水平旋噴樁在深圳地鐵超前預(yù)加固中的應(yīng)用

1、水平旋噴樁在深圳地鐵超前預(yù)加固中的應(yīng)用    【摘要】介紹水平旋噴樁超前預(yù)加固技術(shù)在深圳地鐵大科區(qū)間不良地質(zhì)地段中的應(yīng)用,重點(diǎn)闡述水平旋噴樁加固機(jī)理、施工工藝和效果?！娟P(guān)鍵詞】地下鐵道軟弱圍巖水平旋噴樁預(yù)加固1 引言      在軟弱、松散、富水地層中修建地下工程,一般多采用超前預(yù)加固輔助工法。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,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及周邊環(huán)境進(jìn)行安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對比和適用、成熟可靠性分析合理選用。

2、60;     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 , 分左右兩條單線隧道,線間距13.217.2 m 。其中SK3 + 210 SK3 + 315 段通過不良地質(zhì)地段,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 

3、;。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)充填水和泥砂混合物,在隧道開挖過程中會毫無征兆地噴發(fā),泥砂俱下,導(dǎo)致土體失穩(wěn),引起險(xiǎn)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,二次襯砌已施工完畢,達(dá)到

4、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)理及特點(diǎn)      水平旋噴樁是以高壓泵為動力源,通過水平鉆機(jī)鉆桿、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(shí)切割土體,強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合。待漿液凝固后,形成水平圓柱狀水泥土固結(jié)體即水平旋噴樁,當(dāng)旋噴樁相互咬合后,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,起到防流砂、抗滑移、防滲透的作用。水平旋噴樁具有以下特點(diǎn): (1) 可控性。水平旋噴樁的漿液局限在土體破

5、壞范圍內(nèi),漿液注入部位和范圍可以控制,可通過調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)(切削土體壓力、固化材料注入速度與配比、注入量等) 獲得滿足設(shè)計(jì)要求的固結(jié)體。(2) 均勻性。噴射流在能量衰減前交匯,切削能量在碰撞點(diǎn)相互抵消,在比樁心到碰撞點(diǎn)距離大的地方, 射流無能力切削土體,加固體均勻程度好。(3) 成本低、效率高。由于限定注入范圍,注入量大幅減少,水泥用量僅為100150 kg/m , 施工速度比大管棚或深孔注漿提高23 倍。(4) 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&#

6、160;     通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析以及專家意見,決定采用“以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,掌子面采用間隔水平旋噴樁”的超前預(yù)加固方案。3.1 加固范圍      采用SIR22000 型地質(zhì)雷達(dá)( 美國GSSI 公司) 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(bào)并據(jù)此結(jié)合地層界線確定周邊水平旋噴樁預(yù)加固范圍。一般情況下的加固范圍為拱部150°,對于流塑狀粘性土

7、侵入隧道下部的加固范圍適當(dāng)調(diào)整至180° 270°之間。掌子面加固范圍為開挖面上臺階核心土及弧形導(dǎo)坑內(nèi)緣。其縱、橫斷面詳見圖1 及圖2 。3.2 主要設(shè)計(jì)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 范圍只成孔而不旋噴成樁,實(shí)際成樁長度12 m , 縱向搭接長度1.5 m&

8、#160;。環(huán)向間距開孔處0.33 m , 終孔處圖1 水平旋噴樁加固示意(縱斷面)  圖2 水平旋噴樁加固示意(橫斷面)       0.4 m, 外插角5°8°(視地質(zhì)及線路坡度而定),相鄰加固體咬合厚度>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掌子面失穩(wěn),加劇結(jié)構(gòu)變形和地表沉降,掌子面亦設(shè)置水平旋噴樁,樁間距1 

9、1.5 m, 樁長L = L1+ L 2+ H ×tan(45 -<2) =1413 m (L1:循環(huán)長度,10.5 m;L 2:錨固長度,2 m; H :上臺階開挖高度,3 m;<:內(nèi)摩擦角,15°。),取15 m 。周邊小導(dǎo)管注漿間距為0.330.40 m, 長3.5 m, 縱向搭接2.0 m 。對相鄰

