一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法与流程

1.本发明属于隧道盾构施工技术领域，具体涉及一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法。


背景技术：

2.随着国内城市轨道交通建设的快速发展，由于线网整体规划、既有城市建设条件、工程造价整体控制等限制，越来越多的地铁工程在建设过程中不可避免地需要穿越液化土层。国内外的地震危害监测及统计数据显示，地震液化对地下结构造成的危害远远高于普通场地，尤其在高烈度地区，这种影响尤为显著。随着近年来国内地铁建设规模的不断扩大，使得地下结构抗震问题成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要课题。由于地铁的地下结构受周围土体约束，通常认为具有较好的抗震性能，相对于地上结构对抗震是安全的。但在地震液化地层条件下，这类地下结构容易遭受地震作用的破坏，特别在强震作用下，地下结构周围土体的约束作用减小或丧失，地下结构周围土体的变形并对结构产生的附加应力可能会很大，从而导致地下结构的一些薄弱环节发生震害。同时，由于盾构掘进时的机械震动和扰动，使得该地层易产生液化现场，轻则造成地面超限沉降，危及周边邻近建构筑物安全；重则引起隧道坍塌，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，有必要提出一种可液化地层盾构隧道洞内处理技术，在盾构施工期间消除地层可液化性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决可液化地层盾构施工风险，提供一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法。
4.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
5.一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，所述方法具体为：
6.步骤一：同步注浆置换孔隙水；
7.步骤二：二次注浆隔断孔隙水；
8.步骤三：洞内抗液化处理。
9.进一步地，步骤一中，所述同步注浆置换孔隙水具体操作为：每环盾构开始掘进前，在盾尾倒数第三环顶部封顶块管片预留注浆孔安装球阀，通过钢钎或电钻打通预留注浆孔后，及时关闭球阀，开始掘进时，打开球阀释放盾尾孔隙水，同步注浆及时填充置换；置换过程中通过盾尾同步注浆压力监控，调整同步注浆流量和泄水球阀开合度，必要时降低掘进速度，确保同步置换，均匀注浆，盾尾空隙及时填充；球阀泄流出的地层水颜色变浑浊含有泥沙或流出浆液后，及时关闭球阀停止泄水。
10.进一步地，步骤二中，所述二次注浆隔断孔隙水具体操作为：隔水环箍的形成需对该环6块管片预埋注浆孔均二次注浆，从下往上，左右交替对称注浆；选定注浆孔位后，戴上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿该孔位混凝土保护层，接上三通及水泥浆管和水玻璃浆管，注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行1:1混合注入，终孔时应将水玻璃
自身浓度由初始的35
°
be
′
加大到40
°
be
′
，在一个注浆孔完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注浆效果，若孔隙水流量大于20l/min，应再次注入，若孔隙水流量小于20l/min流出时可终孔，拆除注浆头，并用双快水泥浆对注浆孔进行封堵，带上塑料闷头，并进行下一个注浆孔。
11.进一步地，步骤三中，所述洞内抗液化处理具体为：
12.(1)加固范围
13.盾构始发、接收区段以外与液化土层交叉距盾构顶1.0m以下范围有液化土层分布区段，采用洞内深孔注浆加固，并根据液化土层分布进行加固，加固半径不宜小于结构外2m，并应根据地质纵断面确定竖向加固范围，盾构管片预留注浆孔按横向每环管片不少于16个；
14.(2)加固浆液
15.注浆浆液选择水泥和水玻璃双液浆，水泥为普通硅酸盐水泥；
16.(3)加固工艺措施
17.采用袖阀钢管洞内注浆加固，在管片预留注浆孔上安装球阀和防喷装置，用电锤钻钻穿管壁，孔径然后通过防喷装置插入袖阀钢管至设计要求深度，通过注浆管路将双液浆注浆泵、流量仪、混合器与注浆管连接，最后进行分层双液注浆加固，达到终孔条件后，拆除球阀，用亲水环氧封孔，加盖闷盖，完成单孔工艺；
18.(4)注浆工艺
19.采用双泵双液注浆方法进行注浆，具体参数控制如下：
20.注浆压力：注浆点处垂直压力的1～1.1倍；
