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小 直 径 盾 构 隧 道 下 穿 长 江 大 堤 加 固 技 术

摘 要:以常熟电厂取水隧道下穿长江大堤加固施工为例,介绍了预加固压密注浆、预加固高压旋喷注浆、盾构掘进同步注浆和加固中常见问题处理。详细阐述了大堤加固的具体实施过程与方法,在解决本工程技术问题的基础上也可为其他盾构隧道特别是小直径盾构隧道下穿大堤或其他建筑物时的施工提供参考。
1 概述
  本工程盾构隧道下穿长江大堤时,大堤的允许沉降量必须满足水利及相关部门的验收要求,且取水隧道设计图纸中也对施工过程提出了控制大堤沉降 、确保大堤安全的要求。 为保证隧道穿过长江大堤时不对其造成有害影响 ,须对长江大堤进行预加固处理,并在盾构施工过程中从隧道内进行压密注浆施工,从而达到有效保证大堤安全的目的。 盾构隧道在穿越长江大堤前需要对长江大堤采取预加固措施:
  1)隧道顶部采用高压旋喷桩对长江大堤进行预加固处理;
  2)对隧道下部的第四淤泥质粉质粘土层采用压密注浆技术进行预加固处理,加固层厚度为 5 m。 预加固施工顺序为先施工压密注浆加固部分,然后施工高压旋喷桩部分。 同时为进一步保证盾构隧道过长江大堤时不对其产生有害影响,施工中将在隧道内通过同步注浆,进一步加固地层,防止大堤产生不均匀沉降。
2 工程概况
  江苏常熟发电2× 1000 MW 机组扩建工程取水系统位于扩建工程场地西北角,主要包括循环水泵房 1 座、进水隧道 2 条和 14 根垂直顶升立管。 循环水泵房位于长江大堤内侧,最近距离长江大堤防护林约 12 m,取水隧道起始于循环水泵房北侧进水间,穿越长江大堤后延伸至长江水道内约870m。
3 预加固压密注浆
  在大堤顶面及迎水面预加固施工前需对表面的铺砌块和浆砌片石护坡进行清理,工程完工后按要求恢复。
3. 1 压密注浆施工工艺原理
  压浆法加固地基是将水泥浆通过压浆泵、注浆管均匀地注入被加固土体中,以充填、挤密、渗透、凝结固化等方式,将土体胶结成一个整体,形成一个强度高、压缩性低、抗渗性高和稳定性好的新地基,从而使地基得到了加固,同时防止或减少渗透和不均匀沉降。
3.2压密注浆施工
3.2.1加固范围
  压密注浆加固范围为盾构隧道下部同步注浆环以下 5 m厚度,东西向38.1m,南北向西线隧道30 m,东线隧道31.2 m。
3. 2. 2注浆孔布置
  注浆孔布置:注浆孔全部布置在注浆加固范围内,靠近注浆加固范围边缘最近的注浆孔距边缘 1 m,注浆孔纵横间距均为1.5m。
3.2.3施工工艺流程
  本项目采取先引管后倒退提管注浆,再进行孔口段复注的施工方法。 工艺流程图见图 1。
  浆液配比为水泥∶ 水=1∶ 0.50,水泥采用普通硅酸盐P.O42.5水泥;注浆速度为7L/min~10L/ min,压强为0.2 MPa ~0.5MPa。
3. 2.4施工要点
  1)下压浆管:检查注浆头的状况是否良好、管路是否有堵塞现象、各节管路的连接情况。
  2)严格控制注浆段间距,边压边提,每次提管不大于0.3m。
  3)注浆用水使用前,需要进行水质检测,检测合格后方能使用。
  4)压浆孔进行编号并做好原始记录。
  5)压力表定期校验,确保压浆压力达到设计值。
  6)注浆前做好准备工作,包括机械器具、仪表、管路、注浆材料的检查检验。
  7 ) 本工程注浆范围较深(24.3 m),在实际施工中,对于注浆管无法振入至设计标高的,采用引孔的方式把注浆管引至-8.3m标高,再使用振动器将注浆管振入至设计标高。
4  预加固高压旋喷注浆
4.1高压旋喷桩加固工艺原理
  高压旋喷桩是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层预定位置后,利用高压设备使浆液、水或空气成为高压射流从喷嘴中喷射出来,冲切、扰动、破坏土体,同时钻杆以一定速度逐渐提升,将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后,在土中形成一个圆柱状固结体(即旋喷桩),以达到加固地基的目的。高压旋喷桩加固沿盾构过大堤轴线方向进行。加固范围为盾构隧道顶部1m以上至大堤顶面2.5m以下,宽度为盾构中轴线左右两侧各 7.2 m。 西线隧道布置高压旋喷桩 1250 根,东线隧道布置高压旋喷桩 1300根,共计加固方量为7212m3。
4.2高压旋喷注浆施工
4.2.1主要技术参数
