一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法
阅读说明：本技术 一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法 (Shield starting construction method under water-rich sand layer geological condition ) 是由 胡国伟 李刚柱 俞南均 孙伯乐 邹科 淡永航 王鹏飞 汪晓 史邢凯 赵昕龙 李晓 于 2020-03-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于隧道施工技术领域,具体涉及一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法。该工法在富水粉砂地层盾构始发施工中,采取三轴搅拌桩进行端头加固并施作一圈复搅止水帷幕阻水,RJP超高压旋喷桩进行剩余50cm“夹心层”的加固处理,然后坑外打设群井降水控制水位,在降水施工前先进行降水试验,采用Aquifertest软件和泰斯曲线法进行参数计算分析和配线拟合验证可否达到降水效果,配合局部水平注浆对洞门渗漏点进行补强,始发时洞圈内反压黏土和快干水泥反压止水,以确保盾构机安全的进出洞。为解决富水砂层等类似极差地质条件下盾构始发接收安全风险问题提供了良好借鉴,经济、社会效益显著,应用前景十分良好。(The invention belongs to the technical field of tunnel construction, and particularly relates to a shield launching construction method under a water-rich sand layer geological condition. In the construction method, during shield launching construction of a water-rich silt stratum, a triaxial stirring pile is adopted to reinforce the end and apply a circle of re-stirring waterproof curtain for water blocking, an RJP ultrahigh-pressure jet grouting pile is used for reinforcing the residual 50cm of a sandwich layer, then a group well is drilled outside a pit to control the water level, a precipitation test is carried out before precipitation construction, Aquifest software and a Tess curve method are adopted to carry out parameter calculation analysis and wiring fitting verification to verify whether the precipitation effect can be achieved, local horizontal grouting is matched to reinforce a leaking point of a tunnel portal, and back pressure clay and quick-drying cement in the tunnel ring are used for back pressure water blocking during launching so as to ensure that a shield machine can safely enter and exit the tunnel. The method provides a good reference for solving the problem of shield starting and receiving safety risks under similar extremely poor geological conditions such as water-rich sand layers and the like, and has remarkable economic and social benefits and very good application prospect.)