21.注浆量：按加固深度每米注浆段水泥耗量250～300kg；
22.注浆流量：水泥浆泵流量:14～16l/min；水玻璃泵流量：5～10l/min；
23.注浆顺序：按照从下往上、左右对称、先外后里再中间的顺序进行施工，同孔注浆顺序为先外后里再中间的注浆顺序，同孔重复注浆时间间隔不少于24小时。
24.本发明相对于现有技术的有益效果为：
25.(1)同步注浆置换孔隙水，防止可液化地层盾尾间隙形成的同时，析出的孔隙水稀释浆液，保证注浆填充效果；
26.(2)二次注浆隔断孔隙水，阻隔孔隙水沿成型隧道流窜汇集，限制未初凝的同步注浆浆液因隧道坡度而纵向流动；
27.(3)洞内抗液化处理，提高盾构隧道抗液化能力，降低工程造价，缩短施工周期。
28.本发明相比于传统从地面采用水泥土搅拌桩及高压旋喷桩对液化土层做全断面加固处理的方法，能够在地面不满足施工条件的情况下进行针对性的局部地层处理。
附图说明
29.图1为可液化地层盾构隧道洞内处理技术示意图；
30.图2为同步注浆置换孔隙水示意图；
31.图3为二次注浆隔断孔隙水示意图；
32.图4为洞内抗液化处理示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
34.具体实施方式一：本实施方式记载的是一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，所述方法具体为：
35.步骤一：同步注浆置换孔隙水；
36.步骤二：二次注浆隔断孔隙水；
37.步骤三：洞内抗液化处理。
38.具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，步骤一中，所述同步注浆置换孔隙水具体操作为：
39.可液化地层地下水丰富，且渗透系数大，盾尾间隙形成的同时，析出的孔隙水迅速填充，造成注浆困难，且浆液进入地层后被孔隙水稀释，浆液性能影响较大，无法保证注浆填充效果。
40.每环盾构开始掘进前，在盾尾倒数第三环(即脱出盾尾的第一环)顶部封顶块管片预留注浆孔安装球阀，通过钢钎或电钻打通预留注浆孔后，及时关闭球阀，开始掘进时，打开球阀释放盾尾孔隙水，同步注浆及时填充置换；置换过程中通过盾尾同步注浆压力监控，调整同步注浆流量和泄水球阀开合度，必要时降低掘进速度，确保同步置换，均匀注浆，盾尾空隙及时填充；球阀泄流出的地层水颜色变浑浊含有泥沙或流出浆液后，及时关闭球阀停止泄水。
41.具体实施方式三：具体实施方式一或二所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，步骤二中，所述二次注浆隔断孔隙水具体操作为：
42.隔水环箍的形成需对该环6块管片预埋注浆孔均二次注浆，从下往上，左右交替对称注浆；选定注浆孔位后，戴上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿该孔位混凝土保护层，接上三通及水泥浆管和水玻璃浆管，注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行1:1混合注入，终孔时应将水玻璃自身浓度由初始的35
°
be
′
加大到40
°
be
′
，在一个注浆孔完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注浆效果，若孔隙水流量大于20l/min(隔水环箍没有很好形成)，应再次注入，若孔隙水流量小于20l/min流出时可终孔，拆除注浆头，并用双快水泥浆对注浆孔进行封堵，带上塑料闷头，并进行下一个注浆孔。
43.具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，首个隔水环箍注浆位置应选定在盾尾倒数6
‑
8环位置，之后每隔8
‑
10环通过整环二次注浆形成隔水环箍，阻隔孔隙水沿成型隧道流窜汇集，同时限制未初凝的同步注浆浆液因隧道坡度而纵向流动。
44.具体实施方式五：具体实施方式三所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，隔水环箍每环注浆量控制在1.2～1.3m3之间，注浆压力控制在0.3～0.5mpa之间。注浆量为保证隔水环箍有一定宽度，注浆压力保证浆液能到达所需位置，又不至于过大产生对地层的影响。
45.具体实施方式六：具体实施方式三所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，浆液类型采用速凝型浆液：水泥与水玻璃双液浆，水泥的水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃
的体积比为1:1，浆液密度为1.44g/cm3，凝结时间为20～40s。
