袖阀管注浆技术在河床地层加固中的应用

袖阀管注浆技术在河床地层加固中的应用

[摘要] 为确保盾构隧道施工在软弱地层中的施工安全,须对地层进行预加固处理，本文以工程实例介绍了袖阀管注浆技术在河床地层加固的应用，从实践中总结注意事项及施工要点，表明该项新技术、新工艺的可行性。

[关键词] 袖阀管注浆 河床 淤泥层 地层加固

引言

注浆技术是岩土工程中一种极为重要的施工方法。在土体注浆过程中，浆液通过渗透、压密、劈裂等方式与土体相互作用，改善土体的性能，使土体自稳能力及抗变形能力有较大程度的提高。随着岩土工程技术的快速发展，在注浆工艺方面，高压注浆技术从单管注浆逐步形成双管、三管注浆、袖阀管注浆等，且已经发展成为与锚固技术共同使用的一项常规施工技术。

随着城市轨道交通建设的蓬勃发展,盾构法施工得到了广泛应用。为确保在软弱地层中检查刀盘、更换刀具及盾构机始发、到达处的施工安全,须对地层进行预加固处理。在深圳、广州地铁施工中曾多次采用袖阀管法注浆技术加固地层,取得了良好的效果。

该工法与其它注浆工法相比有如下特点：①一般适用于50m以内的地表注浆，需要采用大型钻孔机械进行成孔；②具有上下两个止浆系统，能将浆液限定在注浆区域的任一段范围内进行注浆，达到分段注浆的目的；③止浆系统在光滑的袖阀管内可以自由移动，可根据需要在注浆区域内某一段反复注浆；④根据地层特点，可在1根注浆管内采用不同的注浆材料，选用不同的注浆参数进行注浆施工。

1.工程概况

天津西站至天津地下直径线线路全长约5.005km，其中隧道长3.312公里。盾构隧道斜下钻海河段的里程范围为DK3+415～DK3+580，长165m，位于狮子林桥的东侧，该段隧道采用盾构法施工，盾构设备为泥水加压平衡盾构，盾构开挖外径Φ11.97m，隧道外径为Φ11.6m，隧道内径为Φ10.6m。海河河底高程在2008年6月勘测期间为-1.43～-9.31m(85高程，实测)。海河河水水位高程为0.1～0.2m。洞顶最小覆土厚度约为8.4m(其中淤泥层厚约5.0m)。

盾构隧道与海河平面关系示意图

盾构隧道穿越海河段区域主要处于淤泥地层中，淤泥分布在海河底部，含碎石等杂物，钻孔揭示隧道上方淤泥最大深度为7.6m，具灵敏度高，低强度等特点，极易发生蠕动和扰动。地表水为海河河水，水深为9.3m，水面高程为0.1～0.2m，水面宽度为85～88m，水流缓慢。同时，盾构隧道在DK3+450处穿越Φ600

煤气管及Φ800给水管。综上所述，盾构隧道穿越海河段是该工程施工过程中最大一个风险点，为了保证该段隧道在开挖过程中尽量不引起河床沉降，导致河水灌入隧道区间内，防止管线因隧道施工引起的累积沉降或瞬间沉降引起管线开裂，采用了袖阀管注浆加固处理了该段地层。

盾构隧道与海河横断面关系示意图

2.施工难点

该段淤泥地层分布在海河底部，注浆施工不同于地面，需要大型船只作为施工平台。由于水流及风速影响，导致施工作业船体难以固定，每一排注浆孔测量定位难度较大，是注浆施工的第一个难点。同时，由于注浆施工处于水下，地质情况较为复杂，在施工中易发生冒浆现象，施工质量难以控制，亦会造成河水污染，是注浆施工的第二个难点。在加固范围内存在一根给水管及一根煤气管，在管线附近的注浆孔需要精确定位，是注浆施工的第三个难点。

3.注浆方案设计

海河河底注浆加固按设计方案进行80排共计4110根PE管注浆，孔位分布如下所示。

注浆孔位布置图

3.1注浆技术参数

综合考虑盾构隧道穿越海河段的注浆目的、地质情况以及加固区地层的孔隙比大小，以及实际的施工情况，注浆技术参数设计如下：

⑴孔位布置:孔布孔间距1.2m*1.2m，布孔时孔位偏差≤50mm。

⑵单孔注浆扩散：注浆半径的确定。依据袖阀管法理论模型,假定浆液在砂砾中作紊流运动,其扩散半径r为:

式中:t—灌浆时间,s；

k—砂土的渗透系数,cm/ s ；

v—浆液的运动粘滞系数,cm/ s；

h1—灌浆压力,MPa ；

ro—灌浆管半径,cm ；

de—被灌土体的有效粒径,cm ；

n—砂土的孔隙率。

经过粗算及现场试验,确定r=1.2m ,其有效影响半径为0.7m。

⑶注浆范围：纵向60m，横向120m

⑷注浆材料：一次注浆材料为水泥水玻璃双液浆，其水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为35Be。，双液浆体积比为1：1～1：0.6，水泥浆内按原设计掺入膨胀剂(水泥量的8%)。另外为避免现场注浆时发生堵管现象，水泥浆中掺入缓凝剂（磷酸氢二钠Na2HPO4·12H2O）。缓凝剂的掺入量通过实验测定，掺入量为水泥量的2%。二次注浆材料采用TGRM灌浆料，TGRM浆液水灰比为1：1。