10、旋噴樁加固體的咬合處,漿液采用CS 雙液漿,水灰比為0.81 , 水玻1 , 體積比1璃玻美度為1520 。4 各工序技術(shù)要點(diǎn)4.1 施工參數(shù)(1) 鉆桿鉆進(jìn)速度:01250135 m/min  (2) 鉆桿(軸) 轉(zhuǎn)速:12070 r/min W=1(3) 水泥漿配合比:C017  (4) 每延米水泥用量:75 kg  (5) 鉆桿每節(jié)長3 m&

11、#160;, 外徑50 mm , 旋噴鉆頭外徑90 mm , 單孔,孔徑2 mm  (6) 旋噴壓力:2025 MPa 。4.2 施工準(zhǔn)備      封閉上臺階和下臺階掌子面,噴混凝土厚度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)、高壓泵及其它機(jī)具一字排列就位。設(shè)置臨時(shí)邊溝及廢漿池。4.3 漿液配制   

12、;   漿液嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比配制,充分拌和均勻,拌合時(shí)間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。4.4 鉆孔及旋噴      按照“先周邊、后掌子面”順序進(jìn)行旋噴施工,周邊按照每次間隔一孔,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(jì)外插角,分孔計(jì)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(shí)慢進(jìn)

13、,鉆至1 m 后按正常速度鉆至設(shè)計(jì)深度,當(dāng)漿液從噴嘴噴出并達(dá)設(shè)計(jì)壓力后開始旋噴,樁前端原地旋噴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(即退一次、進(jìn)一次、再退一次,共計(jì)三次旋噴作業(yè)),以提高固結(jié)體的增徑效果及咬合率。在樁前端受外插角的影響,為確保加固效果,前端旋噴時(shí)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(shí)停止,并立即退出鉆桿,用棉紗塞堵孔口,以防漿液外泄。4.5 冒漿處理工藝      在旋噴過程中,

14、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(shí)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(yàn),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(shí), 應(yīng)查明原因并及時(shí)采取措施。      當(dāng)旋噴流量不變而壓力突然下降時(shí),應(yīng)檢查各部位的泄漏情況,必要時(shí)拔出注漿管檢查密封性能。出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時(shí),若系土質(zhì)松散則視為正常現(xiàn)象,可適當(dāng)進(jìn)行復(fù)噴。若系附近有空洞,則可繼續(xù)注漿或拔出注漿管待漿液凝

15、固后重新注漿至冒漿為止,或采用速凝漿液使?jié){液在注漿管附近凝固。      冒漿量過大的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) 試驗(yàn)表明,旋噴固結(jié)體直徑為4070 cm(地層越軟弱,樁徑越大),平均值滿足設(shè)計(jì)要求。固結(jié)體強(qiáng)度接近C10 素混凝土,樁間咬合率80 % , 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

16、60;m) 能承受開挖線外土樁的壓力,保證掘進(jìn)安全。(2) 固結(jié)體周圍土體得到了擠壓,土體孔隙比減小,抗?jié)B能力得到提高,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) 地表下沉和拱頂下沉得到有效控制。地表沉降減少51 % , 洞內(nèi)拱頂下沉減少54 % , 在SK3 + 355 過煤氣管處,采用周邊雙層旋噴樁和掌子面旋噴加固, 按照“短臺階、小步距、快開挖、快支護(hù)、快封閉、快通過”的施工原則,并增設(shè)臨時(shí)仰拱和加密鎖腳導(dǎo)管及時(shí)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 , 保證了通過煤氣管道的安全。(4) 在大 科區(qū)間流塑狀粘性土地段,共施工旋噴樁11 000 延米,每根樁施工時(shí)間約為2 h , 每循環(huán)時(shí)間為3 d , 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