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超高压旋喷桩帷幕止水在PBA暗挖隧道中的应用

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：郑立钢1,2 边可3 张昆4

[导读] 摘要：由于地铁建设场区环境限制，暗挖隧道所处的环境复杂，导致进入含水层隧道施工降水条件受限，加之水资源管控限制，为减少地下水排放，有效控制地下水对隧道施工的影响，需研究地下工程止水控制措施。

        1.北京市轨道交通建设管理有限公司北京 100068；
        2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室北京 100068；
        3.天津市市政工程设计研究院天津 300051；4.中铁隧道局集团有限公司广东广州 511458；
        摘要：由于地铁建设场区环境限制，暗挖隧道所处的环境复杂，导致进入含水层隧道施工降水条件受限，加之水资源管控限制，为减少地下水排放，有效控制地下水对隧道施工的影响，需研究地下工程止水控制措施。PBA暗挖法隧道已在城市地铁建设领域取得广泛的应用，但采取非降水作业仍然处于研究阶段，本文结合北京某PBA暗挖隧道高压旋喷桩止水帷幕应用案例，对PBA暗挖隧道高压止水帷幕应用设计进行了专项设计，拟与同环境下的咬合桩、超高压旋喷桩工艺形成技术效果对比。
        关键词：PBA暗挖隧道；超高压旋喷桩；止水帷幕
        0引言
        目前，北京地铁城区内线路埋深较深，且线路多位于主干路的下方，地面、地下环境复杂，暗挖施工降水条件有限，不利于暗挖作业的风险管控，结合水资源管控相关要求，减少地下水排放，地下工程施工止水措施需进一步研究。PBA暗挖法隧道已在城市地铁建设领域取得广泛的应用，但采取非降水作业仍然处于研究阶段。
        本文结合某地铁区间暗挖PBA工法盾构始发平移通道工程（简称始发通道），进行洞内止水工艺研究，始发通道全长77.95m，结构净高14.74m，净宽10m，底板埋深31.51m，主要穿越地层为粉质黏土、粉土、粉细砂、卵石-圆砾、中粗砂等，地层中赋存有4层地下水，其类型分别为上层滞水（一）、层间潜水（二）、层间潜水（三）和承压水（四），其中层间潜水（三）对结构施工有影响。结构位于某道路主路正下方，周边多建构筑物，且地下管线众多，地面不具备打设降水井条件，周边环境、地质环境及站位埋深具有代表性，为保证无水施工，在通道内边桩采用洞内机械成孔，桩间采用超高压旋喷桩止水帷幕。
        1工程概况
        1.1工程环境概况
        盾构始发平移通道位于城区内主干道道路下方，多辅路，周边有道路桥梁、高速公路匝道桥及其挡墙、民用商业建筑等，临近一条泄洪排水河。地下管线较多，具体分布如下：3700x2500热力管沟，管底埋深8.25米，管沟距离开挖边线3.24米，3000x1600热力管沟，管底埋深3.7米，管沟距离开挖边线11.25米，2000x2000电力管沟，管底埋深5.41米，管沟距离开挖边线17.16米，Φ400上水管线，管底埋深0.94米，管线距离开挖边线15.45米，Φ600污水管线，管底埋深4.93米，管线距离开挖边线20.56米，详见图1。

