深基坑止水帷幕TAM管灌漿施工工法

1、深基坑止水帷幕TAM（Tube-A-Manchette）管灌漿工法1. 前言TAM管灌漿施工工法是一種結(jié)合壓密注漿、劈裂注漿等現(xiàn)代灌漿理論而發(fā)展形成的新型地表垂直深層灌漿施工技術(shù)。TAM管灌漿法通過較大的壓力將漿液注入巖土層中，灌漿芯管上下的止?jié){塞可實現(xiàn)分段分層灌漿，可根據(jù)施工需要選擇連續(xù)或跳段灌漿，使得松散的地層和較密實的地層均得到很好的灌漿加固效果，避免了以往的灌漿工藝在松散地層和較密實地層同時存在時，松散地層灌漿量大，較密實地層注不進(jìn)漿的現(xiàn)象的發(fā)生。TAM管灌漿法一般用于深度50m以內(nèi)的地表灌漿，在地質(zhì)情況比較復(fù)雜的情況下，該技術(shù)有很好的應(yīng)用效果。TAM管灌漿法具有在灌漿區(qū)域內(nèi)任一段反復(fù)

2、灌漿以及同一根TAM管內(nèi)可采用不同灌漿材料等顯著優(yōu)點，施工實踐證明TAM管灌漿技術(shù)安全可靠，經(jīng)過總結(jié)提高，形成此工法。2. 工法特點2.1 鉆孔、灌漿可采取平行作業(yè)方式，提高施工效率。2.2 灌漿芯管具有上下兩個止?jié){塞形成的止?jié){系統(tǒng)，能將漿液限定在灌漿區(qū)域的任一段范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿。止?jié){系統(tǒng)在光滑的TAM管內(nèi)可自由移動，一般由下而上，達(dá)到分段灌漿的目的，可據(jù)地層情況調(diào)整灌漿長度，選擇連續(xù)或跳段灌漿，每個灌漿長度一般固定為3050 cm。2.3 可根據(jù)地層特點，在某一段灌漿區(qū)域內(nèi)反復(fù)灌漿，或在灌漿管內(nèi)不同區(qū)段采用不同的灌漿材料，選用不同的灌漿壓力進(jìn)行灌漿。灌漿壓力較小時漿液擴(kuò)散沿灌漿孔的水平方向多于

3、垂直方向，可有效地壓密土體；灌漿壓力較大時漿液擴(kuò)散沿灌漿孔的垂直方向多于水平方向，可在土體中產(chǎn)生劈裂效應(yīng)。2.4 由于外皮漿的作用，采取較大的灌漿壓力時，發(fā)生冒漿和串漿的可能性小。3. 工法關(guān)鍵技術(shù)3.1 根據(jù)各個區(qū)域不同地質(zhì)水文條件特性，選擇不同的灌漿參數(shù)和灌漿材料進(jìn)行灌漿。灌漿施工一般穿越粉質(zhì)粘性土層、中細(xì)砂層、粗砂礫層、殘積層和破碎帶等不同地質(zhì)構(gòu)造，而各種地層的吸漿能力，以及漿液在地層中的擴(kuò)散作用機理也不盡相同，采用不同的灌漿材料和灌漿參數(shù)對灌漿效果有著決定性作用。3.2 灌漿采取定壓定量雙控指標(biāo)，保證灌漿效果，控制地表隆起。灌漿控制標(biāo)準(zhǔn)主要以壓力控制為主，以每次灌漿量和總灌漿量為輔，灌

4、漿施工中應(yīng)通過現(xiàn)場監(jiān)測對灌漿參數(shù)及漿液配方作進(jìn)一步確定，根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整，確保灌漿效果。3.3 TAM管的灌漿步距和溢漿孔布設(shè)間距，可根據(jù)灌漿施工中所選擇的灌漿材料和地層的特性進(jìn)行設(shè)置，從而達(dá)到理想的灌漿效果。4. 適用范圍本工法適用于各類填土、砂土、淤泥質(zhì)、粉質(zhì)粘性土、全（強、中）風(fēng)化、斷層破碎帶等地層，富水和流動水條件下基坑工程的止水帷幕施工。針對淤泥質(zhì)等軟弱地層，該工法是目前被國內(nèi)外公認(rèn)的最可靠的灌漿方法，著名的英吉利海峽隧道，法、日、意等國以及臺灣、香港地鐵工程均使用過該灌漿方法。5. 工藝原理TAM（Tube-A-Manchette）灌漿工法通過TAM管和灌漿芯管組成的灌漿系

