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1、中铁十三局集团第二工程有限公司,盾构施工技术交流及技术培训会,盾构隧道端头砂层加固施工技术,二一年四月深圳,中铁十三局集团第二工程有限公司,1.工程概况2.端头地质条件分析3.盾构机到达风险4.端头加固 4.1搅拌桩旋喷桩加固 4.2袖阀管注浆加固 4.3水平注双液浆、化学浆加固 拱顶水平劈裂挤密注浆 拱顶水平置换止水注浆 5.洞内注化学浆、聚氨酯固砂止水,内容提要,中铁十三局集团第二工程有限公司,一、工程概况,广州市轨道交通二、八号线延长线工程【南洲站洛溪站盾构区间】土建工程项目，北起南洲站，向南穿越南环高速公路高架桥，再以小半径曲线转向东南穿过河面宽度约70m三滘河水道，在宏伟工业区内设置
2、中间风井一座，穿过城安围船厂轮机房及码头、下穿470m珠江，然后向东南方向靠近洛溪大桥，下穿长大公司办公楼及宿舍楼，经彩虹花园，到达洛溪站。南洲站洛溪站区间里程范围为Y(Z)DK7+622.900YDK9+870.728(ZDK9+849.940)，隧道右线全长2247.828m；左线长链25.927m，左线全长2252.967m。该区间左、右线隧道各使用一台德国海瑞克隧道机械有限公司生产的复合式土压平衡盾构机掘进，由于工期关系，洛溪站只能满足在维护结构条件下吊出。线路平面示意图见图1。,中铁十三局集团第二工程有限公司,图1 南洛盾构区间平面示意图,中铁十三局集团第二工程有限公司,2.1工程地
3、质 盾构到达段场地岩土由上至下依次为：人工填土层（Q4ml）、淤泥质土、淤泥质砂、中粗砂层、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。根据岩土勘察报告描述，洛溪站吊出井端头共有3个钻孔，分别为MBZ3-LX-10（位于左线，详勘钻孔）、MBZ2-B002（位于右线，补勘钻孔）、MBZ3-LNB-01（左右线中间，补勘钻孔），端头地质横剖图见下页图2所示，地质纵断面图见下页图3所示。,二、端头地质条件分析,中铁十三局集团第二工程有限公司,图2 吊出井端头地质横剖图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图3 吊出井左线端头地质纵断面图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图3
4、 吊出井右线端头地质纵断面图,中铁十三局集团第二工程有限公司,盾构机掘进到达洛溪站段隧道主要穿过中粗砂层、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。工程地质情况比较特殊，除中粗砂层较厚且侵入隧道结构以外，粉质粘土层、淤泥质土、可塑状粉质粘土层、硬塑状粉质粘土层等地层严重缺失，全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩层也相当薄弱。左右线隧道在通过彩虹花园之后不久便进入砂层地段，直至洛溪站吊出井为止。其中右线隧道在里程YDK7+820.050YDK7+696.102(约124 m)段盾构隧道断面以上的部分是砂层，砂层距隧道拱顶05.2m不等，在里程YDK7+696.102Y
5、DK7+622.900（约74 m）（标段终点里程）段砂层侵入隧道拱顶以内，最大侵入深度为1.5m；左线隧道在里程ZDK7+825.770ZDK7+673.415(约142m)段盾构隧道断面以上的部分是砂层，砂层距隧道拱顶03.2m不等，在里程ZDK7+673.415ZDK7+622.900(约51m)（标段终点里程）段砂层侵入隧道拱顶以内，最大侵入深度为0.6m。洛溪站吊出井端头地层条件分析如下表1所示，吊出井墙角残留的地质柱状图如下图4所示。,中铁十三局集团第二工程有限公司,表1 洛溪站吊出井端头地层分析,中铁十三局集团第二工程有限公司,图4 吊出井墙角残留的地质柱状图,中铁十三局集团第二
