一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法与流程

本发明涉及隧道及地下工程领域，尤其涉及一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法。

背景技术：

盾构在盾构端头区域进行始发或接收掘进施工时，地层受力状态发生突变，地层稳定性较差，尤其当盾构端头区域位于富水砂层段时，由于富水砂层具有结构松散、富水性强、自稳能力差等特性，极易发生溃砂塌方事故，导致盾构无法掘进。

现有盾构端头的加固方法主要有旋喷法、降水法及袖阀管注浆法等，旋喷法主要采用高压射流技术将地层与水泥浆液进行强制切割搅拌混合以形成旋喷桩体，然后通过不同旋喷桩之间的咬合形成连续加固体，最终实现地层加固止水的目的。发明人发现，在富水砂层旋喷施工过程中，水泥浆液难以在富水砂层中有效留存，导致成桩效果差、旋喷桩咬合度不高，地层加固效果难以满足盾构端头的加固要求。

降水法主要是对目标地层进行抽水以降低地层含水率进而达到改善地层性能的目的，然而由于降水会导致周围地层的沉降，因此难以在建筑物、市政管线密集分布的城市环境中应用。袖阀管注浆法通过对地层实施由地层深部到地层浅部的后退式注浆，达到抗渗加固的目的。但是该方法在富水砂层中应用存在三方面弊端，一是由于袖阀管注浆法的止浆措施较弱，注浆过程中容易存在浆液上返跑浆的问题，导致目标加固区域内浆液留存率及注浆压力均较低，加固效果难以保证；二是浆液容易在地层浅部扩散，造成地表显著隆起，若地表存在市政管线，会严重威胁市政管线安全；三是富水砂层钻进困难，钻孔塌孔严重，导致袖阀管难以安装到位，施工效率较低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法，其具有能够实现盾构端头富水砂层段有效加固的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法，包括以下步骤：

步骤一：确定目标加固区域并设计注浆钻孔；

步骤二：布置地表变形监测点及车站结构位移监测点；

步骤三：制作带有可膨胀土工布袋的孔口管；

步骤四：打设注浆钻孔并在注浆钻孔中下入孔口管；

步骤五：对位于注浆钻孔中的土工布袋实施注浆，压密周围地层，构造止浆岩盘；

步骤六：采用速凝注浆材料对目标加固区域实施前进式分段注浆，注浆过程中实时监测地表变形及车站结构位移；

步骤七：通过地表变形及车站结构位移监测数据对注浆设计进行反馈调整；

步骤八：完成所有注浆钻孔的注浆工作，并进行注浆效果检查。

进一步的，所述步骤一中，目标加固区域的平面范围在垂直于盾构隧道轴线方向上由盾构隧道轮廓线外扩3～4m，在平行于盾构隧道轴线方向上由车站围护结构边界平移6～8m；目标加固区域的竖向范围为盾构隧道拱顶高度线上移3～4m，盾构隧道拱底高度线下移1～1.5m。

进一步的，所述步骤二中，地表变形监测点布置范围为目标加固区域的平面范围外扩设定距离，相邻地表变形监测点的间距为3～5m；

车站结构位移监测点布置于车站围护结构上，相邻车站结构位移监测点的间距为3～5m，且位移监测方向为水平方向。

进一步的，所述孔口管的顶部安装法兰盘，所述法兰盘上方设有注浆阀门；所述孔口管的末端与目标加固区域上边界平齐。

进一步的，所述土工布袋固定于孔口管的外侧，孔口管一侧设有注浆管，所述注浆管的末端伸入土工布袋内部。

进一步的，所述步骤五中，采用速凝类浆液通过注浆管对土工布袋实施注浆，速凝类浆液的凝胶时间小于20s。

进一步的，所述步骤六中，速凝注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰质量比控制在w/c＝0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在c:s＝3～4:1之间。

进一步的，所述步骤六中，当注浆压力达到设计注浆终压而注浆量达到设计注浆量80％时停止注浆，当注浆量达到设计注浆量的1.5倍而注浆压力未达到设计注浆终压时停止注浆，当注浆压力未达到设计注浆终压、注浆量未达到设计注浆量，但地表变形或车站结构位移超过预警值时停止注浆。

