盾构隧道底部抗液化加固技术

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　　摘要隧道底部局部有软弱土层及淤泥质粉细砂层，液化等级严重，地铁列车长期运行会导致地层震动液化，不能满足永久隧道结构的承载力和变形要求，为防止地层液化，确保隧道在地铁运营期间的长期稳定，隧道管片安装完成后对管片下的不利地层进行注浆加固，提高软弱土层的承载力，满足结构使用要求。
　　
　　关键词隧道液化单液浆双液浆加固袖阀钢管监测检测
　　1 工程概况
　　广州市某地铁盾构区间地处珠江三角洲中西部，隧道沿线地质复杂，地下砂层分布广泛，透水性强，富水性好，易失稳和固结，易造成地面沉降。
　　隧道底部局部淤泥质粉细砂<2-2>，浅灰色，灰色，饱和，松散～稍密状，含淤泥约5～10%，局部有淤泥薄层，含少量土，有腐植质臭味，土层广泛分布，基本连续，本层液化指数0.37~35.92ILE，液化等级严重。
　　隧道底部局部为淤泥质土<4-2>地层，极软弱，灰黑色、灰色，流塑～软塑，局部可塑，含少量粉粒，零星分布，厚度为0.60～3.50m。标准贯入试验实测击数为N=0～2击。
　　部分软弱土层及液化砂层位于隧道下方，不能满足永久隧道结构的承载力、变形要求，地铁列车长期
　　运行会导致地层震动液化，为防止地层液化，确保隧道在地铁运营期间的长期稳定，隧道管片安装完成后需预先对669.716米不利地层进行注浆加固，提高软弱土层的承载力，满足结构使用要求。
　　2 软弱地层及液化地层的处理方法
　　从隧道内采用Ф48袖阀管对隧道底软弱地层及液化地层注浆加固处理，砂层注浆压力控制在水压力+0.2～0.3Mpa；软弱地层注浆压力控制在1Mpa以内，注浆压力根据现场试验确定，处理效果通过控制参数和抽芯试验来鉴定。
　　隧道底注浆加固工艺流程：
　　①、安装管片；②、安装逆止阀及钢套管；③、管片砼钻孔；④、击入袖阀钢管；⑤、装注浆芯管和花管；⑥、注入封闭浆液；⑦、基底注浆加固；⑧下一循环
　　３袖阀钢管注浆加固原理及其特点
　　袖阀钢管注浆加固是将水泥浆液通过劈裂、渗透、挤压密实等作用，与土体充分结合形成较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体（见图1）。注浆花管中有上下两处设有两个栓塞，使注浆材料从栓塞中间向管外渗出，阻塞器在光滑的袖阀钢管中可以自由移动，根据工程的需要在注浆区域内某一段反复注浆。施工中，它能够定深、定量，进行分序、分段、间隙和重复注浆，因此该工艺非常适合隧道底软弱土体加固处理技术，而且，袖阀钢管可留在土体中作为加固体的一部分，有效提高土体的承载能力。
　　
　　
　　在隧道内采用复合袖阀钢管注浆加固具有以下特点：
　　① 效果可靠。隧道内注浆可更准确地针对软弱地层进行分层加固注浆，工艺成熟可靠，并可通过试验调节浆液配比，从而可以保证加固的效果。
　　② 实施方便。不需占用地面场地，没有迁改管线及占道施工的问题，不影响地面交通、管线或建筑。
　　③ 经济性。无需从地面成孔至隧道底，免除空孔工程量以及掘进断面内的无效加固。
　　④ 掘进不受影响。实施时间在盾构机掘进之后，不会产生对盾构机掘进不利的因素。
　　⑤ 创新性。隧道内加固方案可帮助解决盾构施工经常存在的隧道底加固难题，具有较强的实用创新性。
