水平旋噴樁在深圳地鐵大—科區(qū)間流塑狀粘性土中的應(yīng)用

1、水平旋噴樁在深圳地鐵大科區(qū)間流塑狀粘性土中的應(yīng)用     摘要介紹水平旋噴樁超前預(yù)加固技術(shù)在深圳地鐵大劇院科技館區(qū)間不良地質(zhì)地段中的應(yīng)用,重點闡述水平旋噴樁加固機(jī)理、施工工藝和效果。     關(guān)鍵詞地鐵軟弱圍巖水平旋噴樁預(yù)加固 1 概述      在軟弱、松散、富水地層中修建地下工程,采用超前預(yù)加固輔助工法已得到地下工程界的廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。目前,超前預(yù)加固方法主要有超前小導(dǎo)管、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿、大管棚、深孔注漿、水平旋噴樁、水平攪拌樁和水平凍結(jié)等。在工法選取上應(yīng)根據(jù)不同水文、

2、地質(zhì)、周邊環(huán)境進(jìn)行安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對比和適用、成熟可靠條件分析,進(jìn)行動態(tài)設(shè)計,合理選用。      深圳地鐵大科區(qū)間位于深圳市主要干道深南大道正下方,單線長1 144. 7 m , 埋深1019 m , 分左右2 條單線隧道,線間距13. 217. 2 m 。其中SK3 + 210 S K3 + 315 段通過不良地質(zhì),該段埋深1517 m , 上覆素填土、粉質(zhì)粘土、礫砂層、礫質(zhì)粘性土、流塑狀粘性土,其中流塑狀粘性土侵入隧道斷面36 m 。該地段土體自穩(wěn)能力極差,土層中局部存在囊體,囊體內(nèi)充填水和泥沙混合物,在隧道開挖過程中會毫無征兆地噴發(fā),泥

3、沙俱下,導(dǎo)致土體失穩(wěn),引起險情。      受環(huán)境制約,該地段不允許進(jìn)行地表降水和注漿加固,洞內(nèi)起初僅采用小導(dǎo)管加密注漿,但效果甚差, 安全、質(zhì)量、進(jìn)度無法保證,一度處于停工狀態(tài)。2001 年10 月22 日,50 多位地下工程界的專家、學(xué)者會聚深圳,聯(lián)手“把脈會診”,經(jīng)過綜合論證,建議優(yōu)先選用水平旋噴樁并輔以小導(dǎo)管注漿加固的施工方案。目前工程進(jìn)展順利,該段二次襯砌施工完畢,達(dá)到了“安全、經(jīng)濟(jì)、快速、優(yōu)質(zhì)”的目標(biāo)。2 水平旋噴樁加固機(jī)理      水平旋噴樁是以高壓泵為動力源,通過水平鉆機(jī)鉆桿、

4、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內(nèi),噴射流以巨大的能量將一定范圍內(nèi)的土體射穿,并在噴嘴作緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的同時切割土體,強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合,待漿液凝固后,便形成水平圓柱狀水泥土固結(jié)體,即水平旋噴樁。當(dāng)旋噴樁相互咬接后,便以同心圓形式在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體, 起到了防流沙、抗滑移、防滲透的作用,保證了隧道掘進(jìn)安全。水平旋噴樁具有以下特點。(1) 可控性水平旋噴樁的漿液局限在土體破壞的范圍內(nèi),漿液的注入部位和范圍是可以控制的,可通過調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)(切削土體壓力,固化材料的注入速度,配比,注入量等) 獲得滿足設(shè)計要求的固結(jié)體。(2) 均勻性噴射流在能量衰減前使其射流交匯, 在碰撞點切

5、削能量相互抵消,以致比樁心到碰撞點距離大的地方射流已無能力切削土體,所以加固體均勻程度好。(3) 成本低、效率高由于限定注入范圍,相對注入量大幅減少,每m 水泥用量僅為100150 kg , 施工速度比大管棚或深孔注漿提高2 倍3 倍,周期縮短。(4) 效果好具有提高復(fù)合土體強(qiáng)度、防滲、抗滑、預(yù)支撐等多重效果。3 水平旋噴樁超前預(yù)加固方案      通過室內(nèi)模擬試驗、現(xiàn)場試驗、理論分析以及專家意見,確定了在大科區(qū)間流塑狀粘性土地段采用“周邊單層咬合水平旋噴樁加固為主,特別困難地段雙層以小導(dǎo)管注漿為輔,工作面采用間隔水平旋噴樁”的超前預(yù)加固方案。