进一步的，所述步骤七中，当单次注浆导致的最大地表隆起变形量超过0.3cm或车站结构位移超过0.2cm时，降低设计注浆量。

进一步的，所述步骤八中，注浆效果检查包括压水试验、钻孔取芯及钻孔电视探查。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用可膨胀土工布袋对目标加固区域上方地层施加挤压力，挤密土工布袋周围的地层形成地层挤密区，提高地层抵抗浆液劈裂破坏的能力，通过多个地层挤密区的搭接，在目标加固区域上方形成止浆岩盘，防止注浆过程中浆液上返；

(2)本发明采用速凝浆液，利用其快速凝胶特性有效限制其浆液扩散范围，最终极大提高目标加固区域内的浆液留存率，使得注浆加固效果大幅度提高，满足盾构始发与接收对盾构端头地层力学性能的要求；

(3)本发明相比旋喷法与袖阀管注浆法，可以达到更好的富水砂层加固效果，有效保证盾构始发与接收过程的施工安全；相比袖阀管注浆法，可防止浆液在地层浅部扩散，避免地表隆起值超限；相比旋喷法，本方法设备简单、施工效率高、缩短了整个作业时间，成本较低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例一的盾构隧道富水砂层段目标加固区域平面图；

图2为本发明实施例一的盾构隧道富水砂层段目标加固区域纵剖面图；

图3为本发明实施例一的盾构隧道富水砂层段目标加固区域横剖面图；

图4为本发明实施例一的构造止浆岩盘及前进式注浆原理图；

其中，1、盾构隧道，2、富水砂层，3、目标加固区域，4、注浆钻孔，5、车站围护结构，6、地表变形监测点，7、车站结构位移监测点，8、地表变形监测点布置范围；9、地表，10、土工布袋，11、孔口管，12、法兰盘，13、注浆阀门，14、注浆管，15、止浆岩盘，16、地层挤密区，17、第一注浆段，18、第二注浆段，19、第三注浆段。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水泥浆液难以在富水砂层中有效留存、注浆过程中容易存在浆液上返跑浆等问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法。

实施例一：

下面结合附图1-图4对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

本实施例提供了一种适用于盾构端头富水砂层段的超前注浆加固方法，能够实现盾构端头富水砂层2的有效加固，包括以下步骤：

步骤一：确定目标加固区域3并设计注浆钻孔4；

为了保证隧道的开挖稳定性，目标加固区域的范围要大于某一限值，而从工程经济性考虑，目标加固区域的范围不能过大，因此，目标加固区域3的平面范围在垂直于盾构隧道1轴线方向上由盾构隧道1轮廓线外扩3～4m，在平行于盾构隧道1轴线方向上由车站围护结构5的边界平移6～8m。

隧道开挖过程中拱顶部位的开挖安全风险要大于拱底部位的开挖安全风险，故目标加固区域的竖向范围由盾构隧道拱顶高度线上移的长度要大于由盾构隧道拱底高度线下移的长度。本实施例中，目标加固区域3的竖向范围为盾构隧道1拱顶高度线上移3～4m，盾构隧道1拱底高度线下移1～1.5m。注浆钻孔4采用梅花形布置，相邻注浆钻孔4间距一般为1.5～2.5m。

步骤二：布置地表变形监测点6及车站结构位移监测点7；

由于注浆过程导致的地表变形、车站结构位移在地表区域内是不均匀的，故地表变形监测点和车站结构位移监测点的布置要满足一定的密度要求，以达到监测精度要求。如图1所示，地表变形监测点布置范围8为目标加固区域3的平面范围外扩3m，相邻地表变形监测点6的间距为3～5m；车站结构位移监测点7布置于车站围护结构5上，相邻车站结构位移监测点7的间距为3～5m，且位移监测方向为水平方向。

步骤三：制作带有可膨胀土工布袋10的孔口管11；

所述孔口管11的顶部安装法兰盘12，在本实施例中，法兰盘12与孔口管11焊接固定。孔口管11的直径可以根据实际情况选择，本实施例的孔口管11采用直径为108mm钢套管。所述法兰盘12上方安装有注浆阀门13。

所述土工布袋10固定于孔口管11的外侧，孔口管11一侧焊接有注浆管14，所述注浆管14的末端伸入土工布袋10内部，注浆管14的顶端位于法兰盘12附近位置。注浆管14为钢制管，土工布袋10采用高强度土工布制成，土工布袋10两端绑扎固定在孔口管11上，其中一端绑扎在孔口管11末端位置。所述土工布袋长度为1.5～2.5m，周长为1～1.3m。