5、統(tǒng)對土層進(jìn)行分次灌漿，有效地填補地層空隙，并可以通過二次灌漿彌補灌漿缺陷，使地層得到有效的加固止水效果。漿液經(jīng)過灌漿泵加壓后進(jìn)入灌漿芯管，聚集到TAM管灌漿管段，然后通過TAM管上鉆有的泄?jié){孔，在內(nèi)壓力的作用下，將包裹在泄?jié){孔外的橡膠圈脹開、外皮漿擠碎。當(dāng)壓力逐漸增大到一定程度，被加壓的漿液就會沿著地層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生充填、滲透、壓密、劈裂流動，此時由于供漿量小于進(jìn)入量，壓力會自動回復(fù)到平衡狀態(tài)，續(xù)后的漿液在壓力作用下，使得劈裂裂縫不斷向外延伸，漿液在土體中形成固結(jié)體，從而達(dá)到增加地層強度，降低地層滲透性的目的。逐次提升或降低灌漿芯管即可實現(xiàn)分段灌漿，TAM管灌漿原理如圖1所示。 圖1 TAM灌漿原理

6、6. 工藝流程及操作要點6.1 TAM灌漿法施工工藝流程圖TAM管灌漿工法主要施工流程包括放樣定位和鉆孔、插入TAM管、灌注外皮漿、壓力分段灌漿等。施工工藝流程圖見表1及圖2。表1 TAM灌漿法施工工藝流程圖圖2 TAM灌漿法施工工藝示意圖6.2 鉆孔及灌漿設(shè)備就位用全站儀通過基點坐標(biāo)引入輔助坐標(biāo)點，再通過這些坐標(biāo)點，采用拉線和鋼尺量測的方法定出鉆孔孔位。鉆機就位后，應(yīng)使其平整穩(wěn)固，開鉆前對鉆桿的垂直度進(jìn)行檢測，在利用平水尺或角度器把鉆孔機調(diào)較至垂直角度之后，隨即進(jìn)行鉆孔施工，在鉆孔期間仍需不時重復(fù)地監(jiān)察鉆孔角度，每加一節(jié)鉆桿均需對鉆機調(diào)平校正，以避免造成過大偏差而影響工程質(zhì)量，要求鉆孔的傾斜

7、度 1%。灌漿孔采用臨時套管護(hù)壁水沖法鉆進(jìn)成孔（圖3），臨時套管外徑一般約70mm110mm，鉆進(jìn)深度應(yīng)達(dá)到灌漿固結(jié)段。鉆孔過程中應(yīng)選用合適的鉆孔壓力、鉆機轉(zhuǎn)速和冷卻液流量，并注意孔內(nèi)情況，避免出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、燒鉆。鉆進(jìn)過程中要做好記錄，為灌漿作業(yè)提供參考數(shù)據(jù)。 圖3 鉆孔 圖4 灌漿設(shè)備由于灌漿孔距一般在300mm1000mm，為了減小鉆孔間的相互影響，在現(xiàn)場施工時每隔一孔鉆孔灌漿，待一半鉆孔完成TAM管外皮漿灌漿結(jié)束后，再對其之間的灌漿孔進(jìn)行鉆孔灌漿，使得施工時相臨鉆孔間距達(dá)2倍灌漿孔距。 （式1）灌漿孔距可根據(jù)式1確定，R是漿液在土體中的擴(kuò)散半徑，t為灌漿時間，s；k為土體的滲流系數(shù)，c

8、m/s；v為漿液的運動粘滯系數(shù)，cm/s；h1為灌漿壓力，MPa；r0為TAM管半徑，cm；de為土體的有效粒徑，cm；n為土體的孔隙率。灌漿設(shè)備（圖4）應(yīng)就近安裝，灌漿管路不宜過長，一般不超過50m，以防壓力損失。灌漿設(shè)備應(yīng)四面圍封，防止污染環(huán)境。6.3 下放TAM管、灌注外皮漿在鉆孔完成后，應(yīng)立即把外徑48mm的TAM管沉放至鉆孔底部，由于每節(jié)TAM管的長度為4m，在插入時相鄰兩節(jié)TAM管用PVC套管連接，采用PVC膠合劑將TAM管和連接套管粘牢。TAM管每節(jié)連接好后，依次下放到鉆孔中，直到孔底，下放時盡量保證袖閥管的中心與鉆孔中心重合。插入的第一節(jié)TAM管下端頭安裝套頭封堵（圖5），在所