        图1结构周边管线情况剖面图

        图2通道导洞平面布置图
        1.2通道概况
        盾构始发通道主体结构为地下两层单跨结构，顶拱覆土厚度约16m。结构净高14.74m，净宽10m。主体结构采用暗挖PBA工法，上层逆筑、下层顺筑施工，结构顶拱由钢格栅+喷射混凝土的初期支护和模注钢筋混凝土的二次衬砌构成，两次衬砌之间设柔性防水层；PBA工法主体结构边桩采用灌注桩（Φ1200@1700）；桩间架设1层临时支撑，钢支撑选用∅800x16钢管；灌注桩与结构内衬之间设置防水层。
        1.3工程水文地质
        高压旋喷桩主要下穿层间潜水（三）及承压水（四），地下水详细情况如下：
        层间潜水（三）：含水层岩性为卵石--圆砾⑦层、中粗砂⑦1层和粉细砂⑦2层，透水性较好，稳定水位标高为18.90～20.10m，稳定水位埋深为18.10～22.50m。
        承压水（四）：含水层岩性为粉细砂⑦2层，透水性良好，该层水水头高度为3.0～4.0m，稳定水位标高为11.31～13.90m，稳定水位埋深为24.20～29.40m。
        2.止水帷幕设计
        为综合研究暗挖PBA工法隧道止水专项方案的止水效果，在本通道中选用咬合桩、高压旋喷桩、RJP超高压旋喷桩三种止水方案，本文介绍超高压旋喷桩止水应用设计方案，以期总结在同条件下不同止水方案的相关参数、工艺、效果及经济指标。
        2.1桩间阻水分析
        采用落底式止水帷幕，帷幕底部插入隔水层隔断基坑内外的水力联系。
        基坑抗渗流稳定性计算：
        抗渗流稳定安全系数：。满足要求。
        止水帷幕渗透系数达到1×10-6cm/s。
        2.2超高压止水帷幕设计
        通道结构采用桩径为1200mm@1700mm的钻孔灌注桩作为结构围护桩，止水帷幕试验段采用如下四种方式：距竖井侧10m范围采用直径600mm旋喷桩桩外侧间距400mm打设；距竖井侧10m~25.3m范围采用直径1200mm咬合桩间距1700mm；距竖井侧25.3m~64.4m范围采用直径600mm旋喷桩桩外侧间距400mm+桩间1根打设；其余部位采用直径1200超高压旋喷桩桩间打设。平面位置见图4。

        图3通道施工参数剖面图

        图4止水帷幕示意图

        图5二重管法高压旋喷桩施工流程图
        3超高压旋喷桩止水帷幕施工
        3.1人员配置
        施工投入的管理人有由正副作业队长、值班技术员、专职安全员、物资管理员及机械维修员共计10人组成，技术人员由机械操作工、电工、旋喷桩施工操作工共计21人组成，另需配置普工12人配合施工。
        3.2机械配置
        设备机械配置如下：MD150型引孔钻机1台，MD150型高压旋喷钻机1台，BZ30型全自动搅拌后台1台，ES320型高压泵2台，60t型水泥罐4个。
        4施工工艺
        高压旋喷桩形式为A600@400（桩间增设一根），桩长18m，采用二重管旋喷加固。施工工艺见图5。
        4.1引孔施工
        引孔施工流程：测放桩位→人工破孔→引孔钻机就位（垂直度检测）→钻进施工→引孔测斜→下放PVC护管→提钻成孔→移钻。
        （1）经由测量员按照规定放设点位，将点位进行标识后，由人工进行破除导洞内混凝土格栅，破除时不可损伤初支格栅钢筋，破除完毕后再由测量员进行验桩位，验收合格后方可进行下道工序施工。
        （2）钻机就位后，用水平尺和定位测锤校准桩机，垂直度偏差不大于1%，桩位对中误差不大于5cm。引孔成桩做专门记录表，为旋喷桩施工提供参考依据。
        （3）启动钻机边旋转边钻进，钻孔深度不小于设计深度。引孔采用“跟管护壁”工艺，此钻机为洞内定制钻机，对于卵石层成孔有较强针对性，采用ZP-200注浆泵提供泥浆，减少堵管几率；在钻进过程中，两根钻杆同时安装、钻进，拆卸时，应先拆除内部动力钻杆后，在拆卸外部护壁套管，减少了孔壁塌孔几率。在钻进过程中严禁强行钻进，以免损坏动力头与钻杆，成孔后采用专业设备进行垂直度测量，测量数量以现场实际测量为准，作为参考数据。
        （4）引孔钻机钻进至设计标高后，现将内部钻杆全部提出，将测斜仪放至护壁套管内，逐点测量，进行孔位测斜，使用设备为CX-5C型测斜仪。到目前为止成孔偏差度满足设计要求。且远小于1%。
        （5）测斜完成并符合要求后，将PVC管逐根下放至套管内，两个PVC管之间采用胶带链接，以保证柔性连接，以防塌孔。
        （6）待pvc管安装完成后将钻杆提出孔位，提钻过程中，严禁晃动钻机，防止挤断pvc管，如提钻过程中pvc被带出，将pvc管取出，重新下放。将钻杆全部取出，引孔成孔，钻机移机，进行下一桩位施工。
        4.2旋喷施工