6、工程有限公司,通过以上分析，本工程洛溪站吊出端头地质具有如下特点：拱顶上方中粗砂层厚9.7014.4，厚度较大，呈灰白、灰黄、褐灰色等，饱和，中密，局部稍密，级配不良，以石英质中粗砂为主，基本不含粘粒，部分地方含较多砾砂，极易震动液化。中粗砂层是影响吊出端头稳定性的主要地质因素。洞身上部的地层很薄，风化剧烈，呈坚硬土柱状、土块状，稳定性较差。洞身中上部的地层较薄，原岩结构大部分已破坏，风化裂隙发育，岩体较破碎，岩质软，失水易裂。洞身中部的地层，岩样较破碎，裂隙发育，岩质稍硬，失水易裂。岩层渗透系数均较大，基岩裂隙水较大，还可通过上部补充。,中铁十三局集团第二工程有限公司,2.2水文地质 按地下
7、水赋存方式划分，本区段地下水类型主要有两种：一种是赋存于第四系松散层及全风化带中的孔隙潜水，另一种为赋存于强中风化基岩裂隙水。第四系含水地层主要以海陆交互沉积淤泥质粉细砂层2-2、冲洪积粉细砂3-1、中粗砂层3-2为主，其含水性能与砂的形状、大小、颗粒级配及粘粒含量等有密切关系。第四系砂层含水层渗透系数为0.681.76 m/d，属中等渗透含水层。基岩裂隙水主要富存于强、中风化带的基岩裂隙中，属承压水类型。白垩系强、中风化泥质粉砂岩渗透系数为0.380.40 m/d。,中铁十三局集团第二工程有限公司,根据工程地质和水文地质分析，中粗砂层较厚且侵入隧道拱顶是影响吊出端头稳定性的主要因素，3-2中
8、粗砂层在洛溪站盾构吊出井出洞前70m侵入隧道，是极为不利的地段。砂土液化会使附近建筑物桩基础承载力降低、地面沉陷、基坑变形、盾构到达时出现流砂涌水进车站而无法控制，造成建筑物、地面的变形。盾构端头加固范围和加固方案不当，加固效果检测马虎，施工存在巨大风险，关系到是否能正常到达，也关系到盾构安全拆除和吊装。盾构机在砂层中到达风险巨大，风险后果相当严重，风险的具体来源体现在以下几个方面：吊出井端头场地狭小，距离市政道路和最近建筑物仅9m左右。吊出井附近属于高密集居民区，建筑物密集，商业繁华。由于工期关系，洛溪站仅能满足围护结构条件下吊出，车站主体结构（除底板外）尚未施做。,三、盾构机出洞风险,中铁
9、十三局集团第二工程有限公司,地表和地下水系较发育，地铁线路穿越三滘河及珠江航道，三滘河宽约70m，河水深2.003.00m；珠江江面宽约470m，珠江中心水深8.0013.00m，地处城安围船厂下游，江面常有万吨级船舶通过，洛溪站吊出井端头距离珠江仅700m。地下管线复杂较多。,图6 端头场地狭小距离市政道路和建筑物较近,中铁十三局集团第二工程有限公司,图5 洛溪站吊出井端头平面图,中铁十三局集团第二工程有限公司,表2 出洞段左线隧道一侧建筑物相关资料表,中铁十三局集团第二工程有限公司,表3 出洞段右线隧道一侧建筑物相关资料表,中铁十三局集团第二工程有限公司,图7 端头附近建筑物密集,中铁十三
10、局集团第二工程有限公司,图8 端头附近人口众多，商业繁华,中铁十三局集团第二工程有限公司,图9 珠江航道,中铁十三局集团第二工程有限公司,4.1搅拌桩旋喷桩加固 根据端头地质条件分析，确定在加固区前6m范围以及加固区域外围施作两排旋喷桩，采用550450mm双管旋喷桩，桩间咬合100mm，对隧洞顶部以上3m范围内的中粗砂层以及全风化层进行加固，加固体进入、层不小于0.5m。加固区后3m范围内部采用550400mm搅拌桩，交圈厚度150mm，进入、层不小于0.5m。加固范围详见图9盾构吊出井端头加固平面图、图10盾构吊出井端头加固纵剖面图。旋喷桩加固：直径550mm450mm，桩体咬合厚度100