9、有TAM管接駁完成后，需在整支TAM管中注入清水（圖6），利用重力作用，使TAM管不會浮起，同時應(yīng)保證TAM管的上端頭露出地面100mm ，用套頭套牢，防止雜物進(jìn)入管內(nèi)，影響灌漿質(zhì)量，之后再將臨時套管抽出及拆除（圖7）。 圖5 TAM管端頭套頭封堵 圖6 TAM管中注水抗浮在TAM管插入鉆孔后，應(yīng)立即把已配比好的外皮漿灌注入鉆孔內(nèi)（圖8）。TAM管泄?jié){孔外面緊緊套著橡膠套，灌注外皮漿時，漿液不會進(jìn)入TAM管中。外皮漿灌注的質(zhì)量是保證灌漿效果的關(guān)鍵，外皮漿的膨潤土、水泥及水份的配比為1 : 10 : 20，作用是防止灌漿時漿液流竄，在TAM管周圍形成具有一定強度的保護(hù)層，灌漿時漿液擠碎TAM管上

10、有泄?jié){孔的限定部位外皮漿，而上部和下部的外皮漿仍具有一定強度，可以阻止?jié){液的上下流動，使得漿液只在很小的范圍內(nèi)橫向流動，以增加地層的加固半徑。 圖7 拔出鉆機臨時套管 圖8 灌注外皮漿6.4 膨潤土水泥灌漿及化學(xué)灌漿6.4.1 TAM管灌漿系統(tǒng)構(gòu)造根據(jù)地下水位的高低，現(xiàn)場施工在地面以下一定深度不灌漿，所以在插入TAM管時，在地面以下一定范圍內(nèi)的TAM管上不鉆泄?jié){孔。TAM管（圖9）在灌漿段沿著管壁外徑一般每間隔約330mm，環(huán)向鉆有三排共10個直徑為6 mm的泄?jié){孔（圖10），外包橡皮膠圈。溢漿孔布設(shè)間距可根據(jù)灌漿施工中所選擇的灌漿材料和被注地層的特性調(diào)整設(shè)置，從而達(dá)到理想的灌漿效果。橡膠圈的

11、作用是當(dāng)孔內(nèi)加壓灌漿時橡膠圈脹開，漿液從泄?jié){孔進(jìn)入地層，停止灌漿時橡膠圈在TAM管外部漿液的作用下封閉泄?jié){孔，阻止泥土和地下水逆向進(jìn)入TAM灌漿管內(nèi)，從而起到灌漿管的單向閥作用。 圖9 TAM管 圖10 TAM管泄?jié){孔灌漿芯管（圖11）可在TAM管內(nèi)上下自由移動，逐次提升或降低灌漿芯管即可實現(xiàn)分段灌漿，并可根據(jù)需要進(jìn)行多次灌漿。灌漿芯管具有上下兩個止?jié){塞形成的止?jié){系統(tǒng)，能將漿液限定在灌漿區(qū)域的任一段泄?jié){孔范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿，達(dá)到分段灌漿的目的。灌漿時，漿液通過灌漿芯管經(jīng)過上部止?jié){塞，從灌漿芯管的出漿孔流出，進(jìn)入TAM管和上下兩個止?jié){塞封閉的泄?jié){孔區(qū)域，在壓力作用下，橡膠圈被頂起，隨著漿液的聚集，壓

12、力達(dá)到一定程度后，TAM管外側(cè)的橡膠圈被脹開，外皮漿被擠碎，從而漿液被擠壓到地層中。止?jié){系統(tǒng)可在光滑的TAM管內(nèi)可以自由移動，可根據(jù)需要在灌漿區(qū)域內(nèi)某一段反復(fù)灌漿。 圖11 灌漿芯管出漿口及上下止?jié){塞6.4.2分階段灌漿外皮漿灌注完成24小時后，可以在TAM管內(nèi)插入灌漿芯管至預(yù)定灌漿段，自下而上分段進(jìn)行帷幕灌漿（圖12），帷幕灌漿工程分兩個階段進(jìn)行。第一階段：膨潤土-水泥灌漿Bentonite / Cement Grout第二階段：化學(xué)灌漿Chemical Grout 圖12 止水帷幕分階段灌漿第一階段灌漿完成后12小時，可進(jìn)行第二階段灌漿。每一階段的灌漿均會由灌漿孔底部開始進(jìn)行灌注，然后逐節(jié)

