本, 产生较差的经济和社会效益。针对这一问题, 本模型选取了六种不同加固层的施工过程分别进行数值模拟计算。研究分析采取不同加固层范围时, 对周围地层产生的加固效果, 从而得到合理的加固层范围, 确保区间隧道开挖时引起的地表面沉降量值在允许的范围之内, 为该类工程的设计和施工提供相关的数据和资料。建立模型时, 所采用的七种加固层范围是:4 m, 3.5 m, 3 m, 2.5 m, 2 m, 1 m和未注浆加固。

图3和图4分别是在不同加固层范围的工况下左右隧道拱顶沉降量值以及地表面最大沉降量值的曲线图。

从图中可以看出:

1) 预先采取注浆加固措施对于控制地表面的沉降的效果是显著的。随着加固层范围的增大, 区间左右隧道拱顶以及地表面的沉降量值逐渐减小, 最后趋于平缓。

2) 随着注浆加固层范围的增大, 区间左右隧道拱顶沉降量值逐渐减小。当未采取注浆加固时, 区间隧道拱顶沉降量值超过了沉降允许量值。在加固层范围小于2.5 m时, 随着加固层范围的扩大, 区间隧道拱顶沉降量值降幅较大, 达到5 mm左右。当加固层范围大于2.5 m时, 随着其值的增大, 区间隧道拱顶沉降量值降幅减小, 直至趋于平缓, 即不再减小。这说明加固层范围超过2.5 m时, 该因素已经不再是有效控制隧道拱顶沉降的关键因素。若是继续增大范围, 所取得经济效益将大打折扣。因此可以得出:注浆加固层范围取值2.5 m左右时, 可以有效地控制隧道拱顶沉降量值, 并且取得较好的经济效益。

3) 随着注浆加固层范围的增大, 地表面最大沉降量值逐渐减小。在加固层范围小于3 m时, 随着加固层范围的扩大, 地表面最大沉降量值减小较快。这说明该阶段加固层范围的大小是影响地表面最大沉降量值的关键因素之一。在加固层范围大于3 m时, 曲线渐趋平缓。这表明该阶段中加固层范围的大小对于控制地表面沉降效果已经不是很显著。

5 结语

通过上述对比分析可以得出:

1) 在隧道开挖施工中, 采用旋喷桩超前加固地层能够改变加固区土体的力学性质。在这一过程中, 加固范围内的土层弹性模量大于加固区以外土层的弹性模量, 从而使得加固区内土体的地层位移大于加固区外无限大弹性体地层位移, 最终达到减少地层沉降和保证施工安全的目的。

2) 依据本工程的实际情况并且考虑各种因素的影响作用, 建议该工程的合理加固区范围为2.5 m~3 m。

参考文献

[1]阳军生, 刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社, 2002.

[2]冯冀蒙.地铁区间隧道下穿铁路沉降技术研究[D].成都:西南交通大学, 2009.

[3]姚宣德, 王梦恕.地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析[J].岩石力学与工程学报, 2006, 10 (25) :47-55.

[4]关宝树, 赵勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2011.

复合地层盾构施工换刀加固技术 篇2

由于盾构施工工程地质的复杂性和多变性，决定了盾构机配备的刀具对地层的局限性。刀具在施工过程中的磨损是不可避免的，因此在盾构施工中更换刀具是必不可少的一项工作。而在地质情况不允许的情况下，地层加固就成了换刀施工成功与否的关键。换刀的方式主要有一下几种：

在自然围岩条件下换刀；在地层预加固的条件下换刀。如采取旋喷桩加固，搅拌桩、微型桩、袖阀管加固方式；在压缩空气条件下进行换刀作业（当盾构机在软岩、上软下硬及富水地段掘进时，由于地层自稳能力差，必须利用盾构机自身及配套设备来提供使地层稳定的支撑压力）。

由于在复合地层情况下很少有满足自身围岩条件下换刀的情况，所以大多数换刀必须经过地层加固后才可保证换刀安全进行；在市区内进行地铁施工时，进行地面加固也存在较多困难（如交通堵塞不便，征地困难等）。而带压换刀必须是舱内土体具有一定的气密性。否则加压过程中造成气体流失极易发生安全事故。

本文结合深圳地铁5号线翻身站～灵芝站盾构区间洞内加固换刀工法进行认真总结，为盾构穿越复合地层、高富水地层及长大隧道等不具备敞开式换刀作业的工程提供可靠参考依据，有效拓展盾构机的适用范围。

2.工程概况

翻身站～灵芝站区间盾构法隧道左线设计里程范围DK4+196.04至DK5+474.01，短链12.411m，长1265.559m；右线设计里程范围DK4+196.04至DK5+474.01，长1277.97m；区间设2个联络通道。结合区间地质详勘资料以及通过对区间右线地质补勘，确定在右线DK4+240～DK4+330范围内存在硬岩突起及球状风化岩，基岩突起约侵入隧道断面1～2.9m，部分岩石强度达到120MP左右，依据以往施工经验，盾构在硬岩段掘进10m左右，需对其刀具进行检查更换，故在进入80m孤石群前10m，需进行刀具检查更换，其里程位置为：DK4+252。由于线路处于创业二路正下方，地面不具备加固条件，经过我公司技术部门认真总结决定进行洞内加固换刀。

3.工程地质

从翻灵区间右线补勘图中可知，右线从里程DK4+240开始出现基岩突起及球状风化岩，在里程DK4+252位置处，地面以下4.67m为人工回填土，4.6～8.5m为砾砂层，8.5～13.27m为砾质粘性土，13.27～16.23m为中风化花岗岩，其侵入隧道高度为2.96m。

4.加固方案

施工封水环。首先在桥架及1号台车处施工二次注浆，防止隧道后面的水涌入土仓；要注意的是浆液凝固时间需尽量调短，二次注浆为传统施工工艺，利用气动注浆泵在当前掘进前10环及15环左右分别进行二次注浆，浆液采用水泥水玻璃双液浆，水灰比采用1∶1，同时利用水玻璃浓度来调整浆液凝固时间，注浆量由注浆压力控制，注浆压力达到3MP并稳定5分钟以上后停止注浆。

舱内土体改良。提前12小时拌制膨润土浆液，使其充分发酵，在距离停机0.3m时，通过膨润土泵系统注入膨润土浆液，转动刀盘充分搅拌，改良舱内及前方掌子面土体的状态，使膨润土浆液可起到护壁的作用。如加固后需要加压亦可增加土仓的气密性，避免加压后迅速泄压导致掌子面坍塌。