46.具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，步骤三中，所述洞内抗液化处理具体为：
47.由于盾构区间施工工法的特殊性，考虑到地面交通、地下市政管线及地面施工场地条件等因素，实施长距离的截断墙隔断液化土层，或者大范围的采用地面方式换填、加密、加固液化土层均难度较大，且工程造价十分昂贵，施工周期较长，一般情况下均不宜作为盾构区间隧道抗液化措施。不具备地面加固条件段，结合盾构工法的施工工艺特点，可考虑结合盾构同步注浆、二次注浆以及深孔注浆采取洞内加固方式较为合理。
48.(1)加固范围
49.盾构始发、接收区段以外与液化土层交叉距盾构顶1.0m以下范围有液化土层分布区段，采用洞内深孔注浆加固，并根据液化土层分布进行加固，加固半径不宜小于结构外2m，并应根据地质纵断面确定竖向加固范围，盾构管片预留注浆孔按横向每环管片不少于16个(即封顶块1个，邻近块2个及标准块3个)；
50.(2)加固浆液
51.注浆浆液选择水泥和水玻璃双液浆，水泥为普通硅酸盐水泥；
52.注浆浆液选择方面，考虑到单液水泥浆的凝结时间过长，在饱和水或超孔隙水地层中加固效果不能保证，故决定选用水泥与水玻璃混合浆液，该浆液以水泥和水玻璃为主剂，按一定的比例以双液方式注入，必要时加入速凝剂或缓凝剂所形成的注浆材料；这种浆液凝胶时间较短，且结石率较高，克服了单液水泥浆凝结时间长不能及时有效控制隧道沉降的问题，能满足注浆加固的效果。
53.(3)加固工艺措施
54.采用袖阀钢管洞内注浆加固，将水泥浆液通过劈裂、渗透、挤压密实等作用，与土体充分结合形成较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体。注浆花管(对应于图中的外管)中有上下两处设有两个止浆塞，使注浆材料从止浆塞中间向注浆花管外渗出，止浆塞在光滑的注浆花管中可以自由移动，可以根据工程需要在注浆区域内某一段反复注浆；施工中，它能够定深、定量，进行分序、分段、间隙和重复注浆，该工艺适合软弱土体加固处理。而且袖阀钢管可留在土体中作为加固体的一部分，有效提高土体的承载能力。
55.在管片预留注浆孔上安装球阀和防喷装置，用电锤钻钻穿管壁，孔径然后通过防喷装置插入袖阀钢管至设计要求深度，通过注浆管路将双液浆注浆泵、流量仪、混合器与注浆管连接，最后进行分层双液注浆加固，达到终孔条件后，拆除球阀，用亲水环氧封孔，加盖闷盖，完成单孔工艺；
56.(4)注浆工艺
57.采用双泵双液注浆方法进行注浆，具体参数控制如下：
58.注浆压力：注浆点处垂直压力的1～1.1倍，应尽量避免压力过高对土层的过大扰动；
59.注浆量：按加固深度每米注浆段水泥耗量250～300kg估算，具体根据施工情况进行调整；
60.注浆流量：水泥浆泵流量:14～16l/min；水玻璃泵流量：5～10l/min；
61.注浆顺序：按照从下往上、左右对称、先外后里再中间的顺序进行施工，即每环注
浆孔注浆顺序为从下往上，左右对称注浆，保持管片左右对称受力；同孔注浆顺序为先外后里再中间的注浆顺序，先注加固范围外最深的一段，形成屏障，封闭可能出现的漏浆通道，然后沿隧道边分层向外注，与最深的一段加固搭接，同孔重复注浆时间间隔不少于24小时。
62.具体实施方式八：具体实施方式七所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，所述注浆浆液中，水泥的水灰比为0.7，水玻璃浓度为35
°
be
′
，水玻璃与水泥的体积比在0.4～0.5：1。
63.加固前根据设计要求，进行了试验室试配，对不同双液体积比例下的初凝时间及强度值进行了统计，成果如下表，其中水泥采用p.o42.5级普通硅酸盐水泥；试验表明，水泥、水玻璃双浆液结石的抗压强度主要取决于水泥浆液的水灰比，并与水玻璃溶液的浓度、水玻璃与水泥浆液的比例有关系。水玻璃浓度为35
°
be
′
，在保证流动度前提下，水玻璃与水泥的体积比在0.4～0.5：1范围内时，水玻璃用量较少，凝结时间较短，同时强度也能得到保证；
64.表1水泥与水玻璃混合浆液实验成果表
[0065][0066]
具体实施方式九：具体实施方式七所述的一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，注浆终止条件：原则上加固区域内按定量进行注浆，若未能达预计注浆量，则在外界水压 lmpa条件下能够稳压5min即可终止注浆；若浆液沿注浆管壁上冒击裂封堵层，也应立即停止注浆。
[0067]
实施例1
[0068]
一种可液化地层盾构隧道洞内处理方法，所述方法具体为：
[0069]