11、，加固体厚度4165mm，左右线加固体宽度各为9000mm,线路方向长度6000mm,垂直加固范围是进入、层1m至拱顶以上3m范围；搅拌桩加固：加固区后3m范围内部6排搅拌桩，直径550mm400mm，交圈厚度150mm，加固厚度4165mm，左右线宽度各为7450mm，线路方向长度2078mm,垂直加固范围是进入、层0.5m至拱顶以上3m范围。搅拌桩先于旋喷桩之前施作，待其达到设计强度的70后施作旋喷桩。,四、端头加固,中铁十三局集团第二工程有限公司,图10 盾构吊出井端头加固平面图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图11 盾构机出洞端头加固示剖面意图,中铁十三局集团第二工程有限公司,4.2
12、袖阀管注浆加固 2008年6月，在盾构机出洞之前，对加固效果进行了抽样取芯，在洞门顶部水平取芯时，钻孔钻穿洛溪站地下连续墙后，出现涌水涌砂现象，砂柱喷射出5m多远，瞬间涌砂10多立米，现场紧急对钻孔进行了封堵，出现这种情况后，紧急召开技术谈论会，分析了盾构机出洞的风险，研究了补充加固及出洞掘进措施，同时在盾构机距离出洞约70环位置停机，等待端头补充加固。原因分析如下：根据水平探孔涌砂的情况，可以判断出端头拱顶以上砂层较厚，主要成分为粗砂、中砂、细砂和砂粉，粘性土及其颗粒几乎没有，此种底层摩擦力较小，受扰动或局部悬空时，在地下水作用下易流动，对盾构机正常掘进和出动极为不利；端头加固时旋喷桩、搅拌
13、桩局部没有咬合或在地下水作用下成桩效果不好，让砂层流动有空可钻；同时受洛溪站开挖降水影响，地下水在端头形成漏斗状，水平探孔钻孔之后，在地下水作用下，砂层成弧线流动，向斜下方喷涌而出。,中铁十三局集团第二工程有限公司,盾构机若在此种情况下出洞，掘进过程中和出洞瞬间，受刀盘扰动影响，砂层极易坍塌或喷涌事故，进而造成端头大面积坍塌，将严重影响周围几栋高层建筑物和居民楼的安全，以及车站也要报废。这种砂层地段出洞，对我们来讲进一步加固和出洞掘进均属于摸索，在分析了原因之后，认为要保证盾构机顺利出洞，必须解决好以下几个主要问题：一是强动水条件下对砂层进行有效加固，二是加固后的砂层要有一定强度，以承受上部荷
14、载，三是使拱顶砂层增加抗压及粘结强度，到达止水、隔水的效果。经讨论和研究后决定采取袖阀管补充注浆。为了弥补旋喷桩、搅拌桩局部没有咬合或成桩效果不好所产生的空隙，在原端头加固的3米范围之内，再次进行袖阀管注浆加固，间距1米，梅花形布置，共注入袋装水泥100多吨，注浆完成后，再次进行水平探孔勘探，仍然出现涌水涌砂现象，只是程度略有降低，可以说效果不是很明显，初步分析原因为单纯水泥浆液凝结时间较长，砂层较密实，注入之后在地下水作用下很快稀释，且难以大面积渗透，难以形成凝结体，故加固效果不明显，所以必须进一步改进注浆方式。,中铁十三局集团第二工程有限公司,图13 袖阀管钻孔注浆加固,中铁十三局集团第二
15、工程有限公司,4.3水平注双液浆、化学浆加固拱顶水平劈裂挤密注浆 在袖阀管垂直注浆效果不明显后，项目部决定在洞门拱顶进行水平注水泥-水玻璃双液浆加固。其原理为双液浆凝结时间较短，喷浆时在不改变地层组成的情况下，使颗粒间的空隙充满浆材并使其固结到达改良砂层性状的目的。其喷浆的特性是使该砂层粘结力、内摩擦角值增大，从而使地层粘结强度及密实度增加，起到加固作用；颗粒间隙充满了不流动而且固结的浆材后，使砂层透水性降低，而形成相对隔水层。,中铁十三局集团第二工程有限公司,具体做法是：在洞门A板上部轮廓外垂直方向开三排孔，水平方向沿刀盘轮廓成弧线布置，垂直和水平间距控制在300mm500mm左右，左线洞门
