一种盾构进出洞垂直冻结与水泥系联合加固的施工方法与流程

1.本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种盾构进出洞垂直冻结与水泥系联合加固的施工方法。


背景技术：

2.采用盾构法开挖隧道时，盾构的始发、接收涉及盾构机刀盘的进洞、出洞，容易引起地表沉降和涌水、突泥，如果加固效果不能达到设计要求，可能会造成始发的失败，因此端头加固往往是盾构进出洞过程中的重点。传统的地铁盾构进出洞端头加固法有：注浆法、旋喷桩、玻璃纤维桩、smw桩、冻结法以及降水法。
3.现阶段大多数地铁盾构进出洞端头井一般采用地下连续墙，预留孔洞以及钢板封门。在拆除洞口封门后，盾构机逐步推入待开挖土体，如果洞口周围土体强度不够且未采取必要的土体加固处理，洞口周围土体就会伴随地下水通过洞口大量涌入工作井，导致水土流失和地面大面积沉陷。如果加固强度太高，又会给刀盘切削和土体开挖带来困难，引起机械故障。
4.现有地铁盾构进出洞加固方法存在以下缺陷：
5.(1)加固效果不佳。
6.(2)成本高。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提出一种盾构进出洞垂直冻结与水泥系联合加固的施工方法，本发明地铁盾构进出洞加固效果好，成本低。
8.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：一种盾构进出洞垂直冻结与水泥系联合加固的施工方法，包括以下步骤：
9.步骤一、三轴搅拌桩施工工艺：
10.a、测量放样，开挖沟槽；
11.b、三轴搅拌机就位，校正复核桩机水平和垂直度；
12.c、拌制水泥浆液，开启空压机，送浆至桩机钻头；
13.d、钻头喷浆，搅拌并提升至设计桩顶，重复搅拌；
14.步骤二、三重管法旋喷桩施工工艺：
15.e、测放桩位；
16.f、引孔钻机就位，开孔检查，钻进成孔；
17.g、清孔，换浆清渣，移钻；同时启动空压机送风，高压泵送水，试喷检查；
18.h、插入高喷管，浆液配制泵送，高喷作业并观察高喷参数；
19.i、回灌，孔内保持满浆，搬迁；
20.步骤三、冻结法联合加固施工工艺：
21.j、定位、钻孔：设计在壁槽外测定各孔位置，调整钻机位置，保持钻机水平，钻杆固
定在孔位的正上方并垂直水平面后钻孔；
22.k、下冻结管：下冻结管前需要冲孔，根据泥浆浓度进行调整冻结管的深度；
23.l、测斜：冻结管下放完成后及时进行灯管测斜；
24.m、打压试验：封闭孔口，用水压泵向孔内打压。
25.进一步地，还包括有循环工序：结束步骤d后在步骤e前依次重复步骤a、步骤b、步骤c、步骤d。
26.进一步地，步骤k中：若所述冻结管下放时因浮力过大不能一次下放到位，冻结管下放深度不得少于设计深度的0.5m。
27.进一步地，步骤m中：当压力达到0.8mpa时，停止打压，关好阀门，观测压力的变化，记录下30分钟内压力，压力无变化为合格。
28.进一步地，步骤f中：钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差应在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.15％。
29.进一步地，步骤h中：在插入高喷管过程中，边射水边插管，水压不得超过1mpa，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹。
30.进一步地，步骤i中：喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转不少于五秒，待孔口冒浆正常后再旋喷提升，钻杆的旋转和提升应连续进行。
31.进一步地，在桩底部1.0m范围内应适当增加钻杆喷浆旋喷时间，增加的所述喷浆旋喷时间不少于5s。
32.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
33.本发明通过三轴搅拌桩施工、三重管法旋喷桩施工以及冻结法联合加固施工提高地基强度、使水泥浆与土混合达到加固、可促进废土的排除，减轻加固体单位体积的重量、保证地层稳定，还能起隔水作用。加固强度适中，从而避免器械的损毁，减少成本，且在减轻加固体单位体积的重量上可大大减少成本。
附图说明
34.图1为本发明具体实施方式提供的步骤一的三轴搅拌桩施工工艺流程示意图；
35.图2为本发明具体实施方式提供的步骤二的三重管法旋喷桩施工工艺流程示意图；
36.图3为本发明具体实施方式提供的步骤三的冻结法联合加固施工工艺流程示意图；
37.图4本发明具体实施方式提供的三重管法旋喷桩施工工艺的端头水泥系加固平面示意图；
