一种注浆系统在地铁端头加固中的应用
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作者: 申华伟
摘 要： 随着城市地铁建设规模的扩大及城市发展的需要，地铁建设的周边环境会越来越复杂，旋喷桩、搅拌桩、地表压密注浆等常规的端头加固方法受周边环境的制约越来越大，车站内超前管棚结合水平袖阀管注浆进行端头加固受地表加固场地和隧道埋深的限制，同时具有施工灵活性强、施工方便、进度快、投入少的优点，随着施工工艺的进一步优化和完善，在地铁盾构隧道端头加固中将具有广泛的适用性。
关键词： 盾构隧道；端头加固；超前大管棚；水平袖阀管注浆
0 引言
随着我国城市地下轨道交通的不断发展，盾构法作为比较先进的隧道施工方法目前已成为地铁施工的主要工法，在地铁施工中应用非常广泛，采用何种端头加固方式确保盾构机的始发、到达及周边环境安全是城市地铁盾构法施工的重点控制内容。盾构始发和到达端头加固通常采用的方法有地表压密注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩、SMW工法、冻结法、素混凝土桩或连续墙等。但这些工法受到施工场地、地下管线、端头地层情况、加固深度及施工投入等情况的制约时，实施的局限性较大有的工法甚至无法实施。广州某地铁隧道始发端头地线管线密集，无法实施改迁，地表无加固条件、地层较差，无法采用素砼桩或素连续墙加固，且靠近车流量较大的广从公路，同时考虑到施工成本，在始发盾构加固时第一次采用了超前大管棚和洞内水平袖阀管注浆相结合的加固方法，确保了盾构的始发安全，并取得了良好的经济效益，为后续类似工程提供了相关施工经验及参考。
1 工程概况
广州地铁某标段工程位于白云区，包括两站三区间，区间线路长度为4911.9单线延米，盾构隧道埋深多为7～12米，。沿线地表建构筑物和地下管线较多，需下穿基础较差的民宅建筑群、广从立交、加油站等地表建筑物，沿线分布有直径为1600mm供水管线和煤气管道及多条光缆、电缆等地下管线。
区间隧道施工采用两台土压平衡盾构机施工，需经历六次始发、六次到达和两次过站，两台盾构机先后盾构始发井始发，完成两次过站和区间掘进后从盾构吊出井吊出。
本次始发端头加固为过站后车站内二次始发端头，始发端头处环境复杂，始发端头5米处即为交通繁忙、车流量较大的广从公路；始发端头0.3～3m范围内分布有多条地下管线，其中包括4条通信电缆（其中一条为军用光缆）、一条供水管线（最近处距车站连续墙仅为0.3m）和一条排污管，无法实施管线改迁，具体管线分布情况见图1。
盾构始发端头处隧道埋深为10.8m，隧道上部地层从上到下依次为〈1〉杂填土层、〈4-1〉粉质粘土层、粗砂层和〈5-1B〉粉质粘土地层，洞身上方2.5m范围内全部为粗砂层，砂层上部为〈4-1〉粉质粘土层，隧道穿越地层为〈3-2〉粗砂层、〈5-1B〉粉质粘土地层，隧道下伏地层为〈5-1B〉粉质粘土地层。
2 端头加固方案设计
鉴于始发端头存在的管线众多，改迁难度大、周期长、费用高，地表无加固场地，同时端头靠近交通繁忙、车流量交道的公路，为避免始发时出现较大的地表沉降，破坏路面，影响交通，结合端头地层情况及施工投入等各方面的因素，确定采用超前大管棚注浆和洞内水平袖阀管注浆相结合的方式进行始发端头加固。
2.1 超前大管棚注浆
超前注浆长管棚采用φ108无缝钢管，考虑到施工设备影响，在区间隧道上断面160°范围内加固，管棚中轴线设计位于盾构施工钢环外250mm，加固长度为车站围护结构连续墙外10m，管棚环向间距400mm，外插角1度，每个洞口共26根钢管，总计52根钢管。
管棚注浆采用水泥-水玻璃双液浆，最后用水泥砂浆填充钢管。
2.2 袖阀管注浆
因车站结构底板已经施工，侧墙施工缝留在底板上600mm处，考虑到洞口防水需要，袖阀管注浆设计主要在在盾构施工钢环内布置，隧道顶部和底部在钢环外加强。袖阀管采用φ45PVC规格，施工时采用后退式分段注浆。
袖阀注浆管按照隧道轮廓线环向布置，周边孔距离长管棚800mm，注浆孔环间距800mm、环向间距800mm，孔深为8.0m，底部加固至隧道底板下2.0m。下半断面周边孔外插角10°、二圈孔外插角5°，其它部位外插角0°。
3 盾构始发端头加固
3.1 超前管棚注浆施工
1）钻孔。步骤及工艺要求：① 根据设计孔位测量放线定出每个钻孔的孔位，孔位偏差不得大于2cm。② 钻机就位后，利用垂球结合水平尺检查钻机及钻杆倾斜度。同时，在钻孔钻进过程中对钻孔倾斜度进行检查；为避免在钻进过程中钻杆下垂致使管棚侵入隧道洞身范围，在钻进时以1度的外插角钻进，在施工时应严格按照设计倾斜角度和钻孔深度进行施工。③ 钻孔间隔进行，每个钻孔完成后立即下管、注浆，以免发生漏水现象。④ 砂层部位采用跟管方式钻孔。⑤ 必须做好钻孔施工详细记录，以指导后期注浆施工参数。