16、上部开孔44个，右线洞门上部开孔40个，每个孔以0.5m为单位向前步进钻孔，每步进一次，埋入相应长度PVC管和注浆接头，埋好后用快速堵漏灵封堵注浆管四周，接着注入水泥水玻璃双液浆，注浆压力控制在2.5MPa左右，注浆过程中将凝结时间由开始的30s逐渐调整到10s左右，每个孔步进至4.5m为止。注浆时对所布孔位进行间隔注浆，注浆和开孔分为两个专业班组，前面开孔和埋管，后面专门注浆，为防止串浆堵管，开一个孔注一个孔。水平注双液浆开孔孔位布置如下图13所示。刚开始注浆时，开孔后喷涌仍然较为严重，随着注浆的深入，喷涌漏砂现象逐步减小，直接最后开孔之后不喷涌，从这一现象可判断水平注水泥水玻璃双液浆加固效
17、果较为明显。,中铁十三局集团第二工程有限公司,图14 盾构机出洞端头补充加固注浆孔布置图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图16 右线取芯孔位布置全图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图17 左线取芯孔位布置全图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图15 右线4#孔芯样图,中铁十三局集团第二工程有限公司,拱顶水平置换止水注浆 在进行水平注水泥-水玻璃双液浆劈裂加固之后，进行化学置换止水注浆。注化学浆AB液的作用是将砂、水凝结，但因其强度较低，尤其在地下动水作用下，PH值容易受到地下水稀释的影响，凝胶时间难准确确定，不能有效的填充砂层中的孔隙，造成止水效果差，所以必须采用水泥-水玻璃双液浆先部分固
18、砂，增加其固结强度。水泥-水玻璃双液浆是利用高压将砂层劈裂，形成浆脉，固结了大部分砂层，减弱了地下动水的影响，为化学浆AB液的固结沙层创造了相对平稳的环境。化学浆AB液是以丙烯酰胺为主剂，配以其它化学药剂（如二甲基双丙烯酰胺、-二甲胺基丙睛、过硫酸铵等）以水溶液状态注入地层中，发生聚合反应，形成具有弹性的不溶于水的聚合体，堵塞砂层结构空隙，阻止水的通过，从而起到止水固砂的作用。,中铁十三局集团第二工程有限公司,注浆材料及反应机理 化学浆A、B液注浆材料主要有：丙烯酰胺（主剂）、二甲基双丙烯酰胺（交联剂）、-二甲胺基丙睛（还原剂）、过硫酸铵（氧化剂）和水。材料性能及特征见下表5所示。,中铁十三局
19、集团第二工程有限公司,化学浆AB液是一种新型化学注浆堵漏技术，它采用双液注浆。将按下表6所示比例称好的三种原料加水搅拌制成A液，将按表2所示比例称好的过硫酸铵加水搅拌制成B液，使用双液注浆泵注入，当两种液体混合后即发生聚合反应，30s钟初凝，23min反应完毕，终凝成胶体。浆液粘度低，渗透性好，可注入0.1mm以下的裂缝，浆液可在潮湿，水速大、水量多条件下凝聚，凝胶还具有抗渗性好、遇水膨胀、耐侵蚀等特点，凝胶抗压强度0.010.06Mpa，抗拉强度为0.020.04Mpa。化学浆注浆材料的配置 配置浆液时，将按下表6所示比例称好的三种原料加水均匀搅拌制成A液，将按表2所示比例称好的过硫酸铵加水
20、均匀搅拌制成B液，一般先配置成10的B液，使用时可根据实际适当调整，B液中过硫酸铵浓度较大，则反应时间较短，反之亦然，其浓度变化范围为715。注浆时将A、B两种化学液单独存放于储浆罐中，并旋紧罐口，以免两液接触发生反应。配置浆液时，可先用少量热水融化二甲基双丙烯酰胺，以加速材料溶解。,中铁十三局集团第二工程有限公司,表6 化学浆AB液施工配合比,注浆方法 在注水泥水玻璃双液浆完成之后，通过最下面一排孔注化学浆置换止水。A、B两种原将液体，注浆原理与注水泥-水玻璃双液浆相似，AB液原料按照一定比列配制成A、B两种无色透明液体，通过双液注浆泵两个吸头分别吸入，在前端混合器混合后注入注浆孔，注浆体积