中盾外侧密封。利用中盾球阀向盾体外侧注入聚氨酯材料，形成密封，防止注浆过程中浆液流失到盾尾以后，避免浆液浪费；也可防止盾尾被浆液凝结，脱困时造成铰接油缸损坏。

注浆加固。将注浆锚管插入人舱上方4个超前注浆管（锚管应插入掌子面0.5m左右），采用气动注浆泵向刀盘前方注入双液浆（水泥水玻璃双液浆）。利用水玻璃浓度调整浆液凝固时间，注浆压力达到2.0MP左右即可，注浆量可适当加大，但需时刻观察土仓压力变化，如果土仓压力迅速上升则说明浆液已大量流入土仓，此时停止注浆。

注浆过程中需定期转动刀盘防止刀盘被浆液固结住，注浆完成后需等强6小时方可开舱，双液浆凝结后可大幅度加强掌子面的稳定性，并可在掌子面上形成护壁，舱内加压后可避免气压快速泄露。

加固后开舱观察掌子面，如果效果较好直接进行常压换刀，如效果稍差可进行加压换刀，注浆后使土体气密性得到大幅度提升，也提高了带压换刀的安全保证；该方法成本低，效率高，并可使换刀的安全性得到大幅度提高。

5.总结

地层加固 篇3

赵庄煤业公司矿井为晋煤集团新建特大型矿井, 设计生产能力600万t/a。而处于特殊地质条件下各类巷道均布置在主采的3#煤层中, 主要巷道和硐室均采用锚网梁、锚索、喷浆等组合支护系统。地勘资料显示, 赵庄煤业井下地质构造多、有较大的含水量、高瓦斯, 煤质较为松软, 顶板岩层存在不稳定泥岩层。由于巷道围岩条件复杂, 随着矿井的开采, 采掘动压影响导致巷道变形加剧, 尤其是服务期长的矿井开拓巷道和准备巷道, 严重的变形破坏已影响矿井正常生产和安全[1]。因此, 亟需开展相关的研究, 以从根本上解决深埋特殊地质条件下巷道围岩稳定控制和支护技术难题, 为煤炭资源的安全、高效开采提供理论支持和技术保障, 这对赵庄煤业的可持续发展具有重要现实意义和工程应用价值。

2 巷道支护与加固技术实施方案

针对赵庄煤业矿井的地质及围岩条件, 提出以全断面锚索支护, 全断面二次注浆加固和全断面复注和复喷进行加强支护。

2.1 全断面锚索支护

巷道断面为矩形, 原设计净断面为5 600 mm×4 350 mm, 考虑两帮煤体的分区破裂导致的大变形, 确定煤帮和顶板预留150 mm的变形量, 喷浆厚度150 mm, 底板铺层厚度300 mm, 设计巷道掘进断面为6 200 mm×4 650 mm, 净断面为5 900 mm×4 200 mm。

巷道开挖成型后, 顶板采用高强预应力锚索进行支护:预应力锚索采用准22×8 400 mm的高强低松弛预应力钢绞线制作, 锚索孔准30 mm;要求锚固长度不小于1 500 mm;间排距设定为1 050 mm×1 200 mm。巷道的两帮采用低预应力锚索支护:每个断面布置10根准22×5 400 mm锚索, 锚固长度不小于1 500 mm。所有锚索托盘采用高强度可调心托盘, 为允许巷道两帮发生变形, 释放内部高应力, 对两帮锚索施加100 k N的预紧力。锚索间排距为950 mm×1 200 mm, 北辅运巷的锚网喷支护结构如图1所示。顶板和两帮的钢筋托梁采用准16 mm的钢筋焊接。钢筋网片用准6.5 mm钢筋焊接, 尺寸为1 150 mm×3 000 mm, 网孔为100 mm的正方形, 要采用不少于150 mm搭接长度进行勾接。

全断面锚索施工完成后, 喷射混凝土对巷道围岩进行封闭。喷射混凝土选用C20, 掺3%~5%的速凝剂, 喷层厚度不少于100 mm。

2.2 全断面二次注浆加固

在上述初次全断面锚索支护加网喷支护的基础上, 对巷道浅部围岩进行低压浅孔注浆, 实现对全断面围岩进行加固。通过高预应力锚索的锚固作用和二次注浆加固, 可以将前期施工的锚索变成全长锚固, 与围岩形成整体结构[2], 从而实现支护结构与巷道围岩的共同承载效应, 提高现有支护结构的整体性和承载能力, 保证围岩在巷道服务期间的稳定。

注浆管布置在初次支护的两排锚索之间, 帮部采用二三间隔布置, 顶板采用四五间隔布置的形式, 注浆管排距1 200 mm。注浆管使用DN25的钢管打花孔加工制作, 管长1 000 mm, 注浆孔的封孔长度不少于400 mm, 注浆孔准45 mm, 钻孔深度2 000 mm。为保证注浆质量, 必须对注浆孔口封闭密实, 注浆管可同初次锚索支护同时施工, 以便利用喷射混凝土形成对注浆孔的有效封堵。

低压浅孔注浆浆液采用水泥-水玻璃浆液, 水泥使用普通硅酸盐水泥, 浆液水灰质量比介于0.8~1.0之间, 水玻璃占浆液内水泥使用量的3%~5%。注浆压力约2.0 MPa, 注浆过程中注意观察原有喷层状态, 若有开裂及时停止注浆。北辅运巷低压浅孔注浆管布置如图2所示。

2.3 全断面复注复喷强化支护

采用高压深孔渗透注浆的方式对巷道深部围岩进行再次加固, 其注浆管与原有的低压浅孔注浆采用的是同一组注浆管, 注浆前需要用小直径钻头对原有注浆孔扫孔, 要求达到5.0 m左右的扫孔深度。高压深孔渗透注浆是在原有注浆围岩浅层加固圈前提下, 对深层围岩进行加固, 注浆压力较高, 浆液的渗透范围更大, 效果更好, 原有的加固圈可确保在高压条件下巷道表面围岩及喷层不发生破坏, 可以明显提高巷道破碎围岩的稳定性, 保证巷道的安全使用。北辅运巷高压深孔注浆管的布置如图3所示。

高压深孔渗透注浆主要技术参数:浆液采用普通硅酸盐水泥, 浆液水灰质量比在0.5~0.6之间, NF减水剂的用量占浆液中水泥使用总量的0.7%。在注浆过程中注意注浆量的变化, 当围岩裂隙较小、注浆难度较大时, 可用超细水泥代替原硅酸盐水泥, 保证巷道围岩的注浆加固效果。

施工过程中注浆压力在3.0~5.0 MPa之间, 高压复注完成后再次对巷道围岩表面进行喷浆, 喷层厚度不小于50 mm, 加上原有砼喷层, 使总喷层厚达到150 mm。最后在巷道底板铺设一层300 mm厚的混凝土, 改善底板面层质量。