　　采用袖阀钢管隧道底注浆加固可有效解决隧道底软弱地层液化的情况，但在隧道内施工要考虑孔位布置、防喷涌、注浆后的封堵、注浆孔对管片结构的影响、注浆压力对隧道的影响等问题，因此对关键技术要进行严格控制。
　　４注浆前准备施工关键控制技术
　　土层液化对盾构隧道的危害主要是隧道下部的土层液化造成隧道的下沉变形甚至管片开裂。隧道抗蠕变或防振动液化加固深度视隧道底砂层和淤泥层厚度而定，为了满足注浆的需要，每环管片设置3个注浆孔，排距@1500mm。最外缘两注浆孔夹角为72°，由于注浆浆液的扩散作用，加固范围可超过90°（见图2）
　　
　　
　　4.1管片钻孔
　　管片设计厚度300mm，每块管片正中布置有一个孔径为Φ60mm的吊装孔，当管片安装完成后可作管片壁后的注浆孔，如果需要在原有吊装孔以外钻注浆孔，则可以依据管片钢筋主筋、箍筋间距160mm的设计要求（见图3），在现场实测实量，可在没有受力钢筋的地方钻一个内径净空为Φ51mm的孔，不破坏钢筋结构受力，钻孔深度为280mm，保留20 mm隔水层隔砂层，可防止钻穿后出现涌水、涌砂的现象。
　　
　　
　　4.．2安装钢套和管逆止阀
　　钢套管下部的环形钢板通过膨胀螺栓与管片连接，环形钢板与管片之间加橡胶垫圈，紧固螺栓与环形钢板，每个注浆孔设2~4个紧固螺栓。将定制的逆止阀拧入注浆套管；逆止阀和钢套管构造图（见图4）。
　　
　　
　　袖阀需采用特制的复合袖阀钢管（见图5），管底部为封闭的圆锥型顶尖，复合袖阀钢管上的注浆孔每节2～3m，钢管每隔150mm设注浆孔，孔眼为梅花形布置， 孔眼直径一般为4～5mm，孔眼范围做成凹槽，橡皮套外径比外套管略小，用橡胶皮套箍住，这样可以保证注浆时浆液不会上窜；确保橡皮套将注浆孔与外界隔开，在管道内部压力作用下注浆液通过注浆孔撑开橡皮套，再将浆液注入加固区，而土层的砂或地下水则不能通过注浆孔进入注浆管内，确保砂层或地下水不能从袖阀钢管进入注浆管，保证可靠的注浆单向性。
　　
　　
　　4.．3风镐震动击入袖阀钢管
　　打管前在注浆孔内安放好逆止阀和套管内的止水橡胶圈，用风镐锤击钢管上的钢帽，钢管直接打穿20mm预留注浆管的封口，穿过管片进入土层，并下至预定位置（见图6）。在钢管下沉的过程中，逆止阀及止水橡胶紧裹住注浆管，可以有效的预防成孔过中涌砂。
　　
　　
　　袖阀钢管用丝扣连接，在击入注浆管过程，可通过钢帽上的观察管检查钢管内有无地下水渗入，如果有地下水，可关闭观察管上的阀，严重时可通过观察管注浆封堵。
　　4.．4下注浆芯、花管
　　袖阀钢管打至预定位置后，移除钢帽，将注浆花管及芯管塞入注浆管内（见图7）。
　　
　　
　　注浆芯管主要起输送浆液的作用，由焊接钢管加工，每节2m，和注浆花管用丝扣连接；注浆花管主要起注浆作用，长0.2m，其四周均匀地布设3～4个8mm的泄浆孔。花管两端设有两个栓塞，使注浆材料从栓塞中间向管外渗出，阻塞器在注浆管中可以自由移动，因此根据工程的需要，可以在注浆区域内某一段反复注浆。
　　5注浆施工技术控制
　　对隧道底的软弱地层进行加固，可以进行多次重复注浆，能够确保注浆加固的效果。在砂层中注浆压力一般设定为外界水压+0.2～0.3MPa；而淤泥层中注浆压力则控制在1Mpa以内，注浆加固时每次只作单孔注浆。实践经验证明，在该压力以下进行管片补充注浆对管片结构无影响，不会造成管片变形，但是在注浆过程中仍要做到注浆与监测同步，全程对管片进行沉降、变形监测，采用信息化施工，出现异常情况立即停止灌浆、跳孔灌浆或间歇灌浆等措施。
