富水砂层顶管进出洞加固技术研究

富水砂层顶管进出洞加固技术研究

安刚建1

1.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230011

摘要：顶管进出洞端头土体加固是顶管施工的关键技术，处理不当时会在洞门处发生管涌、流土等现象，造成事故的发生。以海口美兰机场二期排水扩建工程为例，论述了高压旋喷桩、水平注浆和洞门处加固工艺在大型顶管进出洞加固中的成功应用，并以理论和实践证明了该工艺的可行性。所采取的工艺取得了良好的成效，为今后类似施工提供了一些借鉴。

关键词：富水砂层；顶管；进出洞加固

中图分类号：TU94 文献标识码：A

0 引言

美兰机场顶管穿越粉质黏土、强风化玄武岩、粗砂等地层，持力性较差。顶管掘施工产生的力学效应会对土层造成较大的施工扰动，打破了原有的端头土层原有土压平衡，容易造成顶管“磕头”机、封门处涌砂、流水等工程事故的发生。 因此，封门破洞拆除支护是整个工程危险性最高的部分，在现行一般盾构和顶管工程中，都对其出洞和进洞的洞门口土体进行加固和改良，防止事故发生。

海口市美兰机场顶管群有3~4个顶管工程，施工对工作井的影响更大，在工作井端头采用高压旋喷桩群加固土体、辅以水平注浆和洞门密封等加固技术，并进行了现场监测，以确保施工安全。

1 工程概况

海口市美兰机场二期扩建场外排水工程二标段位于海口美兰区美兰机场附近，主要任务为排除美兰机场区、高铁区域的涝水。地层以粉质黏土、强风化玄武岩、粗砂为主，其地层持力性较差。工程地下水资源丰富，潜水、承压水分布范围广泛。

图1 施工平面图

2 土体加固范围及方法

根据图纸设计要求，结合本工程富水砂层水文地质情况，端头土体加固选用高压旋喷桩，当端头土体效果达不到理想状态时，在洞门处辅以水平注浆方式进行补充加固，最后在洞口用密封圈加固。旋喷桩加固区域长24.1m，宽11.4m，成桩高度为14.6m，场区土体加固布置形式如图2所示。

图2 场区高压旋喷桩平面布置图

2.1高压旋喷桩技术

高压旋喷桩是用钻机钻孔至要求深度，采用台车将注浆管下放指定地点后利用高压设备将浆液喷射出去，使范围内的土体和浆液混合产生固化作用，随着注浆管的旋转和提升而形成一定强度的固结土体，该工艺起到止水与土体加固的作用。高压旋喷桩加固后土体强度显著提高，稳定性强，其适用范围广。

2.2水平注浆技术

水平注浆是沿开挖外轮廓向前打入带导管注浆施工，其施工设备简单，见效快且易操作，广泛应用与盾构接收与始发洞门加固和隧道开挖支护。施工工期较短，对场地要求较低。

3 端头土体加固施工工艺

3.1高压旋喷桩施工工艺及方法

3.1.1施工工艺流程

图3 旋喷桩工艺流程图

3.1.2旋喷桩主要施工参数

高压旋喷桩施工参数如下表1所示。

3.1.3施工步骤

1）测量定位：依据设计图，使其钻杆轴线垂直对准钻孔中心位置。

2） 钻孔：钻孔前先整平场地，必要时可地表硬化处理，由测量定位点。旋喷桩直径0.6m，柱间距0.5m，采用梅花式双排咬合布置，桩间咬合0.2m。严格按测量点位钻孔，施工中动态管理，及时纠偏记录。

3）试喷：成孔清底后试喷确定施工技术参数。

表1旋喷桩施工技术指标

4）旋喷注浆：①施工前准备排浆沟及泥浆池，用于存续施工中废置的泥浆液。②旋喷前检查高压与管路设备的完备性。③记录每个孔位的、注浆参数等资料。④在施工前1.2小时内搅拌水泥浆液，随拌随用，当喷嘴达到指定标高后用高压水清管，置入浆液和压缩空气。初喷试验两分钟，喷射压力及喷浆量满足设计要求后再缓慢旋喷提升。⑤当喷射注浆过程中出现异常情况，如喷嘴“突沉”、跃升或大量喷浆时，应立即停止施工并查明产生的原因，解决后待监理审批方可继续施工。当旋摆提升至桩顶高程1.0m时，放慢作业旋喷速度直至成桩。⑥旋喷施工完毕至设计高程，取下注浆管，及时清洗机具。

3.1.4加固效果检测

为检验桩体完整性和均匀性，按质量标准对施工过程进行逐项检验，具体操作见下表2。

表2 桩体施工的允许偏差及检验方法

3.2水平注浆工艺及方法

为防止高压旋喷桩施工扰动对工作井地连墙的影响，旋喷桩群距离外侧地连墙0.5m。根据施工地质情况和工期要求，保证顶管进出洞的安全，不发生涌砂、流土现象，决定采用在洞门处水平注浆工艺进行土体加固，注浆深度为1.5m。