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法。
背景技术
盾构始发和到达洞门破除后,端头土体暴露,端头地层受力平衡状态被破坏，土体结构、作用荷载和应力发生了变化，端头土体有可能发生潜在滑移破坏。对于自稳时间较短的土体，如松散砂土、粉土以及饱和的软粘土，端头加固非常必要。
根据不同地层情况，区间端头常用加固方式有素桩加固、高压喷射法、冷冻法、素桩+水平注浆加固等。 素桩加固，素桩加固施工适用地层主要是黏土、水量贫乏、含水率小的土层。冷冻法加固，冷冻法施工适用地层主要是砂层、淤泥、含水率大的土层。端头加固若采用冻结法，存在冻结土膨胀车站端头侧墙变形的影响，同时施工成本很高，受地表条件限制。 素桩+水平注浆加固该加固方法适用于隧道位于黏土层和风化岩层结合的土层，即黏土层水量贫乏、含水率小。
就国内盾构工程而言，富水粉砂地层盾构始发接收施工中，包括洞门涌水涌砂、端头地层失稳等安全风险极大，技术难度高。
富水砂层，土层软弱且地下水位高，力学性差且透水性强。地下水类型主要分为潜水和承压水，水位埋深一般为1.40～2.00m，水位较高。富水粉砂地层盾构始发施工中，包括洞门涌水涌砂、端头地层失稳等各类灾害事故发生几率较高。在始发过程中控制确保洞门不涌水涌砂、端头地层稳定成了工程的重难点。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法，采用三轴搅拌桩进行端头加固并施作一圈复搅止水帷幕阻水，三轴搅拌桩加固区与地下连续墙中间增加RJP高压旋喷桩加固，然后坑外打设降水井降水控制水位；在降水井降水施工前先进行降水试验，采用抽水实验软件和泰斯曲线法进行参数计算分析和配线拟合验证可否达到降水效果；配合局部水平注浆对洞门渗漏点进行补强，始发时洞圈内反压黏土和快干水泥反压止水。
具体的，所述三轴搅拌桩的加固范围为：
平面加固范围；纵向为盾构掘进方向11.5m，横向为距盾构隧道轮廓左右3m之间的区域内；
立面加固范围；盾构隧道外径顶部以上3.0m至地面为弱加固区，盾构隧道外径顶部以上3.0m至盾构隧道外径底部以下3.0m之间为强加固区。弱加固区水泥掺量为7%，强加固区水泥掺量为20%，弱加固区钻头提速较快。
进一步地，所述RJP高压旋喷桩的施工方法为：
1）高压旋喷；先空载启动空压机，待运转正常后再空载启动高压泵，同时向孔内送风和水，使风量和泵压升高至规定值；风、水畅通后，开动注浆泵，待泵量、泵压正常后开始注浆，待水泥浆流出喷头后，提升注浆管，自下而上喷射注浆；
2）深层旋喷时，先喷浆后旋转和提升；喷射注浆中拆除注浆管时，停止提升和回转，同时停止送浆，减少风量和水量，最后停机；拆卸完毕继续喷射注浆时喷射注浆的孔段与前段搭接，搭接长度≧300；
3）旋喷时测量压力、流量和冒浆参数，并逐项记录；冒浆量大于注浆量40%或完全不冒浆时，检修后，再继续旋喷；
4）在旋喷过程中，检查喷嘴是否局部或全部被堵，喷嘴被堵后拔管清洗后重新进行旋喷；
5）补浆；喷射注浆作业完成后，及时用水和灰的质量比例为1:1的水泥浆补灌。
进一步地，所述三轴搅拌桩的施工步骤包括：
1）喷浆搅拌下沉；在喷浆搅拌下沉前，检查喷浆系统是否正常，然后开始制备水泥浆；启动搅拌机电机，同时灰浆泵泵送水泥浆，灰浆泵出口压力保持在0.4～0.6Mpa之间；开始喷浆时，搅拌机开始搅拌下沉，直至设计深度，下沉的速度由桩机的档位控制；
2）喷浆搅拌上升；当搅拌机搅拌下沉至设计桩长标准时，搅拌机开始提升搅拌直至孔口；
3）重复搅拌下沉、上升；搅拌机提升至孔口标高时，再重复一次喷浆搅拌下沉、喷浆搅拌上升的施工过程，至搅拌桩重新提升至孔口后即结束该桩的施工；
4）移位；经过两喷两搅后，搅拌机移开所施工桩位，然后移至下一桩位，重复相应的施工工序完成其他桩孔施工。
进一步地，所述RJP高压旋喷桩的直径为Φ1200mm，水泥浆的水和灰的质量比例为1:1，水泥浆压力为40Mpa，主空气压力为0.8Mpa，主空气流量为6m3/min，高压清水流量为60L/min，水泥用量为810kg/m3，提升速度为120mm/min，水泥浆浆液流量为150L/min，高压清水压力为20Mpa，成桩角度误差控制在1/200内，清水喷嘴的直径为￠2.4mm，泥浆喷嘴的直径为￠3.7mm，钻头转速为6r/min。