  本工程采用无锡XP⁃20 型高压旋喷桩机进行二重管法施工,成桩直径 0.7m。 浆液采用 P.O42.5 级(普通硅酸盐)水泥配置,水灰比 1∶ 1。
  主要施工参数:喷浆压力25 MPa;喷射流量取 80 L/ min ~120 L / min;旋转速度 20 r/ min;喷射管的提升速度不大于0.25m/min,压缩空气压力不小0.7MPa,水泥用量320 kg / m。
4. 2.2施工工艺流程
  高压旋喷桩的施工工艺流程见图2。
4.3常见问题的处理
4.3.1压力上不去,流量正常
  产生原因:安全阀和管路接头处密封圈不严;泵阀损坏,油管破裂漏油;安全阀的安全压力过低,或吸浆管内留有空气或密封圈泄露;栓塞油泵调压不够。
  防治处理方法:停机检查,如果是配件损坏或者不配套原因,更换配件;如果是操作不当造成的原因,重新调试设备;维修后压力自然上升,以清水进行调压试验,以满足压力要求。
4. 3.2压力骤然上升,流量为零,停机压力仍不变动
  产生原因:喷嘴有堵塞;管路清洗不彻底被堵塞。
  防治处理方法:停机检查,卸载压力,如果是喷嘴堵塞,将钻杆提升,疏通喷嘴;其他堵塞应打开接头进行疏通,待堵塞消失后再进行旋喷施工。
4. 3.3压力稍有下降,流量正常
  产生原因:注浆管被击穿或有孔洞;高压输浆管路破损。
  防治处理方法:高压输浆管路查看,无明显破损则应停机拔出注浆管进行检查。
4. 3.4不冒浆或冒浆过大
  产生原因:土层中空隙较大,使浆液流失,引起不冒浆现象;喷射压力不足,喷嘴直径过大,提升和旋转钻杆速度过慢,或有效喷射范围与注浆量不匹配,造成冒浆过大。
  防治处理方法:在喷浆过程中,有一定数量的土颗粒,随部分浆液沿注浆管冒出地面,当冒浆量小于注浆量的20% 时,是正常现象,超过 20% 或完全不冒浆时,应查明产生的原因,然后进行处理。
4. 3.5旋喷体强度不够
  产生原因:使用受潮、过期或不合格的水泥;喷射时水泥浆未搅拌均匀,产生了沉淀;喷射时压力、流量不均匀或操作方法不当,钻杆提升和旋转速度不均匀。
  防治处理方法:选用新鲜无结块、活性良好的合格水泥;水泥浆应拌均匀;加强操作控制,使压力、流量、钻杆提升速度和旋转速度均匀,符合工艺性试验总结要求。
5 盾构掘进同步注浆
  为进一步保证盾构隧道过长江大堤时不对其产生有害影响,施工中将在隧道内通过同步注浆及时填充缝隙,减少推进引起的地面沉降。
5.1注浆材料制备
  双液固结浆,由A,B液组成。A液由水泥、优质膨润土和其他外加剂加水搅拌而成,B 液为水玻璃。水泥浆液初凝时间30s,硬化后强度不低于原土体的抗压强度,1h抗压强度大于0.05MPa,1d抗压强度大于0.7MPa。
5.2注浆量控制
  根据盾构及隧道几何尺寸,计算出每推进一环,理论注浆量为 Q=π/4 × ( R2- r2) ×L×1.5=π/4×(4.932-4.802)× 0.9×1.5 = 1. 89m3 。 实际施工时,根据大堤沉降观测数据分析,及时调整注浆量。
5. 3 盾构施工注浆
  浆体制备:同步注浆材料经场地拌浆机制备,通过管道进入泥浆转驳车,然后运入隧道内,并通过转驳车自带的注浆泵经管片注浆孔向外注出;双液浆因为固结需要,不能提前制备,A液只能在隧道内或沉井内现场搅拌再与B 液经混合器混合后经管片注浆孔向外注出。
  注浆时间:本工程盾构施工采用同步压力注浆,即在盾构机掘进的同时进行注浆,掘进停止后,注浆停止。注浆量或注浆压力达不到设计要求时,可采取二次补浆方法继续注浆。
  注浆位置:当开始掘进当前环(第 n 环)时,第 n - 3 环从盾构机尾刷中脱出,一般即选用该环作为注浆环。
  每环管片有6 个注浆孔,过大堤段管片的附加注浆孔主要利于后期劈裂注浆,同步注浆时不考虑使用。为使浆液能充填空隙的各个部分,宜首选B1,B3,L1,L2四块管片上的注浆孔。
  注浆压力:注浆压力应控制在略大于隧道所处土层位置的土压力,本处在0.3MPa以下。压力太小浆液无法压出,压力太大有可能把浆液沿隧道外壁压入盾构网格或从穿墙套管处窜出,均不可取。
  二次补浆的施工方法与同步注浆基本相同,不再重复说明。
6  结语
  通过对盾构隧道进行预加固以及盾构施工工程中的同步注浆,最终根据监控量测资料显示大堤最大沉降量约为12mm 满足规范和水利及相关部门的验收要求,确保了大堤安全。国内小直径穿越长江大堤施工案例相对较少,本文在解决本工程技术问题的同时也可为其他盾构隧道特别是小直径盾构隧道穿越大堤施工提供一定的参考。
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