　　5.．1注浆浆液选择
　　当隧道底是淤泥层时，采用水泥浆+水玻璃双液注浆为主；当隧道底是液化砂层时，采用纯水泥浆单液注浆为主。两种地层均可根据情况采用单液浆和双液浆交替注浆。
　　5．2 浆液配制
　　按设计要求与现场施工情况配制浆液，浆液应搅拌均匀，随搅随用，并在初凝前用完，防止其它杂物混入浆液。浆液材料：自来水；普通硅酸盐42.5R水泥；40玻尔的硅酸钠溶液；水泥浆的水灰比（0.6～1.0）∶1，水泥浆∶水玻璃=1∶（0.5～1.0）。

　　5．3注浆压力控制
　　注浆用浆液应经过搅拌机充分搅拌均匀后才能开始注浆，并应在注浆过程中不停地缓慢搅拌，搅拌时间应不小于浆液初凝时间，浆液在泵送前应经过筛网过滤。注浆施工过程中，要控制好流量和压力，严格记录各注浆孔位的注浆时间、注浆压力、水泥浆量和水玻璃量等参数，防止浆液流失。
　　采取分段式注浆。注浆时阀管每次移动0.2～0.4m的距离，对于砂层，注浆步距宜选用低值。注浆过程中，每段注浆完成后，向上或向下移动一个步距的长度，采用提升设备移动，或人工采用2个管钳对称夹住芯管（见图8），两侧同时均匀用力，将芯管移动。每完成2～3m注浆长度，要拆掉一节注浆芯管。注浆结束后，在注浆管上盖上闷盖，以便于复注施工（见图9）。
　　
　　
　　双液注浆时，将配制好的水泥浆和水玻璃通过双液系统进行注浆，水玻璃和水泥浆在注浆管口混合，停止注浆必须先关闭输送水玻璃的注浆泵，以免堵塞管路。
　　根据注浆压力及注浆量的情况判断是否结束注浆。一个孔达到注浆效果后，清洗注浆管，考虑到地铁运营对隧道的影响，可能还需再次注浆，因此每次注浆完成后需立即用清水清洗注浆管，便于以后注浆。如不需预留则在注浆管内注入高强水泥浆液封堵注浆管，并将高出管片的注浆管割除。
　　5．4注浆结束标准：采用注浆量控制和注浆压力控制。
　　① 加固区域内定量进行注浆，浆液耗量按加固深度每米注浆段水泥耗量200kg以上，具体根据施工情况进行调整。
　　② 在较高压力（外界水压+0.5MPa）条件下能够稳压3分钟即可终止注浆。
　　③ 浆液沿注浆管壁上冒出，击裂封堵层。
　　④ 管片有抬升等异常情况。
　　6施工监测
　　隧道底加固处理的隧道段均处于砂层或是淤泥层中，地层软弱，注浆容易引起管片的抬升和变形，因此在管片如时钟的2点、5点、8点和11点同一断面位置均匀布置四个监测点，监测注浆过程中注浆量对管片的抬升和变形量的影响，提供注浆量和注浆时间的实时信息，做出正确决策。当隧道变形超过1cm，抬升超过2cm时要立即停止注浆，预防管片结构受损。
　　7加固检测结论
　　本次隧道底部加固施工共计669.716m（461环），共钻孔1383个，广东省物料实验检测中心按照设计要求，共对13个钻孔位进行原位随机标贯试验，得出验收结论：标贯试验深度1米至5米，13个点的标贯试验结果全部符合注浆加固后设计标贯击数≥12的设计要求。
　　8结束语
　　通过对盾构隧道底部液化等级严重的软弱土层及淤泥质粉细砂层进行注浆加固，实践证明可有效地改良液化地层，提高软弱土层的承载力，达到满足隧道结构的承载力和变形要求，确保地铁列车运营安全。
　　注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看

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