步骤一：同步注浆置换孔隙水：每环盾构开始掘进前，在盾尾倒数第三环(即脱出盾尾的第一环)顶部封顶块管片预留注浆孔安装球阀，通过钢钎或电钻打通预留注浆孔后，及时关闭球阀，开始掘进时，打开球阀释放盾尾孔隙水，同步注浆及时填充置换；置换过程中通过盾尾同步注浆压力监控，调整同步注浆流量和泄水球阀开合度，必要时降低掘进速度，确保同步置换，均匀注浆，盾尾空隙及时填充；球阀泄流出的地层水颜色变浑浊含有泥沙或流出浆液后，及时关闭球阀停止泄水。
[0070]
步骤二：二次注浆隔断孔隙水：隔水环箍的形成需对该环6块管片预埋注浆孔均二
次注浆，从下往上，左右交替对称注浆；选定注浆孔位后，戴上注浆单向逆止阀后，用电锤钻穿该孔位混凝土保护层，接上三通及水泥浆管和水玻璃浆管，注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行1:1混合注入，终孔时应将水玻璃自身浓度由初始的35
°
be
′
加大到40
°
be
′
，在一个注浆孔完结后应等待5～10分钟后将该注浆头打开疏通查看注浆效果，若孔隙水流量大于20l/min(隔水环箍没有很好形成)，应再次注入，若孔隙水流量小于20l/min流出时可终孔，拆除注浆头，并用双快水泥浆对注浆孔进行封堵，带上塑料闷头，并进行下一个注浆孔。
[0071]
首个隔水环箍注浆位置应选定在盾尾倒数8环位置，之后每隔8
‑
10环通过整环二次注浆形成隔水环箍，阻隔孔隙水沿成型隧道流窜汇集，同时限制未初凝的同步注浆浆液因隧道坡度而纵向流动。
[0072]
隔水环箍每环注浆量控制在1.2～1.3m3之间，注浆压力控制在0.4～0.5mpa之间。注浆量为保证隔水环箍有一定宽度，注浆压力保证浆液能到达所需位置，又不至于过大产生对地层的影响；
[0073]
浆液类型采用速凝型浆液：水泥与水玻璃双液浆，水泥的水灰比为1:1，水泥浆与水玻璃的体积比为1:1，浆液密度为1.44g/cm3，凝结时间为20～40s。
[0074]
步骤三：洞内抗液化处理：
[0075]
(1)加固范围
[0076]
盾构始发、接收区段以外与液化土层交叉距盾构顶1.0m以下范围有液化土层分布区段，采用洞内深孔注浆加固，并根据液化土层分布进行加固，加固半径不宜小于结构外2m，并应根据地质纵断面确定竖向加固范围，盾构管片预留注浆孔按横向每环管片不少于16个(即封顶块1个，邻近块2个及标准块3个)；
[0077]
(2)加固浆液
[0078]
注浆浆液选择水泥和水玻璃双液浆，水泥为普通硅酸盐水泥；所述注浆浆液中，水泥的水灰比为0.7，水玻璃浓度为35
°
be
′
，水玻璃与水泥的体积比在0.4～0.5：1。
[0079]
(3)加固工艺措施
[0080]
采用袖阀钢管洞内注浆加固，将水泥浆液通过劈裂、渗透、挤压密实等作用，与土体充分结合形成较高强度的水泥土固结体和树枝状水泥网脉体。注浆花管(对应于图中的外管)中有上下两处设有两个止浆塞，使注浆材料从止浆塞中间向注浆花管外渗出，止浆塞在光滑的注浆花管中可以自由移动，可以根据工程需要在注浆区域内某一段反复注浆；施工中，它能够定深、定量，进行分序、分段、间隙和重复注浆，该工艺适合软弱土体加固处理。而且袖阀钢管可留在土体中作为加固体的一部分，有效提高土体的承载能力。
[0081]
在管片预留注浆孔上安装球阀和防喷装置，用电锤钻钻穿管壁，孔径然后通过防喷装置插入袖阀钢管至设计要求深度，通过注浆管路将双液浆注浆泵、流量仪、混合器与注浆管连接，最后进行分层双液注浆加固，达到终孔条件后，拆除球阀，用亲水环氧封孔，加盖闷盖，完成单孔工艺；
[0082]
(4)注浆工艺
[0083]
采用双泵双液注浆方法进行注浆，具体参数控制如下：
[0084]
注浆压力：注浆点处垂直压力的1～1.1倍，应尽量避免压力过高对土层的过大扰动；
[0085]
注浆量：按加固深度每米注浆段水泥耗量250～300kg估算，具体根据施工情况进行调整；
[0086]
注浆流量：水泥浆泵流量:14～16l/min；水玻璃泵流量：5～10l/min；
[0087]
注浆顺序：按照从下往上、左右对称、先外后里再中间的顺序进行施工，即每环注浆孔注浆顺序为从下往上，左右对称注浆，保持管片左右对称受力；同孔注浆顺序为先外后里再中间的注浆顺序，先注加固范围外最深的一段，形成屏障，封闭可能出现的漏浆通道，然后沿隧道边分层向外注，与最深的一段加固搭接，同孔重复注浆时间间隔不少于24小时。
[0088]
注浆终止条件：原则上加固区域内按定量进行注浆，若未能达预计注浆量，则在外界水压 lmpa条件下能够稳压5min即可终止注浆；若浆液沿注浆管壁上冒击裂封堵层，也应立即停止注浆。
[0089]
洞内注浆加固结束1个月后，对已完成加固后的土体进行了现场取样试验，加固后可液化地层物理力学参数与加固前对比详见下表。
[0090]
表2加固前后可液化地层物理力学参数对比表
[0091][0092]
从上表数据可以看出：经洞内注浆加固后，盾构区间可液化土体得到了明显的改善，取得了预期的效果。