2）下管。管棚钢管采用钻机顶进，如遇故障，须重新清孔后再将钢管顶入。地质条件较差时，顶管应及时、快速，以保证钻孔稳定时将管子送至孔底，防止时间过长造成塌孔而影响顶管。
钢管采用Ф108×5mm热轧无缝钢管，节长分1.3、1.5、2.8和3.0m四种规格，装配式相邻两根管棚接口不能在同一截面上，靠基坑一侧钢管长度1.0m范围内不钻孔，管身其它部位梅花形布置注浆孔，孔直径为8mm，纵向眼距30cm，钢管管身均匀钻4排。钢管节间均采用公母旋扣联接，便于顺利下管或遇阻拔管。
3）注浆材料与施工参数。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥用普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度25Be'。
注浆参数：水泥浆水灰比1：1，水泥浆：水玻璃=1：1（体积比），注浆压力控制在1.5MPa内。
4）注浆施工。根据浆液配比设计参数准确配置水泥单液浆和水玻璃浆，分别放置在不同的浆桶内待用。每钻完一孔便顶进一组注浆钢管，并及时注入水泥水玻璃双液浆，注浆完成后，检查钢花管的注浆质量。为增强钢管刚度，注浆完成后可在钢管内注入30号水泥砂浆。在注浆过程中，按注浆压力控制注浆，注浆终压1.5MPa，通过注浆压力控制每步距注浆效果，当注浆压力达到1.5Mpa时，须停止注浆。 3.2 水平袖阀管注浆施工
水平袖阀管注浆施工可以分为八个步骤：① 浆孔布置，洞门钢环范围内注浆管采用PVC袖阀花管注浆，长度为围护结构外8m，布置间距为0.8m。② 注浆材料及施工参数，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆和水泥单液浆，水泥用普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度25Be'。水泥浆水灰比1：1，水泥浆：水玻璃=1：1（体积比），注浆压力控制在1.5MPa内。③ 注浆原理，袖阀注浆管为每节长4m、直径48mm的硬质塑料管，它是由钙塑聚丙烯制造而成。注浆管内壁光滑，接头有螺扣，端头有斜口。注浆管分为实管和花管两种，实管上未开设溢浆孔，花管上每环开有8mm的溢浆孔12个，每组小孔间距33cm。在溢浆孔外部紧紧地套着抗爆压力为4.5MPa的橡皮套，橡皮套在灌浆过程中起到逆止阀门的作用。④ 钻孔，选用XY-100型钻机，钻孔过程中采用泥浆循环护壁成孔，成孔后须立即清孔。⑤ 泥浆配置，护壁泥浆采用膨润土干粉造浆，配置好的泥浆储存在泥浆罐内。配置泥浆性能指标：比重1.05～1.15g/cm3，粘度20～25s，含砂量<4%。⑥ 安设注浆管与浇注套壳料，根据注浆要求，在连管口约1m部位用实管，其它部位用花管，注浆管底部加下闷盖；将实、花管根据要求连接后，沿钻孔下到钻孔底部，用套壳料置换孔内泥浆，注意避免套壳料进入袖阀管内。套壳料配比为水泥：粘土：水=1.00：1.53：1.94。⑦ 封堵管口止浆，管口0.8m范围（及围护结构连续墙范围）用水泥砂浆填塞密实，以免浆液倒流，保证注浆效果。⑧ 注浆，注浆采用KBY-50/70型双液注浆泵，根据钻孔顺序采用分区、跳跃钻孔和注浆，注浆时在袖阀管内放入双塞的灌浆管进行后退分段注浆，并严格监控各段的注浆效果。
3.3 加固效果检测
加固效果检查主要是采用随机钻孔取芯和钻孔过程中的涌水、涌砂情况对加固效果进行判断，洞门内水平袖阀管注浆加固首先从上部无出水的孔位向下施工，把整个水位向下压；在跳孔施工中，后施工钻孔可检查先注浆孔的注浆效果；在整个加固完成后，再根据端头地层情况重新布孔再次钻孔检查加固效果，若达不到要求则继续注浆，直到设计的加固范围内探孔都不在流水为止。本次加固完成后通过加固效果检测判断可以满足盾构始发要求，同时根据盾构掘进通过时的地表路面监测结果显示沉降较小，达到了预期的效果。
4 结语
随着地铁建设规模的扩大，地铁建设将会在越来越复杂的环境中实施，常规的端头加固方法受施工场地、工法自身的局限性、周边环境、地质情况及费用等方面的制约难以顺利实施，而本文介绍的超前大管棚结合水平袖阀管注浆端头加固技术与旋喷桩、搅拌桩加固相比费用底、且不受施工场地和加固深度的限制；与素砼桩、素连续墙相比对地层的适应性有更大的优势；相比于冻结法它不需要大型的冻结机组，且施工投入少的多；另外在资源投入少于其他工艺，在工程进度方面教其他工艺快，本工程在施工实践中积累的经验有助于它的发展和推广。
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作者简介：
申华伟（1980-），男，2003年7月毕业于焦作工学院测绘工程专业，本科，工程师，现从事TBM、盾构施工技术管理工作。
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