        图6旋喷施工工艺流程
        （1）机械就位
        钻机就位后，用水平尺和定位测锤校准桩机，垂直度偏差不大于1%，桩位对中误差不大于5cm。对位完成后应在地面上进行压力测试，测试合格后方可进行下钻。试压过程中应注意安全，严禁喷嘴对人喷射。
        （2）钻机钻进
        启动钻机边旋转边钻进，钻孔深度不小于设计深度。过程中控制泥浆比重，保证孔壁的完整性。
        （3）浆液配置
        在旋喷施工前应配置好水泥浆液，水泥浆（单浆）水灰比为1-1.5，每次水泥浆搅拌时间不得少于2分钟。水泥浆通过高压泵输送到钻杆喷管内，最后喷出。
        （4）旋喷施工
        ①喷射注浆：在插入旋喷管前先检查高压设备和管路系统，设备的压力和排量必须满足设计要求。
        ②泥浆排放：排放泥浆分为两种方式进行排放，对于易处理泥浆直接采用离心式泥浆处理设备进行脱水处理，对于不易处理的泥浆直接排放至洞内，待其固结后直接由铲车、挖机排放至竖井内在抓至渣土场。
        ③清洗：通过高压泵送清水冲洗管路内残存水泥浆直至清晰干净。
        ④移位：移机连续施工。
        4.3高压旋喷桩控制参数
        施工控制指标

        4.4超高压及高压旋喷施工成桩质量分析
        4.4.1垂直度控制分析
        高压旋喷桩采用旋喷机成孔后旋喷施工，且引孔机因无操作空间无法为高压旋喷桩进行引孔，故在粉细砂夹砂层部位（2~7.3m）处垂直度受卵石影响较大。
        高压旋喷桩钻孔垂直度控制偏差统计

超高压旋喷桩因采用引孔钻机成孔，故垂直度控制较好。
高压旋喷桩钻孔垂直度控制偏差统计

4.4.2施工工艺参数分析
高压旋喷桩工艺参数统计统计

超高压旋喷桩工艺参数统计

4.4.3经济性分析

        旋喷桩阻水分为高压旋喷桩及RJP超高压旋喷桩，其中高压旋喷桩又分为桩外布置和桩外+桩间设置两种型式。
        桩外侧布置旋喷桩综合经济指标为385.41*5=1927.05元/m；
        桩外侧+桩间布置旋喷桩综合经济指标为385.41*6=2312.46元/m；
        仅以经济指标计桩外侧布置旋喷桩最优。
        4.5质量保证措施
        （1）质量控制
        根据施工程序，严把钻孔深度、配料注浆压力、注浆量关，每一道工序均安排专人负责，并记录好每一道工序的原始数据。
        （2）工程质量保证措施
        钻孔施工：精确孔位、控制误差、严控过程措施。
        配料：较准全自动搅拌后台计量工具，按设计配比施工。
        喷浆：控制好压力、提升速度、转速和流量，保证施工质量。
        5高压旋喷桩止水为帷幕效果及适用分析
        三种型式旋喷桩组成的止水帷幕中，止水效果桩外+桩间设置高压旋喷桩优于RJP超高压旋喷桩，RJP超高压旋喷桩优于桩外布置旋喷桩。实际施工时个别渗水点通过双液浆堵漏，能比较迅速的堵住漏水点，总体来说，效果比较好，达到了预期效果。
        根据工程实际，高压旋喷桩粘性土和碎石土中的成桩效果较好，无侧限抗压强度和渗透系数均满足设计要求，在砂砾、卵石层成桩效果不理想，不能有效形成固结体，达到止水效果。
        参考文献（References）:
        [1]《地下铁道工程施工及验收规范》.中国计划出版社.2003年版GB50299- 1999.
        [2]丛蔼森《.地下连续墙的设计施工与应用》.中国水利水电出版社.2001年02月.第一版.
        [3]《地基与基础工程施工工艺标准》.山西科学技术出版社.2007 年 1 月1 版.
        [4]《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)
        [5] 江正荣.建筑地基与基础施工手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2005.
        [6] 徐平，张敏霞，丁亚红.高压旋喷注浆加固设计及应用[J]山西建筑，2009，35(13)：94-95.
        [7]刘光荣.浅谈高压旋喷桩止水帷幕渗漏、涌砂处理[J].铁道建设，2008.
        [8]YSJ 210—92，高压旋喷桩注浆技术规程.
        双创基金项目名称：暗挖车站洞内止水施工工艺研究；项目编号：SCJJ2018003。
        作者简介
        （1）郑立钢，男，1979年，高级工程师，土木工程；
        （2）边可，1985年，男，汉族，高级工程师，土木工程；
        （3）张昆，男，1986年，工程师，土木工程。