3 不同支护方式下巷道围岩变形破坏演化规律的数值模拟分析

为了模拟不同支护方案对巷道围岩稳定性的影响, 建立FLAC3D三维力学模型[3], 在数值模拟中选定最大水平主应力为14.83 MPa, 垂直主应力为12.63 MPa, 最小水平主应力为8.12 MPa, 围岩弱化50%, 分别模拟在无支护、锚网索支护、锚网索+浅孔注浆与锚网索+浅孔注浆+深孔注浆4种不同方案下巷道围岩的稳定特征。巷道开挖后塑性区的分布范围如图4所示, 不同支护方式下巷道围岩破坏深度如表1所示。

从图4和表1可以看出:巷道开挖后顶板和两帮围岩变形破坏较为明显, 以剪切破坏为主。最大破坏深度达4.5 m左右。随着支护强度的提高, 围岩的塑性区破坏范围逐渐减小, 采用锚网索+浅孔注浆+深孔注浆加固后, 围岩的塑性区范围减小到了1.5 m左右。数值计算同时生成了位移云图, 从位移云图数据可以得知, 最大竖直位移发生在顶板中央, 最大水平位移产生于两帮中央, 且两帮的位移比顶底板的位移量大, 为了方便分析将图中不同侧压力系数下的最大围岩水平及竖直位移列于表2中。由表2可知:随着支护强度提高, 围岩变形逐渐得到了控制。采用锚网索+浅孔注浆+深孔注浆加固后, 围岩的最大变形量减小到了75 mm左右, 有效地控制了围岩的变形。

4 工程应用与围岩稳定性评价

2010年9月—2011年1月, 按照所确定的动态叠加支护与加固技术方案进行了北辅运新掘巷道的支护与加固工业性试验。在北辅运巷施工与使用期间, 布置了3组表面变形测点, 监控围岩变形情况。监测结果如图5所示。

经过4个多月的连续监测, 北辅运巷的两帮最大移近量及顶板最大下沉量分别为94 mm和37 mm, 小于要求的变形量 (加固1 a内两帮内挤量控制在200 mm, 顶板下沉量不超过150 mm) , 围岩稳定, 控制效果良好, 达到了项目计划要求。

5 结语

根据赵庄煤业矿井煤层围岩应力条件, 在分析3种方案特点的基础上, 确定的动态叠加支护和加固技术取得了良好的控制效果, 成功解决了煤层巷道的支护难题, 有效控制了巷道围岩的变形破坏, 保证了巷道服务期间的安全、正常使用。

摘要：针对赵庄煤业公司矿井复杂的地质条件, 提出全断面锚索支护、全断面二次注浆加固、全断面复注和复喷加强支护3种方案, 运用FLAC3D进行数值模拟, 在分析对比模拟结果的基础上, 确定支护加固技术, 并通过长期的跟踪监测确定支护方案的效果和可行性, 成功地解决了赵庄煤业矿井复杂地层下巷道支护与加固技术的难题。

关键词：复杂地层,巷道支护,围岩加固,数值模拟,注浆

参考文献

[1]常聚才, 谢广祥.深部巷道围岩力学特征及其稳定性控制[J].煤炭学报, 2009, 34 (7) :881-886.

[2]柏建彪, 侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报, 2006, 35 (2) :145-148.

地层加固 篇4

关键词：隧道工程,双重管注浆,原位试验

1 试验概况

试验场地位于上海地铁6号线某车站1号出入口通道,该地铁出入口通道下穿东方路,由于东方路为浦东主干道,封交困难,通常的施工方法——明挖法无法实施,设计单位考虑采用暗挖法进行施工。根据工程地质勘察资料,本场地地基土均属第四纪沉积物,隧道主要通过淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土。若采用暗挖法施工,则必须对地层进行注浆加固,初步选定双重管注浆法作为地层加固手段,由于在上海地层条件下无该方面的先例报道。因此,建设单位决定在正式施工之前,在工程现场进行注浆试验,以检验实际加固效果。

2 试验设计和实施

根据试验目的,利用现有的条件,在车站站厅层预留的1号出入口位置,破除车站已经施作的连续墙,从连续墙向外进行双重管注浆加固土体,进行本次试验,土体加固长度取4 m。注浆孔间距分别取20 cm,30 cm,40 cm,60 cm等。

注浆过程中,按预定频率进行地表沉降和土体分层沉降监测(分层沉降测点如图1所示)。注浆结束后,进行静力触探试验,钻孔取样及室内土工试验,了解加固区域的土体强度、变形特性等指标,对注浆加固效果进行评价。

试验钻机采用TXU-75A,压浆泵为SYB-60/60型双液注浆泵,注浆材料采用水泥+水玻璃+XPM外加剂。本次注浆分5组进行:第1组为周边止水止浆孔,孔中心间距200 mm,孔深4 m,共50个;第2组为200 mm间距布孔区,孔中心间距200 mm,孔深4 m,共46个;第3组为600 mm间距布孔区,孔中心间距600 mm,孔深4 m,共3个;第4组为300 mm间距布孔区,孔中心间距300 mm,孔深4 m,共9个;第5组为400 mm间距布孔区,孔中心间距400 mm,孔深4 m,共6个。

注浆过程中注浆压力为0.2 MPa～0.4 MPa。

3 试验监控和效果检查

3.1 双重管注浆监测分析

双重管注浆从开始注浆到注浆结束,地表最大隆起量为28.9 mm,位于双重管注浆区域D4测点,该部分地表累计隆起量较大与注浆施工的顺序有关,由于该位置首先进行孔间距200 mm周边孔的右上和上右区域注浆,这时注浆参数处于调整阶段。地表监测测点累计隆起量平均值为23.4 mm。地表测点累计隆起量随时间变化(如图2所示)。分层沉降测点FC-6孔口累计隆起量随时间变化(如图3所示)。

从测点累计隆起量随时间变化过程看,地表隆起的主要发展阶段为:上断面周边孔和左下注浆孔间距为200 mm区域的施工过程。

从分层沉降监测看,在注浆初期,深层土体隆起量大于浅层土体隆起量,在注浆施工后期,分层沉降监测显示,土体不同深度的相对位移较小。

对双重管注浆过程的监测资料分析,表明:1)在注浆过程中,通过严格控制注浆压力、注浆速度和注浆顺序,并根据监测结果及时予以调整,是可以将注浆对地层和地中管线的影响控制在允许范围内的。2)在对周边间距比较密集的注浆孔注浆时,应适当减小注浆压力,减小单孔注浆量。3)注浆部位与管线间距越小,则注浆施工对其影响越大,在以后施工中,应给予高度重视。4)建议施工顺序为:先周边后中间,先下后上,低压跳孔。5)建议采用300 mm的布孔间距。

3.2 原位试验和钻孔取样

试验结束28 d后,在试验场地地表进行了钻孔取样和原位试验,选取了两个取土孔,分别布置在双重管注浆区域纵向中心左右,在注浆范围内每50 cm深度选取1个试样,每一个孔钻取5个试样。同时在双重管注浆区域进行了静力触探。