13、往上提升及進(jìn)行加壓灌注，直至到達(dá)地面以下一定范圍內(nèi)的非灌漿區(qū)為止。每段灌漿長度為灌漿步距，灌漿步距一般選取0.31.0 m，這樣可以有效地減少地層不均一性對灌漿效果的影響。對于砂層，灌漿步距宜選用低值；對于砂卵石或破碎巖層等，灌漿步距宜選用高值。每步距灌漿量可根據(jù)式2確定。Q = R2 Ln（1+） （式2）式2中，Q為每步距灌漿量，m3；R為漿液擴(kuò)散半徑；L為灌漿步距；n為土體孔隙率；為漿液在土體中的有效充填系數(shù)，一般為0.30.9；為灌漿損耗系數(shù)，一般為0.10.4；灌漿過程中應(yīng)密切注意灌漿壓力的變化。每段灌漿時，壓力表應(yīng)出現(xiàn)兩次峰值，在灌漿剛開始，出現(xiàn)第一次峰值，持續(xù)的時間很短，隨后壓力

14、逐漸降到相對平穩(wěn)值，持續(xù)時間在一分鐘左右，之后壓力表出現(xiàn)第二次峰值，此時該段灌漿完成，可將灌漿芯管提升進(jìn)行下一段灌漿。壓力表出現(xiàn)第一次峰值是由于TAM管被外皮漿包裹引起的，當(dāng)外皮漿被漿液擠碎，這個峰值很快下降，隨著漿液的注入，地層中間的空隙被填充，灌漿壓力也逐漸增大，直到達(dá)到第二次峰值。6.4.3 漿液配比及凝膠時間控制膨潤土水泥灌漿及化學(xué)灌漿所采用的漿液配比分別如下表2及3所示：表2 膨潤土水泥灌漿液Bentonite /Cement Grout配比/m材料數(shù)量膨潤土 Bentonite35 kg水泥 Cement350 kg清水 Water700 Liter表3 化學(xué)灌漿液Chemical

15、 Grout配比/mA液B液材料數(shù)量材料數(shù)量水玻璃Sodium Silicate100 Liter水泥 Cement4590kg清水 Water150 Liter清水 WaterBalance共計 Total205 Liter共計 Total250 Liter化學(xué)灌漿可根據(jù)地質(zhì)條件，在淤泥、粉質(zhì)粘性土、全風(fēng)化、中強風(fēng)化、斷層破碎帶富水等條件下采用普通水泥-水玻璃雙液漿，其作用機理主要表現(xiàn)為裂隙填充和劈裂作用；在砂層中采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿，其作用機理主要表現(xiàn)為滲透作用。水泥水玻璃雙液漿凝膠時間可調(diào)，可減少地下水對漿液凝膠化性能的影響，確保漿液在富水和動水條件下的凝膠固結(jié)。進(jìn)行化學(xué)灌漿前，必

16、須在現(xiàn)場做配合比試驗，以確定配合比的適用性，雙漿液的凝固時間需控制在30s至60s內(nèi)。6.4.4 停止灌漿條件在灌漿過程中，通過觀察灌漿范圍內(nèi)排氣、返水、冒漿及灌漿孔吸漿量、壓力提升速度、漿流量等情況，充分收集現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)及跡象綜合判斷，及時調(diào)整灌漿方法和施工參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，可停止帷幕灌漿：A、若灌漿壓力超過5bar或超過上覆巖層壓力（overburden pressure）2bar時，兩者以較大者為準(zhǔn)；或B、灌漿量達(dá)到需灌漿加固土層體積的15%；或C、地面出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。為防止?jié){液在TAM管、灌漿芯管和漿泵中凝固，當(dāng)灌漿完成后，灌漿系統(tǒng)必須以清水徹底清洗，以備有需要再灌漿時使用。每一灌

17、漿孔應(yīng)填寫灌漿記錄表，其中包含灌漿孔號、鉆孔深度、灌漿深度、灌漿日期、每一灌漿步距的漿液投入及灌漿壓力數(shù)等，以存為證。在灌漿過程中，需不間斷地對施工位置附近范圍進(jìn)行監(jiān)察，以確保工序不會為附近的道路、公用設(shè)施及結(jié)構(gòu)帶來不良影響。7. 材料與機具設(shè)備TAM管灌漿的設(shè)備主要有鉆孔機械、灌漿泵、壓灌漿管路系統(tǒng)和制漿設(shè)備、TAM管及灌漿芯管等（表4，圖1316）。TAM管采用聚乙烯塑料（PVC）加工，管壁厚約4mm，具有較好抗彎強度。普通硅酸鹽水泥等級強度為42.5，水灰比為0.450.55；膨潤土采用TRUGEL 100 或與之同等規(guī)格，水玻璃選用2535Be。表4 主要設(shè)備材料表設(shè)備 / 材料型號