步骤四：向地表9以下打设注浆钻孔4并在注浆钻孔4中下入孔口管11，使孔口管11的末端与目标加固区域3的上边界平齐。

步骤五：对位于注浆钻孔4中的土工布袋10实施注浆，压密周围地层，构造止浆岩盘15。

进一步的，采用速凝类浆液通过注浆管14对土工布袋10实施注浆，注浆压力2～3mpa，速凝类浆液的凝胶时间小于20s，浆液凝胶后体积稳定不收缩。采用速凝类浆液对土工布袋注浆的目的是减少土木布袋内浆液结石体的析水量，析水会导致浆液结石体的体积收缩，进而降低土工布袋对周围地层的挤压应力。采用速凝浆液就会有效缩短浆液凝胶时间，减少浆液析水量，保持浆液结石体体积稳定，维持土工布袋对周围地层的挤压应力。

通过土工布袋10的膨胀作用对周围地层施加挤压力，挤密周围地层形成地层挤密区16，地层被挤密后其强度远高于原始地层，进而抵抗浆液劈裂破坏的能力显著增强，当多个土工布袋10膨胀后，相邻地层挤密区互相搭接，会在目标加固区域3上方形成止浆岩盘15，起到防止浆液上返的作用，限制浆液扩散范围就位于目标加固区域3内，极大提高目标加固区域3内的浆液留存率。

步骤六：采用速凝注浆材料对目标加固区域3实施前进式分段注浆，注浆过程中实时监测地表变形及车站结构位移；对地表变形进行实时监测目的是防止地表变形及市政管线变形超过规范允许值，对车站结构位移进行实时监测的目的是保证注浆对车站结构的不利影响控制在规范允许值范围内。

采用速凝类注浆材料的目的是利用其快速凝固特性，限制浆液扩散范围，将浆液尽可能多地留存在目标加固区域内，提高注浆加固效果。速凝注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰质量比控制在w/c＝0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在c:s＝3～4:1之间。

单次注浆的注浆结束标准采用“量、压、变形”三控的注浆结束标准，当注浆压力达到设计注浆终压而注浆量达到设计注浆量80％时停止注浆；当注浆量达到设计注浆量的1.5倍而注浆压力未达到设计注浆终压时停止注浆；当注浆压力未达到设计注浆终压、注浆量未达到设计注浆量，但地表变形或车站结构位移超过预警值时停止注浆。设计注浆终压可取1～1.5mpa，设计注浆量可取1.5～2.5m³，地表变形或车站结构位移预警值根据实际工程要求及当地规范要求确定。

注浆钻孔4的注浆顺序为先外圈后内圈，先在外圈进行注浆，形成包围结构，限制后续注浆的浆液扩散范围，提高浆液在目标加固区域内的留存率。

前进式分段注浆的分段长度为3～4m，通过前进式式注浆，先加固目标加固区3域的浅部地层，然后由浅入深，逐渐增加注浆深度，直至到达目标加固区域3底边界。如图4所示，先加固第一注浆段17，再依次加固第二注浆段18、第三注浆段19。由于前序注浆已将浅部富水砂层加固到位，因此后续注浆施工可避免富水砂层钻孔钻进困难、塌孔严重的问题。

步骤七：通过地表变形及车站结构位移监测数据对注浆设计进行反馈调整。注浆全过程导致的地表隆起量总限值与车站结构位移总限值都是根据规范选取，单次注浆导致的地表隆起量限值与车站结构位移限值需要综合考虑注浆次数与地表隆起量总限值与车站结构位移总限值。当单次注浆导致的最大地表隆起变形量超过0.3cm或车站结构位移超过0.2cm时，适当降低设计注浆量。

步骤八：完成所有注浆钻孔的注浆工作，并进行注浆效果检查。注浆效果检查包括压水试验、钻孔取芯及钻孔电视探查，当压水试验获得的加固后地层渗透系数<1×10^-6cm/s，钻孔取芯率>50％，钻孔电视探查检查孔不存在塌孔时，认为注浆效果达到要求。

实施例二：

本实施例以某地铁工程区间隧道为例，采用盾构法开挖，盾构隧道1拱顶埋深10m，盾构隧道1开挖直径为6.5m，两条盾构隧道1净距为8m，在盾构端头部位，盾构隧道1全断面穿越富水砂层2，施工风险极高。