3.3 原位试验结果

J1,J3静力触探结果如图4,图5所示。

从静力触探结果看,注浆区域(深度3.5 m～5.5 m)的比贯入阻力Ps均在2 MPa以上,最大值在10 MPa以上。

3.4 室内试验结果

土样取回后,进行室内土工试验,试验结果见表1。

3.5 注浆效果评价

从在双重管注浆取芯情况、原位试验和室内试验结果看,土体物理力学特性有显著改善,注浆效果非常明显,以下为具体指标对比情况:1)Ps值有很大提高,原地层Ps=0.47 MPa,注浆后为2 MPa～10 MPa,提高3倍～18倍。2)含水量有所降低,原地层含水量平均值41%,注浆后为35.4%～39.4%。3)孔隙有所减少,原地层的孔隙比为1.16,注浆后为0.09～1.067。4)土体强度有所提高,无侧限抗压强度由40 kPa提高到55.3 kPa～98.3 kPa,直剪试验C,ϕ值也相应得到提高。5)压缩性有所降低,压缩模量由3.15 MPa提高到13 MPa～23 MPa。

4 结语

通过对上海地铁某车站1号出入口暗挖现场双重管注浆的综合效果检查,表明双重管注浆可以达到地层加固效果,同时,通过严格施工工艺,能有效控制对环境的影响,可以满足1号出入口工程暗挖段掌子面土体加固的需要。

参考文献

[1]冶金工业部建筑研究总院.喷射注浆法与深层搅拌法[M].北京:冶金工业出版社,1991.

[2]崔玖江.水下隧道注浆堵水[M].北京:人民铁道工业出版社,1978.

[3]徐至钧.高压喷射注浆法处理地基[M].北京:机械工业出版社,2004.

地层加固 篇5

关键词：软土地层,基坑,加固范围,注浆效果

0 引言

淤泥质软土具有天然含水量高, 强度低, 压缩性大, 多呈软塑及流塑状态等特点, 基坑开挖过程中, 容易产生侧向挤出、底部隆起, 影响工程施工安全。注浆加固是基坑工程中常用的工程措施, 特别是对于软土基坑而言。注浆加固是保证基坑安全或将基坑开挖对周边环境影响程度降至最低的有效方法。

目前, 在城市地铁建设过程中, 通常要在建筑物、构筑物密集区域进行基坑开挖。这些建筑物、构筑物对变形非常敏感, 对基坑底部、基坑四周土体进行注浆加固已成为当前基坑施工安全, 地表建筑物、构筑物安全的重要措施。因此, 本文采用数值模拟方法, 对软土地层基坑开挖过程中注浆加固效果进行分析, 以期为软土地层中基坑开挖的安全提供参考。

1 软土地层注浆加固作用

城市地铁建设过程中, 软土地区基坑开挖中对基坑周围土体进行注浆加固的主要作用是为了减小基坑桩的水平位移, 防止基坑土体失稳, 控制基坑周围构筑物的变形, 减小基坑底部的隆起变形, 增加基坑稳定性等。加固的主要部位有:基坑底部的注浆加固;基坑纵向稳定的注浆加固;土墙底部的注浆加固;挡土墙外侧的注浆加固等。

淤泥质软土的颗粒直径小于0.01 mm, 浆液无法渗入到其颗粒间隙中去, 即使渗入也是小范围的, 而且时间很长, 无实际工程意义, 因此, 对于淤泥质软土通常采用劈裂注浆。注浆的浆液注入土体过程中, 并不与土体混合 (除高压喷射注浆及搅拌注浆工艺) 而是以二相存在, 同时产生充填效应、挤压效应、扩散效应、骨架效应、离子交换效应。

浆液向地层中某一部位渗透时, 该部位的加固效果取决于:土体的间隙比和浆液自身的固结性能。通常来说, 土体间隙比越大, 浆液渗入土体就越多, 加固效果就越好。离浆液注入孔越远, 由于浆液压力变小, 浆液充入土体的间隙中就越困难, 土体的加固效果会降低, 所以在注浆过程中, 应该选取合适的注浆加固参数。浆液自身的固结特性 (主要取决于浓度、材料成分) 对加固效果的影响, 在溶液型浆液的场合下, 固结特性主要受浓度支配, 浓度越高, 强度和抗渗性越好。

尽管浆液可以向地层中渗透, 但因上述两种因素极大程度的支配加固效果, 所以实现均匀加固是很难的。在浆液完全没有渗透的地点, 则掘削时该位置必漏水, 漏水的程度因地下水和土质的不同而异, 若未固结部位连通外部的滞水层, 则大量的地下水和土砂同时流入, 即出现塌方淹水事故。一般情况下地下水压越高, 出现事故的可能性越大。

2 注浆加固效果分析

2.1 计算模型

本文注浆加固方案选取坑底加固及桩周加固两种情形, 分析不同加固参数对深基坑变形控制效果。对于坑底加固, 选取坑底加固深度1 m, 3 m, 5 m, 7 m和9 m五种工况, 对于桩周加固, 选取桩周加固宽度1 m, 2 m, 3 m, 4 m和5 m五种工况。

基坑支护采用ф1 200@1 000 mm冲孔桩加内钢管支撑形式, 桩间用ф600高压旋喷桩作为止水帷幕, 长28 m的套管钻孔灌注咬合桩体系。钻孔灌注桩桩顶设1 200 mm×1 000 mm冠梁。主体结构标准段竖向支撑由上到下共设置四道支撑, 四道支撑均为ф600 mm (t=16 mm) 钢支撑, 如图1所示。基坑降水采用基坑内管井降。计算中模型取基坑两侧各R=80 m, 计算深度取80 m。采用二维有限差分法进行计算, 土层力学参数如表1所示, 加固区域土体的弹性模量为加固前的3倍, 其他参数不变。

2.2 计算参数

基坑桩插入坑底深度为8 m, 桩重度取为23 k N/m3, 泊松比为0.2, 杨氏模量为3×107k N/m2。基坑桩采用弹性模型, 其他岩土采用摩尔—库仑模型。计算中土层物理力学参数取值如表1所示。