21、比为1:1,每个孔开孔4m后注入，注浆以量控制为准，每个孔注入AB液各0.5t。,中铁十三局集团第二工程有限公司,五、洞内注化学浆、聚氨酯固砂止水,在端头补充加固一系列注浆完成之后，随即盾构机恢复掘进，在出洞段掘进过程中，针对砂层地质特性，制定了严格的技术交底，从掘进参数、出渣量控制、同步注浆、二次注浆、小导管注浆等各方面进行了严格控制。为了控制盾体上方受扰动砂层，增加其固结强度和减小其透水性，防止在出洞瞬间砂子在地下水作用下沿盾构机盾体外壳形成通道流动而产生涌砂涌水事故，特意在盾构机前盾和中盾盾体四周开孔，安装2寸球阀，出洞前通过该孔注入化学浆AB液和水溶性聚氨酯进行盾体上方的固砂和止水，增
22、加出洞安全系数，其中前盾开孔9个，中盾开孔7个。,中铁十三局集团第二工程有限公司,具体做法是：在刀盘距离地下连续墙10m的位置开始，盾构机每向前推进0.75m（即半环），便停机并通过盾构机前盾和中盾上的孔注入化学浆AB液，每个孔先打入预先加工好的0.5m长的小导管一个，小导管四周开孔，使用双液注浆泵通过小导管注入AB液各0.33t进行固砂，注完化学浆后，盾构机向前推进0.3m，再次通过前盾的9个孔向盾体四周直接注入水溶性聚氨酯进行止水，上部5个孔各注入60kg，下部4个孔各注入40kg。当盾构机刀盘距离地下连续墙4.5m时，化学浆AB液的注浆频率由原来的每0.75m一个注浆循环增加到每0.5m
23、一个注浆循环；水溶性聚氨酯由原来的单纯前盾注入调整为前盾和中盾同时注入，注浆量保持不变，以增大出洞段固砂止水效果，降低施工风险。由于聚氨酯极易与水反应形成泡沫状固体，在使用双液注浆泵注完一个孔后，马上用丙酮对注浆管进行清洗，防止堵管。通过以上的技术处理和施工，端头加固后固砂止水效果明显，盾构机出洞未发生喷涌漏砂现象，安全出洞，确保了整个工程的顺利竣工。,中铁十三局集团第二工程有限公司,图18 右线盾构机到达吊出后效果图,中铁十三局集团第二工程有限公司,图19 左线盾构机到达吊出后效果图,中铁十三局集团第二工程有限公司,中铁十三局集团第二工程有限公司,六、结 语,根据补充加固前水平探孔检验来看，
24、之前进行的旋喷桩、搅拌桩及袖阀管加固效果不理想，除了隧道两侧加固宽度较小（各1.5m）外，主要原因是砂层较密实、粘性较低，加之地下水丰富、流动性较强，单纯水泥浆液凝结时间较长，在地下水作用下极易流动稀释，导致浆液不凝，难以形成有效固结体，针对砂层的加固必须考虑凝结时间较短的双液注浆技术。通过后期补充加固施工的效果来看，对于盾构掘进到达砂层端头的加固，单独采用一种方法加固有时难以达到理想效果，在常规加固基础上综合采用水泥水玻璃双液浆、化学浆AB液、洞内注水溶性聚氨酯等方法和工艺效果明显，能够达到综合治理，保证施工安全的目的，是一项在特殊条件下可以尝试的施工技术。化学浆AB液是一种新型化学注浆技术
25、，具有适用范围广，效果好的特点，但其原材料价格昂贵，对环境具有一定污染性，应慎重选择比较后使用。,中铁十三局集团第二工程有限公司,化学浆AB液原材料具有一定得毒性、腐蚀性，施工中应采用塑料或不锈钢制品容器盛放，施工作业人员须戴乳胶手套作业，并应注意施工安全，以免伤害人体。从盾构机内部向盾体四周外侧注入水溶性聚氨酯能够有效的止住刀盘后方盾体四周基岩裂隙水和孔隙潜水，对于砂层的止水能够起到良好作用，同时也适用于地下水较大时，开仓换刀前对土仓后方进行封闭止水，但其价格昂贵，不到万不得已，一般不提倡使用。盾构项目上场后，尽早对端头工程地质和水文地质情况进行评估，重视端头的加固条件，制定有针对性的端头加固方案，在盾构始发或到达之前适当的时候对端头加固效果进行垂直和水平取芯检测，以便出现问题能够及时处理。,谢谢大家!欢迎指正！,