进一步地，所述降水井井深设置为24m，降水井布置在端头井围护与搅拌桩加固交界处、沿盾构推进方向在盾构机进入加固土两侧布置降水井、在盾构加固体与原状土交界侧布置降水井，所有降水井施工完毕后进行试抽水，检验降水效果。
具体的，RJP高压旋喷桩施工前先进行引孔，引孔时保证成孔中心与桩位中心误差小于50mm，垂直度误差小于1/200。
进一步地，所述的水平注浆的方法为：
1）在端头加固完成后，盾构始发前，首先在始发洞门位置进行水平探孔，水平探孔深度为2.5m，检验加固体止水效果，出现漏水后进行水平注浆，采用水泥浆和水玻璃双浆液，水泥浆和水玻璃浆的掺入体积比为1：1；
2）钻孔时达到设计深度即进行注浆，若钻进过程中出砂出水则立即注浆；依此往复循环，直至设计终孔为止；总体注浆顺序为先环向、后中间、由下至上、由边向中；
3）注浆压力为2~4MPa之间；现场发现地面跑浆或隆起时，立即停止注浆；
4）注浆结束标准；注浆压力均达到设计值时，持续10分钟注浆后停止注浆。
进一步地，三轴搅拌桩加固体临近地下连续墙的4排和最外圈一排封闭连接组成止复搅水帷幕。
RJP高压旋喷桩质量控制要点：
1、施工过程中应对附近地面、地下管线的标高进行监测，当标高的变化值大于±10mm时，应暂停施工，根据实际情况调整压力参数后，再行施工。2、制作浆液时，水灰比要按设计严格控制，不得随意改变。在旋喷过程中，应防止泥浆沉淀，浓度降低。不得使用受潮或过期的水泥。浆液搅拌完毕后送至吸浆桶时，应有筛网进行过滤，过滤筛孔要小于喷嘴直径1/2为宜。3、开始时，先送高压水，再送水泥浆和压缩空气，在一般情况下，压缩空气可晚送30s。在桩底部边旋转边喷射1min后，再进行边旋转、边提升、边喷射。4、喷射时，先应达到预定的喷射压力，喷浆量后再逐渐提升注浆管。中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩柱中断，同时立即进行检查，排除故障；如发现有浆液喷射不足，影响桩体的设计直径时，应进行复核。5、旋喷过程中，冒浆量大于注浆量40%或完全不冒浆时，应查明原因，调整旋喷参数或改变喷嘴直径。对需要扩大加固范围或提高强度的工程可采取复喷措施，即先喷一遍清水，再喷一遍或两遍水泥浆。6、钻杆旋转和提升必须连续不中断，拆卸接长钻杆或继续旋喷时要保持钻杆有50～100cm的搭接长度，时间过长是则需再增加搭接长度，避免出现断桩。7、在旋喷过程中，如因机械出现故障中断旋喷，应重新钻至桩底设计标高后，重新旋喷。8、喷到桩高后应迅速拔出浆管，用清水冲洗管路，防止凝固堵塞。9、旋喷深度、直径、搭接距离、抗压强度和透水性应符合设计要求。
端头降水质量控制要点：
1、采用泥浆护壁、正循环钻进成孔的疏干井采用空压机洗井，且工作时间不应少于2小时，洗井后应出水清澈，无可见砂粒。2、疏干井滤料宜采用粗砂回填，滤料柱顶面以上应用粘性土填实。
三轴水泥搅拌桩质量控制要点：
1、三轴水泥搅拌桩施工采用两喷两搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻，喷浆量应小于总量的1/2，严禁带水下钻。第一次下钻和提钻时一律采用低档操作，复搅时可提高一个档位。每根桩的正常成桩时间应不少于40分钟。2、为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量，第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30秒，进行磨桩端，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30秒。3、施工中发现喷浆量不足，应按要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，喷浆中断时应及时记录中断深度。在12小时内采取补喷处理措施，并将补喷情况填报于施工记录内。补喷重叠段应大于100cm，超过12小时应采取补桩措施。4、施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时，不得进行下一根桩的施工。5、提升速度不宜过快，避免出现真空负压、孔壁坍塌等而引起的周边地基下沉。6、施工过程中增加紧邻车站及盾构隧道的监测频率，如发生异常情况及时停止施工，采取措施后方可继续施工。