2.3 计算结果及分析

图2为坑底不同加固深度情况下坑底隆起曲线图, 从图中可以看出, 无加固时, 坑底最大隆起值为104.3 mm, 坑底很大范围内均为隆起最大值点, 且最大值到最小值变化较陡, 隆起曲线呈两侧陡、中间水平状;坑底1 m加固时, 坑底最大隆起值为103.6 mm, 最大隆起值及隆起曲线形状与无加固工况基本一致;3 m加固时, 坑底最大隆起值降低为98.8 mm, 相比无加固工况降低5.2%, 坑底隆起曲线仍为两侧陡、中间平, 但坑底隆起最大值的范围相比前两种工况有些许减少;5 m加固时, 坑底最大隆起值为84.9 mm, 相比无加固工况降低18.6%, 坑底隆起曲线呈现明显的拱形, 即基坑中线处隆起值达到最大, 越往基坑边缘隆起值越小;7 m加固时, 坑底最大隆起值为75.8 mm, 相比无加固工况降低27.3%, 坑底隆起曲线呈现明显的拱形;9 m加固时, 坑底最大隆起值为66.7 mm, 相比无加固工况降低36.0%, 坑底隆起曲线呈现明显的拱形。

综合上述结果可知, 坑底加固深度越大, 对坑底土体隆起的抑制作用也就越大, 但当基坑底部加固深度大于7 m后, 这种抑制作用会越来越不明显。因此, 实际施工中应控制坑底加固深度在7 m以下, 以使效益最大化。显然, 加固深度太小又达不到加固效果, 因此, 建议对软土地层中基底加固深度为5 m~7 m。

图3为不同加固深度时基坑周边地表最大沉降值对比曲线图, 由图中可知, 随着坑底加固深度的增加, 坑周地表最大沉降值会逐渐减小, 但幅度不大, 即坑底加固对基坑周边地表沉降控制作用不大。

图4为桩周不同加固范围时桩体水平位移曲线图, 从图中可以看出桩周土体加固主要控制桩的最大水平位移, 水平位移最大位置约为桩身的1/2处, 桩顶与桩底水平位移基本变化值可以忽略不计, 这主要是因为在桩顶设置了支撑, 使得桩顶位移基本不变。另外, 桩的深度为坑底8 m, 使得桩底位移也基本不变。对于桩身的1/2处最大水平位移, 无加固时桩体最大水平位移为23.42 mm;1 m加固时最大水平位移降为23.00 mm;2 m加固时最大水平位移值为22.09 mm;3 m加固时最大水平位移值为21 mm;4 m加固时最大水平位移值降为19.73 mm;5 m加固时桩体最大变形值为17.92 mm。由此可知, 采取5 m加固宽度时, 可以减小23.5%桩体最大水平位移值, 这主要原因是通过桩周土体加固, 提高了土体强度, 减小了作用在桩身上侧压力, 进而减小桩身水平位移。

图5为桩周不同加固范围时地表最大沉降值变化曲线图, 从图中可以看出, 随着加固范围的加大, 坑周最大沉降值持续减小。可见, 采取桩周土体加固措施也可以有效减小基坑周边沉降, 有利于基坑周围建筑物的稳定。另外, 从图中还可以看出, 加固范围为前3 m内时, 曲线斜率逐渐增加, 3 m以后斜率不再变化, 也就是说, 随着加固范围的增加, 土体加固对地表最大沉降值的控制作用并不是呈线性增加, 而是在3 m后才呈线性增加。

3 结语

文章在分析软土地区基坑周围土层注浆加固作用基础上, 通过数值方法分别对基坑坑底加固和桩周加固效果进行了分析, 得出以下主要结论:

1) 对于基坑底部加固, 坑底无注浆加固时, 坑底隆起曲线呈现两端陡, 中间呈水平状, 此时土体受力不均匀, 易导致坑底土体破坏;当坑底加固深度达到5 m~7 m时, 坑底隆起曲线呈现拱形状, 此时土体受力最为均匀, 因此, 实际工程中最为经济合理的基底加固深度为5 m~7 m。

2) 随着坑底加固深度的增加, 坑周地表最大沉降值会逐渐减小, 但幅度不大, 坑底加固对基坑周边地表沉降控制作用不大。

3) 采取5 m加固宽度时, 可以减小23.5%桩体最大水平位移值, 通过桩周土体加固, 提高了土体强度, 减小了作用在桩身上侧压力, 进而减小桩身水平位移。

4) 随着加固范围的加大, 基坑周边最大沉降值持续减小, 可见, 采取桩周土体加固措施也可以有效减小基坑周边沉降, 有利于基坑周围建筑物的稳定。

参考文献

[1]刘国彬.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[2]白冰.软土工程若干理论与应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.

[3]龚晓南.基坑工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006.

[4]张永成.注浆技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2012.

[5]田利民.浅析注浆技术在岩土工程中的应用[J].山西建筑, 2010, 36 (34) :96-97.

改性水玻璃在地层加固中的应用 篇6

西安地铁二号线一期工程从国际会展中心到西安北客站，全长20.5km，其中永宁门至南稍门区间、南稍门至体育场区间、体育场至小寨区间均采用暗挖法施工。地下水埋深介于4.20—11.20m，地表分布有厚薄不等的全新统人工填土、新黄土、古土壤、老黄土、粉质黏土、砂土等。区间主要不良地质有饱和黄土、砂层、地裂缝等。区间多处穿越砂层，属Ⅵ级围岩，稳定性低，开挖中易发生坍塌，无法形成自然应力拱。为保证施工安全、工程质量和施工工期要求，经理论论证和施工中试验调整，总结出采用改性水玻璃注浆加固地层的一套工艺。

2. 注浆浆液施工配合比选定

2.1 配合比设计理论依据

水玻璃(Na2 Si O3·2H2O)溶液与稀硫酸溶液混合后，生成含有H 2Si O3·2H 2O和Na2SO4的混合液，化学反应式为：Na2 Si O3·2H2O+H2 SO4(稀)=H 2Si O3·2H 2O+Na 2SO 4。浆液在压力作用下并依靠自身扩散性渗透到超前小导管周围的地层中，水分挥发后形成H 2Si O3·2H 2O胶体和Na2 SO4晶体，将注浆扩散范围内松散的砂土颗粒胶结在一起。对隧道拱部打设的小导管注浆后，在隧道拱顶开挖轮廓外形成具有一定强度的胶结层，保证了隧道开挖的安全，较好地控制了开挖轮廓。

2.2 原材料选择

硫酸：浓度98%工业硫酸

水玻璃：40波美度工业水玻璃

水：饮用水

施工配合比(体积比)：水：硫酸：水玻璃=12:1:1

2.3 浆液配置

(1)浓硫酸稀释：将浓硫酸按配合比稀释至设计浓度10%;

(2)水玻璃稀释：将水玻璃按配合比稀释至设计浓度(20波美度);

(3)混合配置浆液：将稀释好的水玻璃缓缓加入到硫酸中，边加边搅拌，防止因局部水玻璃浓度过大结块。

3. 施工工艺

3.1 注浆机具设计及应用

根据改性水玻璃注浆工艺要求，设计加工了注浆工具——牛角泵(如下图示)，经试压检验后投入使用。其他辅助工具还有：500L塑料容器(3个)，搅拌棒，高压风管等。

3.2工艺流程

(1) 地层加固的注浆工艺流程为:

注浆工艺中的几个重要环节：

(1) 稀硫酸溶液配制过程中，注意佩带防护用具，严禁将水加入到浓硫酸中。

(2) 将水玻璃加入稀硫酸中应缓慢加入并不断搅拌，防止局部H2SiO3·2H2O浓度过大产生絮状沉淀。

(3) 加入注浆液前应先送风，检验机具气密性，同时将超前小导管中的砂土排除。

(4) 打开风压阀门实施注浆时，最好采用二次送风(间隔3—5min)，可以将浆液压入导管中排出管中气体，并让浆液有一定的扩散时间。

(2)采用改性水玻璃对地层进行加固，能收到以下较好效果(与水泥—水玻璃双液浆相比较)：

(1) 工艺简单，可操作性强：采用水泥水玻璃双液浆作为注浆材料，是选用持续压力注浆，注浆过程需要持续稳定压力才能保证浆液扩散效果，达到预期加固目的，因此需要用喷射混凝土对掌子面进行封闭处理，并且下一循环施工时需对喷射混凝土层进行破除，浪费了工时，降低了作业效率。而改性水玻璃浆液注入到超前小导管后，依靠浆液自身的渗透性扩散到超前小导管周围的砂层中，从而达到地层加固的效果，施工不需要长时间持续压力，也不需要大面积封闭掌子面，操作简单。

(2) 浆液扩散范围大，加固效果好。改性水玻璃是均一稳定的溶液，除浆液配制过程中产生的极少量絮状H 2Si O3·2H 2O外，其他成分为Na2 SO4和H2 Si O3的溶液，同时大量的SO42-减短了硅氧四面体(-SiO32—-)的链状结构，降低了水玻璃的黏度，比含有水泥颗粒的悬浊液性质的水泥—水玻璃双液浆具有更强的渗透性，因而扩散范围更大，在中粗砂层中的扩散半径可达20厘米，较好地控制了拱顶砂层的滑落、坍塌。

(3) 省时节料，经济效果明显：采用改性水玻璃注浆工艺从打设超前小导管到注浆结束的正常耗时30—40min，而水泥—水玻璃注浆工序则需要90—110min，每个工作循环可节省工时1个小时。同时，经简单计算，在该工程320米区间隧道施工中采用改性水玻璃注浆工艺，仅从提高注浆效果控制超挖超喷和节省封闭掌子面两方面就可以节约C20喷射混凝土300多立方，节约成本近30万元。

4. 注浆加固效果影响因素分析

地层加固 篇7

照壁山隧道位于新建兰新铁路双线甘青段, 隧道起讫里程DK253+792~DK259+116, 全长5 324 m, 为双线隧道, 洞内线路纵坡为20‰的单面上坡。隧道地处大阪山中高山区, 平均海拔2 800 m, 最高海拔3 489.5 m。隧道DK258+070~DK257+890段原设计采用Ⅳa-2型衬砌类型及支护参数, 局部设42小导管超前支护, 小导管环向间距0.5 m, 单根长4 m, 纵向间距3 m, 台阶法施工。2013年7月隧道出口端上台阶施工到DK257+960时掌子面右拱腰处斜上方发生碎屑流 (见图1) , 涌出碎屑流约280 m3, 发生碎屑流后现场立即采用喷混凝土封闭掌子面, 停止施工。为确保施工安全和进度, 须对碎屑流地层围岩进行加固处理。

2 地质勘探情况

隧道DK258+070~DK257+890段原设计地层岩性为石英片岩夹片麻岩, Ⅳ级围岩。掌子面施工至DK257+962时, 对掌子面前方30 m采用地质雷达进行了前方围岩预报工作。

经过对掌子面的3次探测结果进行比较分析, 在掌子面前方30 m范围围岩推断的结果为:DK257+962~DK257+950段, 长度12 m, 该段围岩介质分布不均匀, 岩体破碎、有大量裂隙发育丰富, 围岩自稳性较差, 有含水异常反应且可能以裂隙水出现。DK257+950~DK257+942段, 长度8 m, 该段围岩整体性极差, 岩体松散, 开挖时掌子面可能会产生局部坍塌, 岩体裂隙发育明显并且伴有裂隙水, 也可能会出现局部涌水现象。DK257+942~DK257+932段, 长度10 m, 该段围岩相对较前一段围岩有所好转, 但裂隙发育丰富, 前方可能会有大量裂隙水富集, 对开挖过程造成不便。

超前探孔探测地层情况:现场采用履带式潜孔钻在上台阶左、右侧各打设了1个31 m深超前探孔, 根据钻进速度、钻出碴样及孔内出水情况判断前方地层情况, 与雷达探测结果基本一致。

3 围岩加固处理技术

前期在开挖过程中, 采用超前小导管注水泥水玻璃双液浆施工, 但在注浆过程中由于注浆压力有限, 扩散半径有限, 且漏浆现象频繁发生, 固结范围较小, 不能对周边围岩进行有效的加固, 注浆完成后, 在开挖过程中, 拱顶掉块、流沙的现象时有发生, 对施工进行影响较大。经现场勘察, 决定对前方围岩采用深孔注浆法进行加固, 同时增加超前大管棚施工, 通过超前大管棚刚性支护, 保证隧道开挖及结构安全。DK257+962~DK257+950段, 施工时加强隧道拱部围岩的超前支护措施, 防止坍塌发生;DK257+950~DK257+942段, 开挖时要做好超前导管的支护工作;DK257+942~DK257+932段, 应对拱顶、拱腰做好超前导管的支护措施, 防止掌子面开挖时局部出现失稳和坍塌现象, 还应注意观察围岩中含水量的变化情况, 及时采取排水措施。同时, DK257+960~DK257+940段, 共计20 m, 按Ⅴb-2衬砌类型及支护参数组织施工, 全断面设1榀/0.6 mⅠ20a型钢钢架, 采用三台阶法开挖, 必要时预留核心土。

3.1 超前深孔注浆加固

通过对掌子面上台阶进行深孔注浆, 加固坍塌体, 在隧道开挖轮廓线外形成一定厚度具有一定抗水压能力的稳定固结体, 从而达到稳定围岩保证结构安全的目的。由于该掌子面土体内及周边围岩施作有原来初期支护, 因此在边界条件下浆液扩散控制及穿越钢拱架钻孔是该方案的重要控制点及难点。