38.图5本发明具体实施方式提供的三重管法旋喷桩施工工艺的端头水泥系加固剖面示意图；
39.图6本发明具体实施方式提供的三轴搅拌桩套打示意图；
40.图7本发明具体实施方式提供的三轴搅拌桩搭接示意图；
41.图8本发明具体实施方式提供的旋喷桩搭接示意图。
42.图中：1、盾构工作井；2、车站内衬墙；3、车站围护结构。
具体实施方式
43.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
44.如图1至图8所示，一种盾构进出洞垂直冻结与水泥系联合加固的施工方法，包括以下步骤：
45.步骤一、三轴搅拌桩施工工艺：
46.a、测量放样，开挖沟槽；
47.b、三轴搅拌机就位，校正复核桩机水平和垂直度；
48.c、拌制水泥浆液，开启空压机，送浆至桩机钻头；
49.d、钻头喷浆，搅拌并提升至设计桩顶，重复搅拌；
50.步骤二、三重管法旋喷桩施工工艺：
51.e、测放桩位；
52.f、引孔钻机就位，开孔检查，钻进成孔；
53.g、清孔，换浆清渣，移钻；同时启动空压机送风，高压泵送水，试喷检查；
54.h、插入高喷管，浆液配制泵送，高喷作业并观察高喷参数；
55.i、回灌，孔内保持满浆，搬迁；
56.步骤三、冻结法联合加固施工工艺：
57.j、定位、钻孔：设计在壁槽外测定各孔位置，调整钻机位置，保持钻机水平、钻杆固定在孔位的正上方并垂直水平面后钻孔；
58.k、下冻结管：下冻结管前需要冲孔，根据泥浆浓度进行调整冻结管的深度；
59.l、测斜：冻结管下放完成后及时进行灯管测斜；
60.m、打压试验：封闭孔口，用水压泵向孔内打压。
61.进一步地，还包括有循环工序：结束步骤d后在步骤e前依次重复步骤a、步骤b、步骤c、步骤d。
62.进一步地，步骤k中：若所述冻结管下放时因浮力过大不能一次下放到位，冻结管下放深度不得少于设计深度的0.5m。
63.进一步地，步骤m中：当压力达到0.8mpa时，停止打压，关好阀门，观测压力的变化，记录下30分钟内压力，压力无变化为合格。
64.进一步地，步骤f中：钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差应在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.15％。钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差应在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.15％；钻孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常；校验钻杆长度，并用红油漆在钻塔旁标注深度线，保证孔底标高满足设计深度。
65.进一步地，步骤h中：在插入高喷管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边射水边插管，水压不得超过1mpa，以免压力过高，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹，以防泥土进入管内。引孔至设计深度后，拔出岩芯管，并换上喷射注浆管插入预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边射水边插管，水压不得超过1mpa，以免压力过高，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹，以防泥土进入管内。
66.进一步地，步骤i中：喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转不少于五秒，待孔口冒浆正常后再旋喷提升，钻杆的旋转和提升应连续进行。
67.进一步地，在桩底部1.0m范围内应适当增加钻杆喷浆旋喷时间，增加的喷浆旋喷时间不少于5s。当喷射注浆管插入设计深度后，接通泥浆泵，然后由下向上旋喷，同时将泥浆清理排出。喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆后再逐渐提升旋喷管，以防扭断旋喷管。为保证桩底端的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置选取旋转10秒钟，待孔口冒浆正常后再旋喷提升。钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断，钻机发生故障，应停止提升钻杆和旋转，以防断桩，并立即检修排除故障，为提高桩底端质量，在桩底部1.0m范围内应适当增加钻杆喷浆旋喷时间。在旋喷提升过程中，可根据不同的土层，调整旋喷参数。
