04-盾构隧道端头砂层加固施工技术

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4.3.1拱顶水平劈裂挤密注浆4.3.2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+622.900～YDK9+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工程地质盾构到达段场地岩土由上至下依次为：1人工填土层（Q4ml）、2-1B淤泥质土、2-2淤泥质砂、3-2中粗砂层、6全风化泥质粉砂岩、7强风化泥质粉砂岩、8中风化泥质粉砂岩、9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3-2中粗砂层、6全风化泥质粉砂岩、7强风化泥质粉砂岩、8中风化泥质粉砂岩、9微风化泥质粉砂岩。工程地质情况比较特殊，除3-2中粗砂层较厚且侵入隧道结构以外，4-1粉质粘土层、4-2淤泥质土、5-1可塑状粉质粘土层、5-2硬塑状粉质粘土层等地层严重缺失，6全风化泥质粉砂岩、7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+820.050～YDK7+696.102(约124m)段盾构隧道断面以上的部分是砂层，砂层距隧道拱顶0～5.2m不等，在里程YDK7+696.102～YDK7+622.900（约74m）（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+825.770～ZDK7+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0～3.2m不等，在里程ZDK7+673.415～ZDK7+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范围地层厚度(ｍ)地层厚度(ｍ)地层参数左线右线洞顶3-2中粗砂10.30～13.83-2中粗砂9.70～14.4标贯击数N=21、28渗透系数K=8m/d洞身6全风化泥质粉砂岩0.00～0.766全风化泥质粉砂岩0.00～0.93标贯击数N=21渗透系数K=0.08m/d7强风化泥质粉砂岩0.00～0.867强风化泥质粉砂岩2.33～4.20标贯击数N=52、54渗透系数K=0.20m/d8中风化泥质粉砂岩1.62～5.308中风化泥质粉砂岩1.31～2.08渗透系数K=3m/d9微风化泥质粉砂岩9微风化泥质粉砂岩渗透系数K=0.02m/d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：①拱顶上方3-2中粗砂层厚9.70～14.4ｍ，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。3-2中粗砂层是影响吊出端头稳定性的主要地质因素。②洞身上部的6地层很薄，风化剧烈，呈坚硬土柱状、土块状，稳定性较差。③洞身中上部的7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。④洞身中部的8地层，岩样较破碎，裂隙发育，岩质稍硬，失水易裂。⑤8岩层渗透系数均较大，基岩裂隙水较大，还可通过上部3-2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0.68～1.76m/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0.38～0.40m/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，3-2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：①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。②吊出井附近属于高密集居民区，建筑物密集，商业繁华。③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十三局集团第二工程有限公司④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2.00～3.00m；珠江江面宽约470m，珠江中心水深8.00～13.00m，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。⑤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序号建筑物层数基础形式桩基深度（m）里程距隧道边最近距离（m）1洛溪新城新浦路18栋7桩基础不详ZDK7+785.587～ZDK7+768.2927.02洛溪新城新浦路8栋7桩基础21.5ZDK7+751.392～ZDK7+717.6774.63洛溪新城新浦路6栋7桩基础22.4ZDK7+713.624～ZDK7+679.8335.34洛溪新城吉祥北街20栋8桩基础25.0ZDK7+673.873～ZDK7+651.1786.05洛溪新城吉祥北街24栋8桩基础22.6ZDK7+632.256～ZDK7+622.9008.8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序号建筑物层数基础形式桩基深度（m）里程距隧道边最近距离（m）1居民楼7桩基础不详YDK7+793.149～YDK7+784.4666.52居民楼7桩基础不详YDK7+776.723～YDK7+768.0216.53居民楼7桩基础不详YDK7+760.182～YDK7+751.6276.44洛溪新城北园上街7栋7桩基础不详YDK7+729.556～YDK7+721.5866.45洛溪新城新浦路3栋7桩基础不详YDK7+710.877～YDK7+701.8136.46居民楼7桩基础不详YDK7+690.389～YDK7+682.0736.37居民楼7桩基础不详YDK7+670.258～YDK7+662.3436.38洛溪新城吉祥北街19栋7桩基础24.8YDK7+650.208～YDK7+628.1756.3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Φ550㎜@450mm双管旋喷桩，桩间咬合100mm，对隧洞顶部以上3m范围内的3-2中粗砂层以及6全风化层进行加固，加固体进入6、7层不小于0.5m。加固区后3m范围内部采用Φ550㎜@400mm搅拌桩，交圈厚度150mm，进入6、7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550mm@450mm，桩体咬合厚度100㎜，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6、7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550mm@400mm，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6、7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