加固采用的水泥浆液配比:按固结体强度设计, 采用的水灰比为1∶1和0.75∶1两种。

注浆施工参数:压力达到3 MPa~4 MPa时, 持压3 min~5 min, 即可结束单孔注浆。

注浆孔径115 mm, 孔间距80 cm~100 cm。注浆孔口管:管长1.5 m直径108 mm, 无缝钢管加工。

注浆加固采用SM-14多功能地质钻机对掌子面进行加强注浆, 终孔位置拱、墙在开挖轮廓线外5 m, 浆液扩散距离1.8 m, 共计布设注浆孔33个 (见图2) 。

3.2 管棚支护

拱部140°范围内沿开挖轮廓线布置超前大管棚。在注浆结束后开始施作大管棚。采用无管棚工作间施工工法, 纵向长25 m, 开挖轮廓线向内30 cm环向布置, 开孔环向间距50 cm, 外插角3°~5°, 共布设23根管棚, 管棚孔可兼作上断面补充注浆孔。大管棚采用外径89 mm, 壁厚5 mm热轧无缝钢管加工, 管节长度4.6 m, 沿管壁布设4排6 mm对称溢浆孔, 梅花形布设, 孔间距50 cm, 每根管棚末端2.5 m不布设溢浆孔, 前端加工成锥形尖端并封闭。采用76 mm、壁厚4 mm热轧无缝钢管套入89 mm管棚, 焊接连接顶入孔内。管棚安设完成后进行全孔一次性注浆。

4 关键技术及质量保证措施

钻孔过程中如遇到涌水, 单孔出水量小于2 m3/h, 继续钻进;若水量在2 m3/h~5 m3/h, 则注意观察水量变化情况, 并依据水量决定是否注浆;若水量在5 m3/h~10 m3/h, 则停止钻进, 退出钻杆, 进行注浆;若水量大于10 m3/h, 则不退钻杆, 封闭孔口, 通过钻杆直接注浆。配制浆液严格按照制浆要求按顺序投料, 不得随意增减数量;水泥在倒入搅拌桶前剔除杂物, 要在倒入口安装过滤筛。水泥浆搅拌好放入储浆桶后, 在吸浆过程中要不断地搅动, 防止浆液离析, 影响配比参数。注浆泵吸浆头要安设吸浆笼头或用纱网包裹, 防止浆液堵塞吸浆头。注浆管路连接完后, 要检查注浆管路的密闭性和各种连接的牢固性;注浆开始时, 先打开进浆阀, 再关闭泄浆阀;注浆结束时, 先关闭进浆阀, 再打开泄浆阀, 待泄压后清洗管路并拆卸注浆管路。

注浆过程中, 若地层吸浆量很大时, 注浆压力长时间不上升, 可通过调整浆液配比, 缩短浆液凝胶时间, 以达到控制注浆范围的目的;若注浆压力突然上升, 应立即停止注浆泵, 打开泄浆阀泄压, 找明原因后再决定该孔是否继续注浆, 如因管路堵塞, 则清除故障后继续注浆, 如管路未堵塞, 接管注浆时仍旧出现压力突然上升, 可结束该孔注浆;若跑、漏浆现象严重时, 可通过间歇注浆技术或通过调整浆液配比缩短凝胶时间的方法进行封堵。注浆过程中, 要严格按照设计的段长进行分段注浆, 不得任意延长分段长度, 必要时可进行重复注浆, 以保证注浆质量;要保持注浆管路畅通, 防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断, 注浆结束后, 一定要清洗管路。

5 安全保证措施

注浆压力不宜过高, 达到设计注浆压力即可停止注浆, 避免过多的扰动地层;建立有一定排水能力的排水系统, 防止施工中大量涌水形成危害, 做好抢险准备工作;每一孔注浆完成后, 先泄压, 再拆管, 防止注浆管内高压伤人;注意用电安全, 做好高空作业防护, 避免发生人身伤害事故;超前支护机械工作平台应坚实可靠, 防止施工中机械倾覆;加强监测, 在钻孔、注浆过程中加强洞内量测和检查, 随时掌控围岩变形情况, 如发现围岩变形异常, 立即采取措施;建立工作面安全警报系统和通信系统, 出现险情, 立即报警, 组织现场人员撤离。

6 加固效果

通过深孔注浆法加固前方围岩和超前大管棚的刚性支护, 很好地提高了胶结体的承载能力, 破碎地层得到有效加固改良, 出水量明显减少, 确保了围岩的稳定性。经后期隧道施工开挖验证, 断面基本处于稳定状态, 浆液的填充情况良好, 围岩注浆效果非常明显 (见图3) , 达到了预定的设计要求, 照壁山隧道施工进度得到了有效保证。

7 结语

工程实践证明, 采用深孔注浆及超前大管棚支护的方案对隧道碎屑流地层围岩进行加固的应用是成功的, 此方案为隧道施工安全、顺利贯通创造了条件, 为同类软弱破碎围岩隧道的施工提供了参考, 具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[2]肖书安.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报, 2004, 1 (2) :65-67.

地层加固 篇8

莲塘村站- 清布站区间隧道采用土压平衡盾构法沿迎宾大道敷设, 总体上呈南北走向。区间两端车站均为地下两层岛式车站, 盾构自莲塘村始发, 途径商业大道、 田美路、 青石河、清布大道、镜湖大道, 临近站位前转向东南到达清布站出洞。莲塘村站- 清布站左线里程范围:ZDK12+849.550~ZDK14+007.056, 线路总长1 170.343m; 右线里程范围:YDK12+849.55~YDK14+007.000, 线路总长1 181.489m。区间内两线最小线间距为13m, 纵断面为V型坡, 最大纵坡8.7‰, 最小纵坡5.057‰, 隧道覆土厚度9~12m。

盾构本次停机位置在左线第735 环。地面为迎宾大道和田美东路交叉口上, 隧道上方地面为车行道, 用围挡围蔽。

区间处于冲洪积平原, 区域分布土层主要为冲洪积砂层、粉质粘性土层、残积层以及石炭系岩层风化带。基岩起伏较大, 空间分布呈西边深, 东边浅, 在灰岩与炭质灰岩的接触带上溶洞发育。砂层富含孔隙水, 保气能力和自稳能力差, 围岩条件复杂。区间内地下水量丰富, 包含上层滞水、孔隙水、溶洞水和裂隙水, 且溶洞水和孔隙水连通, 水文地质条件较为复杂。地铁沿线地表为交通干道, 车流量大, 地面无作业条件。

2 重难点分析及方案选择

2.1 砂层中换刀存在的重难点

传统的换刀方法已能够满足大部分土压平衡盾构的开仓换刀施工, 但当盾构处于砂层, 且无地面施工作业条件时, 盾构的开仓换刀施工面临以下困难:①砂土地层的自稳能力差、漏气严重且富含孔隙水, 如若不进行仓前土体加固则无法保证开仓时掌子面稳定;②沿交通主干道敷设的地铁隧道, 其上部地面交通繁忙, 地面施工条件限制, 无法采用高压旋喷桩加固换刀处土体。如若塌方, 对路面交通也将造成很大的影响;③注浆加固法注浆口极易堵塞, 且无法有效防止螺旋输送机内的水泥砂浆的硬化, 容易造成设备破坏;④盾构土仓内硬化后的水泥砂浆的加固体较难破除, 换刀施工效率低、工期长;⑤填仓时难以保证土仓内被完全填满;⑥开仓换刀时, 土仓面临渗水流土、掌子面坍塌甚至地陷等众多安全隐患。