68.本实施例的步骤一中三轴搅拌桩施工工艺在基坑围护工程起到重要的作用，与其他支护形式的桩相比，施工速度快，每幅成桩时间约30
‑
40分钟；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。插入型钢后三轴搅拌桩既起到止水又起到支护作用；同时型钢可以回收利用。本实施例的三轴搅拌桩施工工艺进一步可细化进行如下：
69.(1)施工场地平整；
70.(2)桩位放样；
71.(3)导槽施工；
72.由于三轴搅拌桩施工时有一定的置换土产生，其置换量为搅拌方量的50％，为保证三轴水泥搅拌桩正常施工，并达到文明工地要求，开挖沟槽和置换出来的土方及时外运。导槽深度0.9m，宽度1.2m，采用pc300挖掘机机械开挖。
73.(4)三轴深层搅拌桩钻进施工；
74.4.1桩位放样，应先进行试桩，各工艺参数验收合格后方可进行正式生产。根据业主提供的坐标基准点，由现场技术人员放出桩位，施工过程中桩位误差必须小于20mm。
75.4.2桩机就位，移动搅拌桩钻机到达作业位置，并调整桩架垂直度达到3
‰
以内。桩机移位由当班机长统一指挥，移动前必须仔细观察现场情况，发现障碍物应及时清除，桩机移动结束后认真检查定位情况并及时纠正。
76.桩机应平稳、平整，每次移机后可用水平尺或水准仪检测桩机平台的平整，并用线锤对立柱进行垂直定位观测以确保桩机的垂直度，并用经纬仪经常校核，经纬仪检测频率为每天至少一次，必要时请专业监理工程师到现场复测。
77.三轴搅拌桩桩机定位后再进行定位复核，偏差值应小于2cm。
78.工程实施过程中，严禁发生定位桩及定位线移位，一旦发现挖机在清除导槽沟时碰撞定位桩及定位线使其跑位，立即重新放线，严格按照设计图纸进行施工。
79.4.3桩机垂直度校正，桩架垂直度指示针可调整桩架垂直度，并用线锤经纬仪进行校核。在桩架上焊接一半径为5cm的铁圈，10m高处悬挂一铅锤，利用经纬仪校直钻杆垂直度，使铅锤正好通过铁圈中心。每次施工前必须适当调节钻杆，使铅锤位于铁圈内，即把钻杆垂直度误差控制在3
‰
内。
80.4.4桩长控制标志，搅拌桩桩长控制很重要，施工前应在钻杆上做好标记，控制搅拌桩桩长不得小于设计桩长，当桩长变化时擦去旧标记，做好新标记。
81.(5)主要工程数量；
82.盾构端头井加固采用三轴搅拌桩，按照加固投影面积计算，弱加固区(空桩段)投影面积内综合水泥参量为7％(即每幅三轴搅拌桩全断面水泥参量为7％)，强加固体(实体)投影面积内的综合水泥参量为20％(即每幅三轴搅拌桩全断面水泥参量为20％)。
83.(6)桩机钻杆下沉与提升；
84.按照搅拌桩施工工艺要求，钻杆在下沉和提升时均需注入水泥浆液。钻杆下沉速度不大于0.8m/min，提升速度不大于1m/min，现场设专人跟踪检测、监督桩机下沉、提升搅拌速度，可在桩架上每隔1m设明显标记，用秒表测试钻杆速度以便及时调整钻机速度，以达到搅拌均匀的目的，在桩底部分适当持续搅拌注浆至少60秒，确保水泥土搅拌桩的成桩均匀性并做好每次成桩的原始记录。
85.(7)注浆、搅拌、提升、复搅；
86.开动灰浆泵，待纯水泥浆到达搅拌头后，按计算要求的速度提升搅拌头，边注浆、边搅拌、边提升，使水泥浆和原地基土充分拌和，直至提升到离地面50cm处或桩顶设计标高后再下沉、复搅、提升，再次提升到设计标高后关闭灰浆泵。搅拌桩桩体应搅拌均匀，表面要密实、平整。因三轴搅拌桩施工置换土量较大，做好裸土覆盖工作，保持场地文明施工，施工过程中靠近围挡施工时要有防止泥浆飞溅到围挡外的措施。
87.(8)三轴搅拌桩的咬合施工；
88.三轴搅拌桩的搭接以及成形搅拌桩的垂直度补正是依靠搅拌桩单孔重复套钻，桩间搭接来实现的，以确保搅拌桩的端头加固作用。
89.步骤二中采用采用三管法旋喷，应先送高压水、再送水泥浆和压缩空气；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，注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm；当达到设计桩顶高度或地面出现溢浆现象时，应立即停止当前桩的旋喷工作，并将旋喷管拔出并清洗管路。三重管法是将水泥浆与压缩空气同时喷射，除可延长喷射距离、增大切削能力外，也可促进废土的排除，减轻加固体单位体积的重量。本实施例的三重管法旋喷桩施工工艺进一步可细化进行如下：
90.(1)施工准备；
91.1.1场地平整，正式进场施工前，进行管线调查，明确管线位置，清除施工场地地面以下5m以内的障碍物，不能清除的做好保护措施，然后整平、夯实；同时合理布置施工机械、输送管路和电力线路位置，确保施工场地的“三通一平”。