6、(1) 加固范圍      采用SIR 2000 型地質(zhì)雷達(dá)(美國GSSI 公司) 、工作面素描和洛陽鏟相結(jié)合的方法,對開挖面前方地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報,根據(jù)預(yù)報結(jié)果結(jié)合地層界線確定周邊水平旋噴樁預(yù)加固范圍。一般情況下拱部150°范圍,對于流塑狀粘性土侵入隧道下部的加固范圍適當(dāng)調(diào)整至180°270°。工作面加固范圍為開挖面上臺階核心土及弧形導(dǎo)坑內(nèi)緣(圖1 、圖2) 。  圖1 水平旋噴樁加固示意(縱斷面) ( 單位:m)  圖2 水平旋噴樁加固示意(橫斷面) ( 單位:m) (2)

7、 主要設(shè)計參數(shù)       周邊旋噴加固體的直徑為500 mm , 孔深15 m , 考慮不設(shè)擴(kuò)大工作室,為減少周邊破樁工作量,樁尾3. 0 m 范圍只成孔,不旋噴成樁,實際成樁長度12 m 。縱向搭接長度1. 5 m , 環(huán)向間距在開孔處0. 33 m , 終孔處0. 4 m , 外插角5°8°(視地質(zhì)及線路坡度調(diào)整),相鄰加固體咬合厚度大于10 cm 。施工一循環(huán)旋噴樁,開挖初支進(jìn)尺10. 5 m 。      為減少前方土體滑移引起工作面失穩(wěn), 加劇結(jié)構(gòu)變形和地表沉降,

8、 工作面亦設(shè)置水平旋噴樁, 樁間距1 1. 5 m , 樁長L =L 1 + L 2 + H ×tan ( 45°-/ 2)= 14. 3 m , 取15 m (L 1 為循環(huán)長度10. 5 m ; L 2 為錨固長度2 m; H 為上臺階開挖高度3 m; 為內(nèi)摩擦角15°) 。      周邊小導(dǎo)管注漿間距為0. 33 0. 4 m , l = 3. 5 m ,縱向搭接不小于2. 0 m 。設(shè)置在相鄰旋噴樁加固體的咬合處, 漿液采用CS 雙液漿, 水灰比為0. 8 1 , 體積比1 1 , 水玻璃15 20 Be

9、。4 各工序技術(shù)要點( 1) 施工參數(shù) 鉆桿鉆進(jìn)速度:0. 25 0. 35 m/ min; 鉆桿(軸) 的轉(zhuǎn)速:70 120 r/ min ; 水泥漿配合比: m C m W = 1 0. 7 ; 每延米水泥用量:75 kg; 鉆桿每節(jié)長3 m , 外徑50 mm , 旋噴鉆頭外徑90 mm , 噴射頭單孔孔徑2 mm; 旋噴壓力:20 25 MPa 。(2) 施工準(zhǔn)備      封閉上臺階和下臺階工作面,噴混凝土厚度不小于20 cm , 精確測量中線、水平,搭設(shè)工作平臺,平臺上鋪設(shè)竹夾板和枕木,將鉆機(jī)、高壓泵及其他機(jī)具一字排列就位。設(shè)置臨時

10、邊溝及廢漿池。(3) 漿液配制      漿液嚴(yán)格按設(shè)計配合比配制,充分拌和均勻,拌和時間不少于3 min , 水泥漿從攪拌機(jī)倒入貯漿桶前要經(jīng)篩過濾,以防出漿口堵塞。(4) 鉆孔及旋噴      按照“先周邊,后工作面”順序進(jìn)行旋噴施工,周邊按照每次間隔1 個,孔位從下到上,左、右交替進(jìn)行。跳躍式成樁,兩邊強(qiáng)度平衡,可以減少因鉆桿偏移造成樁間咬合率低的問題。      按設(shè)計外插角,分孔計算每根樁的偏角和仰角,利用三維坐標(biāo),使鉆機(jī)精確定位。開孔時

11、慢進(jìn),鉆至1 m 后,按正常速度鉆至設(shè)計深度;當(dāng)漿液從噴嘴噴出并達(dá)設(shè)計壓力后開始旋噴,樁前端原地旋噴不少于30 s 。為保證樁徑和樁間咬合,彌補(bǔ)目前國內(nèi)水平鉆旋噴作業(yè)退進(jìn)速度快的不足,采用復(fù)噴工藝(即退1 次,進(jìn)1 次,再退1 次,共計3 次旋噴作業(yè)),復(fù)噴的次數(shù)越多, 固結(jié)體的增徑效果越好,咬合率越高。樁前端受外插角的影響,為確保加固效果,前端旋噴時加大壓力或降低噴嘴的旋轉(zhuǎn)提升速度。當(dāng)旋噴至孔口3 m 時停止, 并立即退出鉆桿,用棉紗塞堵孔口,以防漿液外泄。旋噴完畢后及時清洗管路和機(jī)械,廢漿外運。(5) 冒漿處理工藝      在旋噴過程中,