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提出的一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法，通过采取综合措施有效控制了盾构始发阶段安全风险，在地下连续墙与三轴搅拌桩中间增加RJP高压旋喷桩，有效的隔断了地下水，同时使用了水平补注浆的施工工艺，加强了地连墙处易漏水的薄弱环节，确保了盾构始发施工阶段地层及掌子面安全可控，避免了因端头地层沉降、涌水涌砂等造成的损失。三轴搅拌桩施工速度快，成桩后止水效果显著；机械自动化控制，操作程序简单；人工投入少，施工成本低；并且三轴搅拌桩由于沟槽开挖完成后即可进行施工，现场不需要泥浆池，施工现场安全文明有保障。RJP高压旋喷桩工法进行两次切削破坏土层，增加了切削深度，加大了固结体直径。较冷冻法或其他传统的盾构始发工艺具有安全高质、节约成本、加快工期等诸多优点。为解决富水砂层等类似极差地质条件下盾构始发接收安全风险问题提供了良好借鉴，经济、社会效益显著，应用前景十分良好。
附图说明
图1为端头土体加固平面示意图。
图2为端头土体加固纵断面示意图。
图3为RJP桩施工参数表。
图4为水平注浆孔位布置图。
图中：1、井筒，2、车站围护结构，3、RJP高压旋喷桩加固体，4、地下连续墙，5、止水帷幕，6、三轴搅拌桩加固体，601、强加固区，602、弱加固区，7、盾构体，8、套管。
具体实施方式
结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法，采取三轴搅拌桩进行端头加固并施作一圈复搅止水帷幕阻水，三轴搅拌桩加固区与地下连续墙中间增加RJP高压旋喷桩加固，然后坑外打设降水井降水控制水位，在降水施工前先进行降水试验，采用抽水实验软件和泰斯曲线法进行参数计算分析和配线拟合验证可否达到降水效果，配合局部水平注浆对洞门渗漏点进行补强，始发时洞圈内反压黏土和快干水泥反压止水。
施工工艺流程
三轴搅拌桩、复搅止水帷幕施工→RJP高压旋喷桩接缝处理→端头井点降水施工→水平探孔及注浆→洞门内密封止水措施→盾构始发。
1.1三轴搅拌桩施工
1、加固范围
平面加固范围；纵向为盾构掘进方向11.5m，横向为距盾构隧道轮廓左右3m之间的区域内；
立面加固范围；盾构隧道外径顶部以上3.0m至地面为弱加固区，盾构隧道外径顶部以上3.0m至盾构隧道外径底部以下3.0m之间为强加固区。如附图2所示。
2、搅拌桩施工工艺
1）喷浆搅拌下沉；在喷浆搅拌下沉前，检查喷浆系统是否正常，然后开始制备水泥浆。启动搅拌机电机，同时灰浆泵泵送水泥浆，灰浆泵出口压力保持在0.4～0.6Mpa之间，开始喷浆时，搅拌机开始搅拌下沉，直至设计深度，下沉的速度由桩机的档位控制。
2）喷浆搅拌上升；当搅拌机搅拌下沉至设计桩长标准时，搅拌机开始提升搅拌直至孔口。
3）重复搅拌下沉、上升；搅拌机提升至孔口标高时，再重复一次上述喷浆搅拌下沉、喷浆搅拌上升的施工过程，至搅拌桩重新提升至孔口后即结束该桩的施工。
4）清洗、移位；经过两喷两搅后，搅拌机移开所施工桩位，然后移至下一桩位，重复相应的施工工序。每天施工完最后一条桩后，用清水洗送浆泵，清洗全部管路中的残存水泥浆及搅拌头的软土。
1.2RJP高压旋喷桩施工
传统高压旋喷桩止水效果一般，RJP(RodinJetPile)工法的基本原理与其它高压旋喷注浆一样，均以超高压喷射流体的功能，将土层的组织结构破坏，被其破坏后的土粒与浆液混合搅拌，凝固后便在地层中形成固结体。但RJP工法的加固机理与普通旋喷不同，主要是进行两次切削破坏土层，第一次是上段的超高压水和空气的复合喷射流体对该地土层进行第一次切削，在提升过程中下段的超高压泥浆和空气的复合喷射流对该地土层在第一次切削的基础上进行第二次切削，这样便增加了切削深度，加大了固结体直径。
RJP高压旋喷桩的工艺流程为
1、引孔
（1）由于端头处地连墙施工可能存在鼓包施工RJP需要进行引孔，引孔采用专业设备进行引孔。
（2）由于成孔质量对RJP施工有很大影响，必须按技术参数进行施工，保证成孔中心与桩位中心误差小于50mm，垂直度误差小于1/200。
2、RJP施工步骤
（1）高压旋喷：
①旋喷注浆时要注意设备启动顺序，应先空载启动空压机，待运转正常后再空载启动高压泵，同时向孔内送风和水，使风量和泵压逐渐升高至规定值，风、水畅通后，才开动注浆泵，待泵量泵压正常后开始注浆，待水泥浆流出喷头后，提升注浆管，自下而上喷射注浆。
②深层旋喷时，应先喷浆后旋转和提升，在桩端有坐喷时间，以保证桩端质量。喷射注浆中需拆除注浆管时，应停止提升和回转，同时停止送浆，逐渐减少风量和水量，最后停机。拆卸完毕继续喷射注浆时喷射注浆的孔段与前段搭接，搭接长度≧300，防止固结体脱节。