92.1.2桩位放样，施工前用全站仪测定旋喷桩施工的控制点，埋石标记，经过复测验线合格后，用钢尺和测线实地布设桩位，并用竹签钉紧，一桩一签，保证桩孔中心移位偏差小于50mm。
93.1.3可修建排污和灰浆拌制系统，旋喷桩施工过程中将会产生10～20％的返浆量，将废浆液引入沉淀池中，沉淀后的清水根据场地条件可进行无公害排放。沉淀的泥土则在开挖基坑时一并运走。沉淀和排污统一纳入全场污水处理系统。
94.灰浆拌制系统主要设置在水泥附近，便于作业，主要由灰浆拌制设备、灰浆储存设备、灰浆输送设备组成。
95.(2)钻机就位
96.钻机就位后，对桩机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差应在10mm以内，钻孔垂直度误差小于0.15％；钻孔前应调试空压机、泥浆泵，使设备运转正常；校验钻杆长度，并用红油漆在钻塔旁标注深度线，保证孔底标高满足设计深度。
97.(3)引孔钻进
98.钻机施工前，应首先在地面进行试喷，在钻孔机械试运转正常后，开始引孔钻进。钻孔过程中要详细记录好钻杆节数，保证钻孔深度的准确。
99.(4)拔出岩芯管、插入注浆管
100.引孔至设计深度后，拔出岩芯管，并换上喷射注浆管插入预定深度。在插管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边射水边插管，水压不得超过1mpa，以免压力过高，将孔壁射穿，高压水喷嘴要用塑料布包裹，以防泥土进入管内。
101.(5)旋喷提升
102.当喷射注浆管插入设计深度后，接通泥浆泵，然后由下向上旋喷，同时将泥浆清理排出。喷射时，先应达到预定的喷射压力、喷浆后再逐渐提升旋喷管，以防扭断旋喷管。为保证桩底端的质量，喷嘴下沉到设计深度时，在原位置旋转为十秒，待孔口冒浆正常后再旋喷提升。钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断，钻机发生故障，应停止提升钻杆和旋转，以防断桩，并立即检修排除故障，为提高桩底端质量，在桩底部1.0m范围内应适当增加钻杆喷浆旋喷时间。在旋喷提升过程中，可根据不同的土层，调整旋喷参数。
103.(6)钻机移位
104.旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗注浆泵及输送管道，然后将钻机移位。
105.其中，水泥系加固范围如下：本实施例如图4
‑
5所示，地基加固长度为10m，加固宽度为盾构隧道结构每侧3m，竖向强加固范围为盾构隧道结构上下各3m，地表至强加固上边线范围为弱加固区域，加固区与车站围护结构之间应采用2排三重管旋喷桩填充空隙。无冻结加固端头在加固区外侧施工一圈搅拌桩止水帷幕，在止水帷幕范围内布置8口应急降水井。
106.本实施例中水泥系加固技术要点：止水帷幕与围护结构接缝处采用2根三重管旋喷桩补强，水泥掺量为270kg/m3；围护结构与加固区施工冷缝采用三重管旋喷桩补强，孔间距为500mm，水泥用量为270kg/m3，旋喷桩加固强度指标同对应区域搅拌桩。施工前必须进行试桩，以便根据加固效果，确定施工工艺及各项施工参数。
107.搅拌桩加固需在基坑开挖前进行，旋喷桩加固需在车站结构完成，盾构推进前进行，以确保车站地下墙与加固土体之间不留渗水通道；始发前，对加固土体进行钻孔取芯，以检测地基加固是否满足设计要求，如无法达到设计强度，立即对薄弱区域进行补加固。
108.加固后进行抽芯检测，达不到标准，须重新进行加固。具体施工方案及技术控制要点如下：在进行钻孔前首先要对加固区域内的管线调查清楚，避免对管线造成直接破坏，并在施工过程中进行监测；旋喷桩钻孔按ф850mm梅花型布置。旋喷桩布置范围为始发端10m，宽度为隧道外轮廓各3m，竖向强加固区范围为盾构隧道结构上下3m，地表至强加固区上边线范围为弱加固区；加固区与车站维护结构之间采用1排三重管旋喷桩填充空隙。灌注水泥浆时，控制好提升速度，保证浆液灌注的连续性；控制好桩基的垂直度，保证桩基的咬合密实性；加固完成后，要对加固效果进行检查。如注浆效果未能达到设计要求，需要重新进行
补充注浆。
109.步骤三中的冻结法联合加固施工工艺，不仅能保证地层稳定，还能起隔水作用，可以进行深基坑的挖土。近年来，冻结法加固技术已推广到各类土木工程中，在盾构进出洞施工中应用广泛。本实施例的冻结法联合加固施工工艺进一步可细化进行如下：
110.(1)定位：根据设计在槽壁外测定好各孔位置，以保证冻结孔开孔位置误差不超过10mm。壁槽是指车站围护结构壁槽，冻结孔和冻结管均布置在该壁槽内。