18、/ 規(guī)格單位數(shù)量鉆機HD90或HD110臺2灌漿泵CGP30HP臺2攪漿機M160A臺2TAM管聚乙烯塑料（PVC）m若干水泥42.5Rkg若干膨潤土TRUGEL 100kg若干水玻璃2535Bekg若干 圖13 HD110鉆機 圖14 CGP30HP高壓化學(xué)灌漿泵 圖15 TAM管 圖16 漿液攪拌器8. 勞動組織表5 主要勞動力配置工 種人 數(shù)專業(yè)技術(shù)人員1鉆孔機手2鉆孔機跟機4灌漿工6電工1雜工2總計169. 質(zhì)量控制9.1 鉆孔前，檢查鉆機垂直度，誤差控制在l內(nèi)，在鉆進(jìn)過程中隨時對鉆桿的垂直度進(jìn)行檢測并及時調(diào)整。9.2 下放TAM管時，確保管節(jié)間連接可靠，底部加上底蓋，避免外皮漿進(jìn)入T

19、AM管內(nèi)，應(yīng)保證袖閥管位于孔中心和垂直度，及時蓋好上蓋，避免雜物落入。9.3 嚴(yán)格按試驗確定的配比及水灰比拌制灌漿液，灌漿液應(yīng)具備良好的流動性和較小的析水性，并保證在一定的壓力下漿液具有良好的擴(kuò)散性，達(dá)到灌漿效果。9.4 灌漿過程中控制好參數(shù)及灌漿步距，嚴(yán)密監(jiān)視灌漿壓力和灌漿量，出現(xiàn)異常應(yīng)立即停止，查明原因并采取相應(yīng)措施。9.5 灌漿完成后及時清洗TAM管，以備下次灌漿。10. 安全及環(huán)境措施10.1 鉆機、高壓灌漿泵、攪漿機等必須指定專人操作，應(yīng)定期檢修檢定，以保證正常工作。10.2 灌漿過程中，作業(yè)人員應(yīng)使用防護(hù)用具。10.3 施工前應(yīng)檢查灌漿設(shè)備和管路系統(tǒng)，其壓力和流量需滿足設(shè)計要求，檢

20、查管道的耐久性以及連接是否可靠，灌漿管路內(nèi)不得有任何雜物，各類密封圈必須良好，無滲漏現(xiàn)象。10.4 鉆孔時，排出的泥漿應(yīng)沉淀處理后排放，并符合環(huán)保要求。10.5 水泥等細(xì)顆粒散體材料，應(yīng)遮蓋存放。11. 效益分析與其他灌漿工法相比，TAM管灌漿法可以實現(xiàn)分段、定量、間歇、重復(fù)灌漿，能較好地控制灌漿范圍和灌漿壓力，且發(fā)生冒漿與串漿的可能性小，可根據(jù)不同地質(zhì)條件采用不同的灌漿材料，灌漿材料凝膠時間可調(diào)，可有效地控制漿液在地層中的擴(kuò)散距離，確保地下流動水條件下漿液的凝膠固結(jié)，能保證止水帷幕的整體連續(xù)性和有效的帷幕厚度，具有良好的灌漿效果及經(jīng)濟(jì)效益。12. 工程實例香港望后石污水廠深基坑工程在鋼管樁墻

21、外圍邊緣位置采用TAM管灌漿法進(jìn)行止水帷幕灌漿，以防止大量地下水涌入。灌漿孔中心與鋼管樁墻中心點距離約為300mm，每個灌漿孔之中軸距離為800mm，采用單行排列（圖17）。所有灌漿孔深度均與鋼管樁墻腳相同，并由灌漿孔底部灌至地面對下1m?；庸こ虉龅厥墙?jīng)填海造地形成的填海區(qū)，地層中間夾有36米厚的海底沖積層，部份帶有淤泥或軟基層。止水帷幕的灌漿深度約在-11mPD +4mPD，采用普通水泥-水玻璃雙漿液，漿液擴(kuò)散半徑400mm，灌漿步距330mm，化學(xué)灌漿的雙漿液凝固時間控制在45s 60s內(nèi)。圖17 望后石污水廠鋼管樁后止水帷幕香港大埔濾水廠深基坑工程在鋼管樁墻外圍進(jìn)行帷幕灌漿，以防止深基坑開挖過程中有地下水涌入。每個灌漿孔之中軸距離為800mm，采用雙行梅花形布置（圖18）?；庸こ虉龅貫槠秸襟w得到的一塊平地，海