南水北调深孔钢管注浆加固沙卵石地层施工技术研究

1、深孔钢管注浆加固沙卵石地层施工技术研究*集团南水北调三标项目部摘要：沙卵石地层中深孔排设大口径注浆管并及时注浆对土体进行预加固。论文从打管、注浆两道工序的设备、工艺、进度以及打管注浆过程中通过有效、合理地运用监测设备和手段对周围地层土体的影响程度和范围进行同步监测获得可靠数据等方面来阐述预加固技术措施的可行性。关键词：施工 钢管 注浆 加固 地层1.概述1.1工程概况南水北调中线(*段)*西四环暗涵穿越*地铁车站工程暗涵内净空4m，复合型衬砌结构。两暗涵中心线间距8.2m，洞间净距3.0m。既有地铁*车站南北方向净跨19.5m，暗涵洞顶距车站底板净距3.667m。隧洞断面结构型式见图1。图1

2、暗涵断面结构型式示意图根据*环*路立交桥岩土工程勘察报告，输水隧洞主要穿越沙卵石地层。在暗涵下穿*地铁车站施工前，设计采用108×8mm超前注浆管对暗涵施工影响范围土体进行水平注浆预加固。而在沙卵石地层中进行108超前注浆管深孔（长度不小于15m）施工缺少相应的施工工艺和参数进行参考借鉴，且对下穿地铁车站下方约3.7m高的土体超前加固是暗涵施工过程中控制*车站变形的关键技术措施之一，所以，在正式施工前，施工工艺的完善、打管及注浆施工对于环境的扰动程度、注浆参数确定和浆液的选择必须进行试验，以期获得相关经验和数据，指导生产。1.2试验情况概述试验主要研究内容试验在4号井下游进行，选择与

3、下穿段相似的卵石地层，进行1:1超前注浆管试验和研究,主要研究内容有：(1)钻机、钻具及钻进速度；(2)钻进过程中地铁车站结构的振幅及频率；(3)注浆工艺、注浆量及注浆体强度、加固范围；(4)108超前注浆管在卵石地层进行深孔（不小于15m）施工施工工艺可行性研究；(5)注浆管施工所致扰动区土体沉降规律及影响范围分析； (6)不同注浆参数和浆液条件下，浆液扩散及对土体物理-力学性质研究分析。 监测点布位及监测仪器埋设(1)地表沉降观测点：在超前注浆管施工扰动区内，沿垂直超前注浆管走向布设4条监测剖面，见图2。各测点在各区段内均布，测区范围为15×（2+2×8.9）m2。图2

4、地表沉降测点布设示意图(2)多点位移计观测点：在超前注浆管施工扰动区内，沿垂直超前注浆管走向布设打管及注浆扰动范围监测剖面,距离掌子面5m，设两个测点；在施工扰动区内，沿暗涵轴向每5米布设一分层沉降点， 见图6。各测点在不同深度布置多个锚头，监测不同深度多个移动面和区域的变形。注： 打管影响范围监测点 土体分层沉降监测点图3土体分层沉降及扰动范围检测点布设示意图(3)土体振动观测点：测点用于监测2#管施工过程中不同距离的振动情况，相对位置关系见图4。图4土体振动观测点布设示意图108注浆管打设(1)注浆管布设左线隧洞掌子面上水平打设4根注浆管（1管4管），管长15米；另外，为补充注浆管注浆的效

5、果，从左线上部掌子面补充打设1根（5管）注浆管，管长15m，从右线隧洞上部掌子面补充打设2根注浆管（6管、7管），管长6米。注浆孔布置图如下：图5掌子面注浆孔布置图（单位：mm）(2)打设注浆管采用GPZ-100型同心跟管潜孔锤管棚钻机打管,统计情况见下表:表1注浆管打设统计表管号管长（m）开始时间结束时间持续时间备注4#154月15日 21：034月17日11：0438小时钻机调试3#154月17日19：134月23日17：5053小时4#孔注浆试验，稽查组检查暂停打管1#154月25日3：304月25日18：0414小时30分2#154月26日19：454月27日17：0521小时20分遇

6、特殊情况，调整后重新打设。5#155月12日17：405月14日10：4417小时6#4.55月17日15：105月17日19：054小时7#45月17日21：155月18日0：344小时管棚试验孔打设施工时，各种钻进参数的收集及试验技术数据的采集，增加了大量的钻进辅助时间。通过对统计数据的分析认为：管棚试验单根15米孔的完成平均时间为15小时，钻进速度为1米/小时。后期正式施工时，合理掌握钻进参数，减少辅助时间，增设空压机增压设备，每根15米孔的平均完成时间可缩短为10-12小时，钻进速度可达到1.5米/小时。进行6#、7#管施工时，当6#管钻进4.5米，7#管钻进4米时注浆管被打断，经分析