⑸注浆压力及时间：一次注浆压力1~2MPa，每段时间不少于5分钟；压力1.5~2.5MPa，每段时间不少于5分钟。

⑹注浆顺序：采用先外围，后中间，同排隔孔注浆，临排错开注浆的原则。先外围后中间是为了防止浆液流失，同排隔孔注浆及临排错开注浆是为了防止窜浆，提高注浆孔位的约束性。

3.2施工工艺

袖阀管注浆法主要施工工序可分为四步， 即泥浆护壁成孔、浇注套壳料、下袖阀管止浆、注浆。

⑴钻机就位、成孔: 按现场测放点位置,准确就位,并校正钻杆的垂直度,按设计要求,泥浆护壁成孔到预定深度。本工程主要采用XY—100 型地质钻机成孔。

⑵注入套壳料:套壳料的基本功能为:封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间,防止灌浆时浆液到处流窜,在橡皮袖阀和止浆塞的配合下,逼使浆液只在一个灌段范围开环(即挤破套壳料) 而进入地层。套壳料的破碎程度越高,注浆率一般就越大,所需注浆压力也较小。套壳料采用以粘性土为主,水泥为辅的低强度配方,掺入细砂可提高套壳料的脆性。施工过程是:在孔中插入无孔眼的钢管,并通过此管压入套壳料,直至孔内泥浆完全被顶出孔外,拔出钢管。

⑶埋管:本工程采用Á50塑料管,管子每隔50cm钻一组小直径射浆孔,射浆孔管底盖必须牢固密封。管连接时,两管口必须对平紧连,外套连接管两端须用胶布密封。管安插过程中如遇阻力,不能顺利向下插入,应查明原因,严禁使用过大外力压入。管安插深度应与孔深一致,最大误差不应大于20cm ,安插完成,向管内注满水,盖好保护帽并作标记。

⑷开环:所谓开环,是待套壳料养护5～7d 具有一定强度后,通过注浆泵施加压力把套壳料压裂,为浆液进入地层打开通路。本工程采用快速开环,采用较大的

起始泵压、较短的升压间隔时间和较大的压力增值进行开环。

⑸注浆:注浆方式是自下而上,采用双塞系统止浆塞分段注浆,每段长1m。在设计压力下,注浆达到终注标准时,将注浆管上拔1m后接着注浆,依次操作成孔,并采用1～3 次加密来保证注浆效果。终注标准是必须符合以下情况之一: ①一个1m注浆段的注浆量达到设计要求时；②在设计压力下注浆时,每段注浆时间不得少于5分钟；③在设计压力下注浆时, 注入率≤1L/ min 。

⑹冲洗并移位:单孔注浆结束后,必要时将水管插入孔底,用清水冲洗塑料管,直至返清水。

3.3施工技术要点

⑴钻孔时要控制孔斜，防止坍孔，保持泥浆质量，防止泥皮附着，孔底沉渣要处理。

⑵要通过试验确定套壳料配合比，对套壳料的要求是：①适宜的力学强度，强度高可防止浆液冒串，要求早期强度增加较快，后期强度缓慢增加；②收缩性要小，凝固后不至于跟袖阀管脱开；③脆性要高，以增加开环后的破碎程度；④淅水率较小稳定性较高。

⑶要通过试验确定开环压力，保证套壳料能均匀、充分破碎。开环前，泵压随时间增大；开环后泵压骤降，继续注浆，泵压逐渐上升。

⑷要根据被加固的质量要求，并通过试验确定注浆压力。对被加固体强度要求高时，注浆压力就高，注浆量也大。

⑸注浆要根据成孔先后顺序、钻孔布置情况，分序注浆、逐次加密。 先外后内，外围孔要控制注浆量，定量注浆，以免浆液扩散到不必要的地方，中间孔则要在注浆压力下，直到不吸浆为止。

⑹注浆时若邻近孔没有反应，且注浆量过大，可采用‘间歇定量分序注浆法’注浆，以控制浆液扩散范围,提高注浆效果。

结语

此次注浆处理是隧道穿越海河段范围，由于河床淤泥层地质相当软弱，所以注浆工艺中引入了双液注浆，在注浆材料中加入了水玻璃，目的是水泥浆液初凝后，在一定压力下它会重新开辟新的注浆通道，从而保证静压桩承台范围内浆液均匀。既要保证水泥浆液的速凝效果，又要保证水泥浆液的强度，通过多次现场试验确定了水玻璃与水泥浆液的含量比，浆液的凝胶时间为45s。利用水玻璃的速凝作用，使水泥浆液在压力的作用下，充分的压密、劈裂静压桩承台范围内处理土体，将土体中的气体和水挤出，并形成树枝状、叶面状等的水泥结块，使处理体填充密实。

袖阀管注浆法集中了压密注浆、劈裂注浆、掺入注浆的优点，具有分序、分段、定深、定量、间歇、重复灌注的特点，适用于粉土粘土、砂层、黄土馅穴、破碎带等软弱地层处理，但在该工程袖阀管注浆首次应用于河床淤泥层加固，不仅施工难度大，而且相关标准少，没有施工经验借鉴，在施工过程中，技术难题需要多方论证解决。窜孔现象频繁发生，由于注浆量难以把握，注浆结束后，导致河床床位抬高较多。

参考文献:

[1]程骁,张凤祥.土建注浆施工与效果检测.上海：同济大学出版社.

[2]刘惠珊，徐攸.地基基础工程283问[M].北京：中国计划出版社.