111.(2)钻孔：按设计要求调整好钻机位置，保持钻机水平、钻杆在孔位正上方并垂直水平面，并固定牢固，开始钻孔。在钻进过程中，每加一根钻杆，都要复测一次钻机是否平、钻杆是否在孔位正上方并垂直水平面。为防止孔偏斜，可加长钻铤长度，缓慢钻进。
112.(3)下冻结管：下冻结管前要进行冲孔，若泥浆浓度过大，冻结管下放时因浮力过大不能一次下放到位。冻结管下放深度不得少于设计深度的0.5m。
113.(4)测斜：冻结管下放完要及时进行灯光测斜，冻结孔和测温孔的最大允许偏斜不超过100mm。若终孔的偏斜超过设计值，可拔出冻结管进行扫孔。若相邻两孔终孔的间距超过设计间距200mm，必须增设补孔。
114.(5)打压试验：封闭好孔口，用水压泵向孔内打压，步骤m中：当压力达到0.8mpa时，停止打压，关好阀门，观测压力的变化，记录下30分钟内压力，压力无变化为合格。
115.另外冻结管施工中可选用φ127mm
×
5mm的无缝钢管，采用坡口内接箍对接焊，第一根冻结管下部焊底锥，所有冻结管要严格检查、丈量、编号、配组。丈量尺寸要有专人记录，最后验收合格后下入。下放冻结管时，谨防冻结管内进水。测温孔选用φ127mm
×
5mm无缝钢管，坡口对接焊。在供液、回液管焊接供液管选用钢管，采用打坡口对接焊。第一根供液管下部下方焊一根500mm长、的钢筋，作为杂物的沉淀空间。供液管引出冻结管管口后，用10mm厚的钢板把冻结管管口封上，并焊上回液管。为了防止塌孔，缩短冻结孔的下管时间，每组冻结管按设计长度加外露尺寸，在地面加工好，同时把供液管、回液管及焖板均提前焊接好，并完成打压试验。
116.其中，冻结孔孔位设计如图5所示，垂直冻结主要技术参数为：设计冻结壁有效厚度2.2m。冻结孔数：单个洞门垂直冻结孔：23个，a排12个冻结孔、b排11个冻结管，每孔深度均为19.372m(有效冻结段11.7m)，排间距为1.1m，测温孔4个。图5中盾构工作井1、车站内衬墙2、车站围护结构3为垂直冻结剖面图示意图。
117.垂直冻结技术要点为：依据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于100mm。垂直钻孔选用gxy
‑
1型钻机钻进。为了保证钻进精度，开孔段是关键。钻进前5m时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进，检测偏斜无问题后方可继续钻进。冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。焊接时，焊缝要满焊，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。下好冻结管后，采用灯光测斜法检测钻孔偏斜，冻结孔终孔偏斜值不得大于200mm，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏，冻结管打压压力不小于0.8mpa，压力应在前30min降压不超过0.05mpa，再持续15min不降压为合格。压不合格的冻结管必须进行处理达到密封要求后方可使用。可逐根提出孔内管，并用泥浆泵对逐个焊缝打压，找出泄漏焊缝及原因，及时处理，并作好记录，二次下入后仍须自检。在冻结管内下入供液管。供液管底端连接300mm长的支架，ф12mm钢筋焊接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。冻结管安装完毕后，用木塞等堵住管口，以免异物掉进冻结管。测温孔施工方法
与冻结管相同，除打压试漏无需检测外其他验收要求与冻结孔验收要求一致。
118.本实施例中水泥系与垂直冻结联合加固，端头洞门设计采用三轴搅拌桩加固以及高压旋喷桩补缝结合的形式，三轴水泥土搅拌桩直径为850mm，搭接长度为250mm，高压旋喷桩直径800mm，搭接长度为350mm。加固范围为隧道上下、左右各3m；纵向加固长度均为10m。
119.以上涉及设计在壁槽外测定各孔位置，壁槽指车站围护结构壁槽，冻结孔和冻结管均布置在该壁槽内。
120.本技术主要针对在围岩富水粉土以及富水砂层开挖隧道的工况，砂土和粉土含水量较丰富，厚度较大，盾构设计和施工时仍应引起重视。盾构掘进遇到粉土、砂土时，正面土体的孔隙水消散很快，在水动力作用下，极易产生流砂等现象，应防止突发性的涌水和流砂，加固时应合理选择工作面压力，确保盾构操作面稳定。采用三轴搅拌桩止水帷幕、三重管旋喷桩、冻结法的水泥系联合垂直冻结法可以使洞口土体具有自立性、防水性和适宜的强度。
121.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。