7、主要原因为：108×8mm无缝钢管钢管注浆止浆槽间距15cm过小，槽深3mm过深；钢管材质强度不够。实际施工时钢管采用辽宁鞍山钢铁公司生产的DZ40、110×10mm地质专用管材，止浆槽间距30cm，槽深2mm，满足施工工艺和效果的要求。超前注浆注浆试验采用跟管后退式分段进行，由于试验前期对土层地质情况及注浆机具性能认识不足，致使前期注浆未能取得理想效果，存在主要问题有：碗式橡胶止浆塞无法对注浆段完全封闭，致使浆液外流；碗式橡胶止浆塞在注浆管内堵塞严重，注浆芯管运动受阻；DYS气囊式止浆塞注浆时出现浆液沿未封闭段溢浆孔向管内返浆现象。通过调查分析，为避免浆液回流，6#、7#

8、管试验时采取了相应措施：在管身溢浆孔处车槽，槽宽15mm，深3mm，止浆槽外套宽15mm的弹性橡胶止浆阀，弹性橡胶止浆阀与管体同步打入土层。注浆时，单个注浆段内通过DYS气囊式止浆塞使压力增大到一定值，弹性止浆阀扩张，浆液注入土层，非注浆段内的止浆阀与管体密贴箍紧，避免浆液回流管内。改进后注浆效果较好，基本避免浆液回流。针对试验时出现断管情况，实际施工时将采取以下措施：注浆管管身每30cm设一环9注浆孔（每环3孔）并车槽，槽宽15mm，深2mm。图6 注浆管加工示意图（单位：mm）图7注浆管加工大样图（单位：mm）采用辽宁鞍山钢铁公司生产的DZ40、110×10mm地质专用管材，钢管

9、材质强度和管壁厚度满足施工工艺和效果的要求。表2注浆情况统计表管号注浆材料注浆压力(MPa)注浆量（m3）注浆段长度（m）2#普通水泥浆1.50.5334#普通水泥浆11.53.5537#普通水泥+XPM242.5546#普通水泥浆+粉煤灰242.954.51#普通水泥浆1.530.553#普通水泥+粉煤灰0.531.44495#普通水泥+XPM0.53.52.7314备注：注浆时采用注浆量和注浆压力双项指标控制,ZBSB-7011/5-7.5型双液注浆泵。注浆效果检验观察浆液在土体内凝固并上升强度后，开挖土体检验注浆效果。经现场观察，土体固结情况较好，注浆后土体强度较高，扩散半径0.7m1m

10、,扩散沿卵石层横向较好，有利于施工总体注浆效果较好。图8注浆效果图1图9注浆效果图2试验室取样检测现场注浆后土样送至试验室作相关强度检验，试验报告显示，不同配比的浆液强度均能满足设计要求，达到试验目标。监控量测地表沉降表 沉降测点数据汇总表（5月2日）测点编号测点里程沉降值测点编号测点里程沉降值1_15+0040.06 3_15+0140.07 1_25+0040.01 3_25+014-0.06 1_35+004-0.02 3_35+014-0.09 1_45+004-0.15 3_45+014-0.10 1_55+004-0.20 3_55+014-0.15 1_65+004-0.25 3

11、_65+014-0.19 1_75+004-0.27 3_75+014-0.17 1_85+004-0.22 3_85+014-0.07 1_95+004-0.13 3_95+014-0.12 1_105+004-0.07 3_105+014-0.02 1_115+004-0.01 3_115+0140.01 2_15+0090.03 4_15+019-0.08 2_25+009-0.08 4_25+019-0.07 2_35+009-0.14 4_35+019-0.09 2_45+009-0.22 4_45+019-0.27 2_55+009-0.25 4_55+019-0.18 2_65+

12、009-0.21 4_65+019-0.11 2_75+009-0.16 4_75+019-0.13 2_85+009-0.12 4_85+019-0.10 2_95+009-0.01 4_95+019-0.04 2_105+0090.06 4_105+0190.07 2_115+0090.01 4_115+019-0.06 由监测数据可知：沉降最大值发生在拱顶正上方地表，最大沉降0.27mm，总体沉降值较小。测点距掌子面越远，受施工影响程度越小。部分测点地表沉降值因受右线开挖影响，较正常仅打管注浆情况有差，但总体沉降均较小。地层分层沉降及扰动范围监测表 多点位移计变形汇总表（5月2日）测点编