故在砂土地层中的土压平衡盾构的填仓换刀施工需要针对以上诸多难点、重点, 做好应对措施, 保证施工安全、顺利进行。

2.2 填仓的总体方案选择

本工程所残积砂层自稳能力差, 地表为城市交通主干道, 无地面加固条件, 无法对盾构进行常压换刀。同时填仓换刀法需要破除仓内加固体, 难度大、耗时长。所以对于砂土地层中无地面加固条件下的盾构填仓换刀施工, 为防止注浆时设备堵塞, 加快施工进度, 本工程决定选用不同胶结时间填仓加固的新方法。换刀时, 尽量避免在围岩含水量大的地段进行换刀作业, 根据盾构掘进参数变化、沿线地质勘查以及出土渣样分析, 合理的选择盾构开仓检查换刀的地点, 在盾构到达预定地段后进行换刀作业。并根据检查情况确定是否需要对刀盘进行维护、更换磨损的刀具及清除泥饼作业。新方法的具体注浆工艺如图1 所示。

3 施工方法

3.1 地质调查

地质调查须确定盾构开仓时刀盘所处位置地层分布情况, 地质条件和水文地质条件。同时调查盾构刀盘上部地面状况, 确定是否有地面加固条件。本工程盾构刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布为: 厚度为5m的石灰岩地层、 厚度为10.5m的砂层及厚度为4.5m的素填土层。盾构刀盘完全处于砂层中, 渗透系数为10m/d。盾构上部地表为迎宾大道, 交通繁忙、车流量大, 开仓换刀时无地面加固条件。

3.2 填仓施工

砂土地层自稳定性差, 孔隙水丰富且渗透系数大, 直接开仓换刀有可能导致流砂、掌子面坍塌等众多安全隐患, 若发生地陷将危及地面交通。为了保证开仓换刀的安全, 需要对仓内进行地下注浆加固并输出渣土泥浆, 如图2 所示。同时, 为防止注浆设备堵塞, 采用不同胶结时间填仓的方法。连接袖阀管之后, 首先向仓内注入膨润土泥浆, 再带气注入水泥浆并排出仓内空气直至土仓填满排出水泥砂浆, 最后向土仓前部水泥砂浆注速凝剂, 向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂, 本工程具体施工步骤如下。

1) 膨润土泥浆注浆排渣本工程通过土仓内位于3 点位和12 点位的球阀向土仓内注入钙基膨润土和水配制的膨润土泥浆, 体积配比为1∶3。注入量为土仓体积的15%, 土仓体积为30m3, 即注入量为4.5m3。转动螺旋输送机输出土仓内的渣土泥浆, 直至渣土泥浆完全排出, 即螺旋输送机不再输出渣土泥浆。输出渣土泥浆过程中, 保持土仓内压力稳定在0.06MPa。带压输出渣土泥浆注浆结束后, 保持0.06MPa的土仓内压力, 用棉絮将刀盘切口环处前盾与土体之间的缝隙塞紧, 并采用堵漏灵进行封堵。

2) 水泥砂浆填仓用水泥砂浆继续注入土仓与膨润土泥浆混合加固土仓, 并通过刀盘加固仓前土体。本工程将水泥砂浆从12 点位球阀向土仓内加注;同时打开3 点位和9 点位球阀缓慢释放空气, 直至排出水泥砂浆;关闭3 点位和9 点位球阀, 继续加注水泥砂浆, 采用1 点位球阀缓慢释放空气。用水泥砂浆置换空气过程中, 将土仓内压力保持在0.06~0.07MPa, 水泥砂浆填满土仓后, 停止注水泥砂浆, 关闭1 点位球阀。填水泥砂浆过程中间隔20 分钟反转螺旋输送机, 防止螺旋输送机卡死。本工程水泥砂浆中砂与水泥质量之比取0.75, 水与水泥质量比取1.18。

3) 注入速凝剂和缓凝剂为了使仓前水泥砂浆先于仓内硬化, 稳固掌子面岩土体, 须通过刀盘在仓前位置注入速凝剂;同时减缓仓后水泥浆的凝固, 将未硬化水泥浆输出, 留出开仓换刀的操作空间, 便于施工操作, 因而须在仓后注入缓凝剂。本工程首先通过9 点位球阀、2 点位球阀、3 点位球阀和人闸泄压孔同时向土仓前部的水泥砂浆注速凝剂浆液, 速凝剂与水泥的质量比为5%, 速凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的3.33%, 即340L, 拔出袖阀管;再通过9 点位球阀、12 点位球阀、3 点位球阀和人闸泄压孔向土仓后部水泥砂浆注缓凝剂浆液, 缓凝剂与水泥用量的质量比为0.23%, 缓凝剂浆液的总注入量为土仓内水泥砂浆中水泥用量的0.31%, 即32L。

3.3 清仓换刀

12h后, 待土仓前部水泥砂浆完全硬化, 土仓后部水泥砂浆尚未硬化时, 转动螺旋输送机输出土仓内的未硬化的水泥砂浆, 直至不再输出水泥砂浆。用风镐由下往上凿除凝固的水泥砂浆, 把土仓清理干净, 此时不凿刀盘开口;保证刀盘面完整性并从下往上进行刀具更换, 换刀时稳固安装台面, 拆开螺栓和自锁螺母, 移除旧刀, 更换新刀, 上紧螺栓。换刀过程中如有漏水, 采用棉絮和堵漏灵进行封堵。盾构刀盘上全部刀具更换完成后, 试转螺旋输送机, 螺旋输送机运行正常, 盾构恢复掘进。

4 结语

盾构在砂土地层中开仓换刀时, 土仓面临砂层保气能力弱、自稳能力差及孔隙水丰富的问题。本文总结了广州地铁9 号线4 标莲塘村站~清布站区间在富水砂层中填仓换刀的施工经验, 通过控制仓前及土仓内水泥砂浆的胶结时间, 使仓前土体先于仓内加固, 有效避免了困难的超前注浆施工作业, 并且降低了土仓内硬化体的破除难度, 大幅减少了清仓作业量, 加快工期进度, 同时明确了注浆施工作业方式, 防止螺旋输送机内的水泥砂浆硬化造成的设备破坏。因而是一种施工时间短, 效率高, 安全性强的仓内加固方法。

参考文献

[1]李宏安.砂—粘复合地层土压平衡盾构隧道开挖面稳定性研究[D].北京:中国地质大学, 2013.