③旋喷时要做好压力、流量和冒浆等各项参数的测量工作，并按要求逐项记录。如冒浆量大于注浆量40%或完全不冒浆时，应查明原因和采取相应措施后，再继续旋喷。
④在旋喷过程中，注意喷嘴局部或全部被堵，否则要拔管清洗后重新进行旋喷。
⑤补浆；喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作用，一般均有不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比为1:1的水泥浆补灌。
（2）水泥浆搅拌：
①水泥浆搅拌时水灰比按设计要求配制在旋喷过程中应防止水泥浆沉淀、离析，造成浓度降低。
②施工完毕后，立即取出注浆管，彻底清洗注浆和注浆泵，泵内不得有残存水泥浆。
1.3、端头降水
1、降水井平面布置
在端头井盾门处已设置地基加固。为尽可能降低由于地下水引起的洞门渗漏风险，盾构进出洞降水降水井布置时一般按照下列方式进行布置：
1）降水井布置在端头井围护与搅拌桩加固交界处（靠近加固但避开加固），防止加固与基坑围护之间可能的搭接渗漏。
2）沿盾构推进方向，在盾构机进入加固土侧布置降水井，防止在盾构推进方向上由于盾门内外较高的水压力差，导致水、土沿盾构机外缘向洞门渗漏。
3）在盾构加固体与原状土交界侧布置降水井，通过降水井形成一道隔水帷幕，减少原状土较高含水量、含沙量向加固体侧的水土流失。
2、降水井深度
结合设计要求，在洞门范围设置降水井作为应急施工措施。盾构降水井深设置为24m。
3、降水井运行
所有降水井施工完毕后进行试抽水，检验降水效果。依据类似工程经验，仅从降水效果分析，类似土层敞开式降水时间越长水位降深越大，含水层非稳定流时间效应相对明显。如果周边无环境保护要求，一般降水井开启时间在盾构进出洞前约3~5天，盾构进出洞完毕后停止。所以，在周边环境比较复杂区域，在开启降水后即加强周边环境监测频率，依据监测结果动态控制降水井开启时间和开启数量，必要时停止降水，协商解决方案。
2.4水平探孔及注浆
在端头加固完成后，盾构始发前，首先在始发洞门位置进行水平探孔，水平探孔深度为2.5m，确定加固体止水效果，如出现漏水情况进行水平注浆，采用水泥浆+水玻璃双浆液，掺入比1;1。能够快速高效进行止水。孔位布置如图4所示，共计19个注浆孔。
按照设计顺序依次对每个孔进行钻孔注浆，其原则是：钻孔时每次达到设计深度进行注浆，有砂有水时，不管长度多少，出砂出水就注。依此往复循环，直至设计终孔为止。总体注浆顺序：先环向、后中间、由下至上、由边向中。
注浆压力：本次注浆为压密加固注浆，注浆压力为2~4MPa之间，注浆过程中要加强地面监测，根据监测数据调整注浆压力，加强现场观察，发现地面跑浆或明显隆起时，立即停止注浆；
注浆结束标准：注浆压力均达到设计值时，持续10分钟注浆，可根据现场实际调整。
1.4、洞圈内密封止水措施
始发时通常从洞圈下部漏水、喷涌。一般工程采用黏土在洞圈下部回填，来进行止水，但后期没有强度。因此针对此问题进行优化，在洞圈内下部铺设水泥，既能有效防止始发时出现涌水涌沙的情况发生，水泥固化后又有一定强度，使盾构始发姿态良好，确保始发安全。
本发明提出的一种富水砂层地质条件下盾构始发施工方法，三轴搅拌桩加固区与地下连续墙连接不可能十分紧密，止水效果无法保证，因此在两者中间增加RJP高压旋喷桩加固，且RJP高压旋喷桩与普通高压旋喷桩相比为超高压流喷射，加固效果更好。
始发前在洞门位置进行水平探孔，水平探孔可以确定加固体止水效果，如有漏水情况发生，可以采用双液浆进行水平注浆，能够快速高效进行止水。
始发时通常从洞圈下部漏水、喷涌。一般工程采用黏土在洞圈下部回填，来进行止水，但后期没有强度。因此针对此问题进行优化，在洞圈内下部铺设水泥，既能有效防止始发时出现涌水涌沙的情况发生，水泥固化后又有一定强度，使盾构始发姿态良好。
本发明所述的方法带来以下效益：
1、经济效益
在地下连续墙与三轴搅拌桩中间增加RJP高压旋喷桩，有效的隔断了地下水，同时使用了水平补注浆的施工工艺，加强了地连墙处易漏水的薄弱环节，确保了盾构始发施工阶段地层及掌子面安全可控，避免了因端头地层沉降、涌水涌砂等造成的损失。运用该工法施工节约了因端头地层沉降、涌水涌砂等造成的大量人力、物力、财力及工期的投入，直接经济效益100万元，经济效益显著。
2、社会效益
在地下连续墙与三轴搅拌桩中间增加RJP高压旋喷桩，有效的隔断了地下水，同时使用了水平补注浆的施工工艺，加强了地连墙处易漏水的薄弱环节，确保了盾构始发施工阶段地层及掌子面安全可控，避免了因端头地层沉降、涌水涌砂等造成的损失。始发过程无涌水涌砂，盾构机姿态良好，确保了盾构顺利始发，业主给予了高度评价，取得了良好的社会效益。