13、号测点里程沉降值测点编号测点里程沉降值DD1-155+009.7040.23DD4-035+014.7040.07DD1-165+009.7040.24DD4-065+014.7040.02DD1-16.55+009.7040.03DD4-095+014.7040.15DD2-155+009.7040.15DD4-125+014.7040.10DD2-165+009.7040.12DD4-155+014.7040.22DD2-16.55+009.7040.20DD5-035+019.7040.14DD3-035+009.7040.07DD5-065+019.7040.02DD3-065+009

14、.7040.21DD5-095+019.7040.06DD3-095+009.7040.26DD5-125+019.7040.06DD3-125+009.7040.44DD5-155+019.7040.06DD3-155+009.7040.46据监测资料，绘制典型测点沉降曲线及横断面、纵断面变形曲线，见图10、图11、图12。图10横向沉降曲线图图11纵向沉降曲线图图12典型测点沉降曲线图由监测数据及变形曲线图可知：土体沉降最大0.46mm，发生在隧道拱顶，距打设钢管垂直距离50cm，埋深15米处，为埋深最大测点；纵向沉降值最大点位于顶管端头，最小值位于顶管尾端，主要为地层长时间受振动所影响；

15、根据试验过程分析，在打管产生的分层变形主要发生在注浆管安设完成后的多天时间内，如果能够及时进行注浆施工，在施工过程中打管对地层的影响值为：最大变形：0.07mm；扰动范围：50cm左右。振动监测705号测点距离2#管距离55cm，选取典型测点曲线图及相关参数分析如下：图13 705测点振动速度时间曲线表 705号测点振动参数表最大值(cm/s)1.732875最小值(cm/s)-1.01289峰峰值(cm/s)2.745765顶部值(mcm/s)327.2364底部值(mcm/s)-309.636幅度值(mcm/s)636.8725平均值(mcm/s)3.957875上升沿(mS)5下降沿(m

16、S)4方差根(mcm/s)275.4588有效值(mcm/s)275.4872起始时(S)0终止时(S)10.24图13是705测点振动速度曲线，从图中及参数表可以看出: 振动的总体频率约为1216； 大振速为1.73cm/s； 构维持较大速度振动的时间较短，一般在0.02秒左右，意味着土体受作用时间较短。图14 705号测点一次积分振幅时间曲线上图为705号测点一次积分曲线，可以看出：振幅大小受振动的频率和持续时间控制；当振动频率越小时，相同的质点振动速度引起的土体变形越大；当最大质点振动速度为1.73/s时，所引起的土体最大振幅约为3mm。2.结论及成果分析采用GPZ-100型同心跟管潜孔

17、锤管棚钻机打设108注浆管，在卵石地层中能够满足施工工艺要求，试验中打管平均进度约为0.91.1m/h，在进行风压增压后平均进度能够达到1.5m/h左右。钢管材质和加工工艺在施工中选择辽宁鞍山钢铁公司生产的DZ40、110×10mm地质专用管材，增强材质，增加管壁厚度，适当减小止浆槽深度。根据试验过程分析，在打管产生的分层变形主要发生在注浆管安设完成后的多天时间内，如果能够及时进行注浆施工，在施工过程中打管对地层的影响值为：最大变形：0.07mm；扰动范围：50cm左右。地表沉降最大值发生在拱顶正上方地表，最大沉降0.27mm，根据地中位移分析，地表沉降主要是受右线暗涵开挖影响，同时

18、也受到没有及时注浆的一定影响。结构振动的总体频率约为1216HZ，在距管55cm处最大振速为1.73cm/s，结构维持较大速度振动的时间较短，一般在0.02秒左右，所引起的土体最大振幅约为3mm，土体受作用时间较短。在距管100cm时地层基本不受振动影响。采用DYS气囊式止浆塞对108注浆管进行分段式后退注浆施工工艺可行，满足试验和施工要求。普通浆液采用水泥浆+XPM，配比：0.9(水泥)：0.1(XPM)：0.5(水)，初凝时间为4小时40分，终凝时间为7小时20分，三天早期强度为24.5Mpa；低强度浆液采用水泥浆+粉煤灰，配比：1(水泥)：0.4(粉煤灰)：1(水)，初凝时间为15小时，终凝时间为27小时，三