12、往往有一定數(shù)量的土顆粒隨著一部分漿液沿著注漿管管壁冒出,通過對冒漿的觀察,可以及時了解地層狀況,判斷旋噴的大致效果和評定旋噴參數(shù)的合理性等。根據(jù)經(jīng)驗, 冒漿量小于注漿量20 %30 % 為正?，F(xiàn)象,超過30 % 或完全不冒漿時, 應(yīng)查明原因及時采取措施。      旋噴流量不變而壓力突然下降時,應(yīng)檢查各部位的泄漏情況,必要時拔出注漿管,檢查密封性能。出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時,若系土質(zhì)松散則視為正?，F(xiàn)象,可適當(dāng)進(jìn)行復(fù)噴;若系附近有空洞,則應(yīng)不提升注漿管,繼續(xù)注漿直至冒漿為止,或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿至冒漿為止,或采用速凝漿液,使?jié){液在注漿管

13、附近凝固。      冒漿量過大主要原因是有效噴射范圍內(nèi)注漿量大大超過旋噴固結(jié)所需的漿量,可采用提高噴射壓力(噴漿量不變) 或適當(dāng)縮小噴嘴直徑(噴射壓力不變),加快提升和旋轉(zhuǎn)速度等措施。5 旋噴加固效果(1) 在大科區(qū)間先后進(jìn)行了4 次現(xiàn)場試驗,旋噴固結(jié)體的直徑最小40 cm , 最大可達(dá)70 cm , 平均值滿足設(shè)計要求(地層越軟弱,樁徑越大) 。固結(jié)體強(qiáng)度接近C10 素混凝土,比固結(jié)前原狀土強(qiáng)度增加110 倍, 固結(jié)體彈性模量提高814 倍; 樁間咬合率達(dá)80 % 以上,形成了較好的拱殼支護(hù),在開挖過程中(循環(huán)進(jìn)尺0. 7 m) 能夠承受開

14、挖線外土柱的壓力,保證了掘進(jìn)安全。(2) 固結(jié)體周圍土體得到了擠壓和加固,土體孔隙比減小,抗?jié)B能力得到提高。旋噴樁預(yù)加固地段,初支滲水明顯減少,為復(fù)合防水層及二襯施工提供了較好的外部環(huán)境。(3) 通過三維有限元模擬試驗,旋噴加固地段土體穩(wěn)定性得到了明顯提高,洞周塑性區(qū)范圍明顯減少,由于旋噴樁拱棚有效的承載作用,圍巖壓力減少,初期支護(hù)和二襯受力更趨均勻合理。(4) 地表下沉和拱頂下沉得到有效控制。從量測      數(shù)據(jù)分析,地表沉降可減少51 % , 洞內(nèi)拱頂下沉減少 54 % 。在SK3 + 355 經(jīng)過煤氣管處,采用周邊雙層旋噴樁和工作面旋噴

15、加固,按照“短臺階、小步距、快開挖、快支護(hù)、快封閉、快通過”施工原則,增設(shè)臨時仰拱和加密鎖腳導(dǎo)管,及時進(jìn)行背后注漿,在流塑狀地層中控制煤氣管下沉量僅為26. 9 mm , 保證了煤氣管的安全。(5) 通過規(guī)范管理,嚴(yán)格施工工藝、施工組織,水平旋噴樁預(yù)加固不僅能安全、優(yōu)質(zhì)通過不良地質(zhì),而且施工進(jìn)度亦能保證。在大科區(qū)間流塑狀粘性土地段, 共施工旋噴樁11 000 m , 該工藝得到了很好的推廣和應(yīng)用。每根樁施工時間約為2 h , 每循環(huán)時間為3 d , 在旋噴樁加固流塑狀粘性土地層中月掘進(jìn)進(jìn)尺30 m 左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用大管棚或深孔注漿進(jìn)行預(yù)加固的施工進(jìn)度。正洞施工初期,在流塑狀粘性土地段多次試圖采用小導(dǎo)管注漿加固圍巖開挖掘進(jìn),但步步艱辛,險情不斷。后通過專家論證采用水平旋噴樁,施工進(jìn)展順利,搶回一度滯后的157 d 工期。隧道采用水平旋噴樁每m 增加費用6 000 元8 000 元,低于大管棚、深孔