采用以下步骤进行加固：

步骤一：确定目标加固区域3并设计地表注浆钻孔4。目标加固区域3的平面范围在垂直于隧道轴线方向上由盾构隧道1轮廓线外扩4m，在平行于盾构隧道1轴线方向上由车站围护结构5边界平移8m，目标加固区域3的竖向范围为盾构隧道1拱顶高度线上移4m，盾构隧道1拱底高度线下移1m。地表注浆钻孔4采用梅花形布置，孔间距设计为2m。

步骤二：布置地表变形监测点6及车站结构位移监测点7。地表变形监测点布置范围8为目标加固区域3的平面范围外扩3m，地表变形监测点6的间距为5m。车站结构位移监测点7布置于车站围护结构5上，车站结构位移监测点7的间距为5m，位移监测方向为水平方向。

步骤三：制作带土工布袋10的孔口管11，在孔口管11侧面焊接注浆管14，注浆管14的端部伸入土工布袋10内部。孔口管11采用直径108mm钢套管，孔口管11上部焊接有法兰盘12，法兰盘12连接注浆阀门13。土工布袋10采用高强度土工布制成，土工布袋10两端被绑扎固定在孔口管11上，其中一端绑扎在孔口管11端部(末端)，土工布袋10的长度为2m，土工布袋10膨胀后的周长为1.2m。

步骤四：打设注浆钻孔4并下入孔口管11。孔口管11的深度直接到目标加固区域3上边界。

步骤五：对所有注浆钻孔4的土工布袋10实施注浆，压密周围地层，构造止浆岩盘15。采用速凝类浆液通过注浆管14对所有注浆钻孔4的土工布袋10实施注浆，注浆压力2～3mpa，速凝类浆液要求凝胶时间<20s。本实施例中的速凝类浆液采用水泥-水玻璃浆液，水泥浆液水灰质量比为w/c＝1，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比为c:s＝4:1。

通过土工布袋10的膨胀作用对周围地层施加挤压力，挤密周围地层形成地层挤密区16，地层被挤密后其强度远高于原始地层，进而抵抗浆液劈裂破坏的能力显著增强，当多个土工布袋10膨胀后，相邻地层挤密区16互相搭接，会在目标加固区域3上方形成止浆岩盘15，起到防止浆液上返的作用，限制浆液扩散范围就位于目标加固区域3内，极大提高目标加固区域3内的浆液留存率。

步骤六：采用速凝注浆材料对目标加固区域3实施前进式分段注浆，注浆过程中对地表变形及车站结构位移进行实时监测。

注浆所用材料为速凝类注浆材料，可采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰质量比为w/c＝1，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比为c:s＝4:1。注浆过程中对地表变形及车站结构位移进行实时监测，防止地表变形及市政管线变形超过规范允许值，同时保证注浆对车站结构的不利影响控制在规范允许值范围内。

单次注浆的注浆结束标准采用“量、压、变形”三控的注浆结束标准，当注浆压力达到设计注浆终压而注浆量达到设计注浆量80％时停止注浆；当注浆量达到设计注浆量的1.5倍而注浆压力未达到设计注浆终压时停止注浆；当注浆压力未达到设计注浆终压、注浆量未达到设计注浆量，但地表变形或车站结构位移超过预警值时停止注浆。设计注浆终压为1.2mpa，设计注浆量取2.5m³，地表变形或车站结构位移预警值根据实际工程要求及当地规范要求确定，本实施例中地表变形位移预警值为1.5cm，车站结构位移预警值为0.5cm，前进式分段注浆的分段长度为4m。

步骤七：通过地表变形监测数据及车站结构位移监测数据对注浆设计进行反馈调整。当单次注浆导致的最大地表隆起变形量超过0.3cm，或导致的车站结构位移超过0.2cm时，适当降低设计注浆量。

步骤八：完成所有注浆钻孔的注浆工作，并进行注浆效果检查。当压水试验获得的加固后地层渗透系数<1×10^-6cm/s，钻孔取芯率>50％，钻孔电视探查检查孔不存在塌孔时，认为注浆效果达到要求。本实施例中，注浆加固结束后地层平均渗透系数为5.2×10^-7cm/s，检查孔的钻孔取芯率普遍在65％以上，检查孔基本不存在塌孔现象，注浆效果达到目标要求。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。