4.2.1施工工艺

1）施工前准备：在洞门全断面处搭设好注浆管，配齐所有材料，按要求铺设作业平台并设置护栏和安全网。

2）注浆孔位布置：将工作井洞门处划分为四个区域，每块区域高1.75m，每块区域沿洞门圆弧等距离布置注浆管，如图4所示。

图4 注浆孔平面布置图

3）钻进：在孔口管内采用潜孔钻机进行钻孔，施工过程中随即调整杆件的垂直偏差，每次钻进长度0.16m，直至0.5m处。钻孔结束后，内置玻璃纤维筋来增强土体加固的效果。

4）注浆：①注浆材料采用水泥-水玻璃双浆液，用量比为1﹕1.2。②顶部周边水平方向扩散3～6m，底部2～5m；注浆终压为4MPa；注浆采用低压力匀速注入，当注浆量越来越少，当注浆压力达到注浆终压并持续10min无变化时结束注浆。③为确保注浆效果，每次注浆前检修设备管路和压力表：施工过程中严格按设计参数注浆；注意注浆压力表读数，防止爆浆发生；注浆结束后及时清洗管路，不得积存泥浆。④钻进注浆时如遇涌水流砂，则及时将管子与盲端相连，采取应急措施。

3.2.2加固效果检测

采用水平检测孔方式，在洞门加固范围区域对称均匀打出8个检测孔，观察其渗水情况，如图5所示，当其渗流出的水，不成线型流淌，则加固效果较好。

图5 检测孔布置

3.3洞口密封加固

洞门处安装止水圈加固止水，其预埋钢环的内径同预留洞口直径相同，在封门地连墙凿除后使顶管能够顺利出洞，同时起着止水和稳固地层上部结构，使其他结构功能维持正常；外侧橡胶止水圈和内侧环形钢筋混凝土圈咬合可以更好的管节与上部结构嵌固，形成刚柔搭接。

图6 洞口密封结构

3.4监测分析

图7 不同竖向加固厚度下地表及端头土体水平位移监测曲线

从图7中可以看出，随着竖向加固厚度的增加，地表沉降及端头土体水平位移均逐渐减小，前期减速较快，后期减小态势缓慢；在加固厚度较小时，地表沉降和端头土体水平位移影响较大，当加固厚度为2m时，地表沉降8.11mm，端头水平位移14.09mm，而在加固厚度达8m时，地表沉降为5.7mm，端头水平位移9.76mm，降幅分别为29%和31%；从监测图可得，竖向加固厚度不宜偏小，施工中应确保竖向加固厚度满足要求。

图8 顶管顶进地表沉降曲线

从图8可知，在顶管破除洞门顶进时，地表沉降有所增加，期间最大值为1.64mm，主要由于没有同时注浆，且顶管机切削土体，与土体间存在间隙；在顶管机头完全进入土体，机尾开始注浆时，其地表沉降开始有一定程度恢复，由于泥浆的注入形成泥浆护壁，且填充了管壁开挖与土体的间隙，最后顶进过程中地表沉降趋于稳定；由1#、2#、3#号顶管可知，顶管通过端头土体后最大沉降约3.25mm，小于设计标准值10mm。

海口美兰机场二期改扩建大直径顶管于2019年8月5日顺利始发，在凿除洞门时土体湿润但无涌砂流水现象发生，土体稳定性较好。顶管机穿越洞门和端头土体加固区过程中，通过现场实时观测，未发生流土、涌砂现象。本工程与2020年10月20日正式完工，取得了良好的经济效益。

4 结语

顶管进出洞加固技术是大型顶管施工的关键技术，在富水砂层中，若施工中端头土体只用高压旋喷桩加固，其实际效果不能完全保证端头区土体止水和稳定，因此采用在洞门处水平注浆方式进行二次加固并在洞口处安装密封圈止水加固，取得了良好的加固效果。在富水砂层采用高压旋喷桩法施工，其施工进度快、设备机动性强、土体加固效果明显。洞门处水平二次注浆，其对环境影响小、注浆深度可控、土体加固均匀。在洞口处密封圈加固，再次保证了止水效果、见效快，为大直径顶管进出洞提供了安全保证。通过本次施工总结的经验有：

（1）高压旋喷桩可用于富水砂层止水加固，其加固范围较广；旋喷桩宜采用跳打法，防止局部集中压力对土体和工作井造成破坏；

（2）在富水砂层中，旋喷桩可用泥浆护壁成孔，防止塌孔；旋喷桩喷射浆液宜掺入速凝剂，有利于桩体早期强度的形成。

（3）在富水砂层土体中，多种不同加固方式的综合应用，更能有效地达到理想的止水效果，保证整体的止水性。

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1作者简介：安刚建（1978-），男，安徽安庆人，本科，高级工程师。