深基坑止水帷幕TAMTubeAManchette管灌浆工法.docx
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深基坑止水帷幕TAMTubeAManchette管灌浆工法
深基坑止水帷幕TAM（Tube-A-Manchette）管灌浆工法
1.前言
TAM管灌浆施工工法是一种结合压密注浆、劈裂注浆等现代灌浆理论而发展形成的新型地表垂直深层灌浆施工技术。
TAM管灌浆法通过较大的压力将浆液注入岩土层中，灌浆芯管上下的止浆塞可实现分段分层灌浆，可根据施工需要选择连续或跳段灌浆，使得松散的地层和较密实的地层均得到很好的灌浆加固效果，避免了以往的灌浆工艺在松散地层和较密实地层同时存在时，松散地层灌浆量大，较密实地层注不进浆的现象的发生。
TAM管灌浆法一般用于深度50m以内的地表灌浆，在地质情况比较复杂的情况下，该技术有很好的应用效果。
TAM管灌浆法具有在灌浆区域内任一段反复灌浆以及同一根TAM管内可采用不同灌浆材料等显著优点，施工实践证明TAM管灌浆技术安全可靠，经过总结提高，形成此工法。
2.工法特点
2.1钻孔、灌浆可采取平行作业方式，提高施工效率。
2.2灌浆芯管具有上下两个止浆塞形成的止浆系统，能将浆液限定在灌浆区域的任一段范围内进行灌浆。
止浆系统在光滑的TAM管内可自由移动，一般由下而上，达到分段灌浆的目的，可据地层情况调整灌浆长度，选择连续或跳段灌浆，每个灌浆长度一般固定为30～50cm。
2.3可根据地层特点，在某一段灌浆区域内反复灌浆，或在灌浆管内不同区段采用不同的灌浆材料，选用不同的灌浆压力进行灌浆。
灌浆压力较小时浆液扩散沿灌浆孔的水平方向多于垂直方向，可有效地压密土体；灌浆压力较大时浆液扩散沿灌浆孔的垂直方向多于水平方向，可在土体中产生劈裂效应。
2.4由于外皮浆的作用，采取较大的灌浆压力时，发生冒浆和串浆的可能性小。
3.工法关键技术
3.1根据各个区域不同地质水文条件特性，选择不同的灌浆参数和灌浆材料进行灌浆。
灌浆施工一般穿越粉质粘性土层、中细砂层、粗砂砾层、残积层和破碎带等不同地质构造，而各种地层的吸浆能力，以及浆液在地层中的扩散作用机理也不尽相同，采用不同的灌浆材料和灌浆参数对灌浆效果有着决定性作用。
3.2灌浆采取定压定量双控指标，保证灌浆效果，控制地表隆起。
灌浆控制标准主要以压力控制为主，以每次灌浆量和总灌浆量为辅，灌浆施工中应通过现场监测对灌浆参数及浆液配方作进一步确定，根据现场实际情况适当调整，确保灌浆效果。
3.3TAM管的灌浆步距和溢浆孔布设间距，可根据灌浆施工中所选择的灌浆材料和地层的特性进行设置，从而达到理想的灌浆效果。
4.适用范围
本工法适用于各类填土、砂土、淤泥质、粉质粘性土、全（强、中）风化、断层破碎带等地层，富水和流动水条件下基坑工程的止水帷幕施工。
针对淤泥质等软弱地层，该工法是目前被国内外公认的最可靠的灌浆方法，著名的英吉利海峡隧道，法、日、意等国以及台湾、香港地铁工程均使用过该灌浆方法。
5.工艺原理
TAM（Tube-A-Manchette）灌浆工法通过TAM管和灌浆芯管组成的灌浆系统对土层进行分次灌浆，有效地填补地层空隙，并可以通过二次灌浆弥补灌浆缺陷，使地层得到有效的加固止水效果。
浆液经过灌浆泵加压后进入灌浆芯管，聚集到TAM管灌浆管段，然后通过TAM管上钻有的泄浆孔，在内压力的作用下，将包裹在泄浆孔外的橡胶圈胀开、外皮浆挤碎。
当压力逐渐增大到一定程度，被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动，此时由于供浆量小于进入量，压力会自动回复到平衡状态，续后的浆液在压力作用下，使得劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达到增加地层强度，降低地层渗透性的目的。
逐次提升或降低灌浆芯管即可实现分段灌浆，TAM管灌浆原理如图1所示。
图1TAM灌浆原理
6.工艺流程及操作要点
6.1TAM灌浆法施工工艺流程图
TAM管灌浆工法主要施工流程包括放样定位和钻孔、插入TAM管、灌注外皮浆、压力分段灌浆等。
施工工艺流程图见表1及图2。
表1TAM灌浆法施工工艺流程图
图2TAM灌浆法施工工艺示意图
6.2钻孔及灌浆设备就位
用全站仪通过基点坐标引入辅助坐标点，再通过这些坐标点，采用拉线和钢尺量测的方法定出钻孔孔位。
钻机就位后，应使其平整稳固，开钻前对钻杆的垂直度进行检测，在利用平水尺或角度器把钻孔机调较至垂直角度之后，随即进行钻孔施工，在钻孔期间仍需不时重复地监察钻孔角度，每加一节钻杆均需对钻机调平校正，以避免造成过大偏差而影响工程质量，要求钻孔的倾斜度≤1%。
灌浆孔采用临时套管护壁水冲法钻进成孔（图3），临时套管外径一般约70mm~110mm，钻进深度应达到灌浆固结段。
钻孔过程中应选用合适的钻孔压力、钻机转速和冷却液流量，并注意孔内情况，避免出现卡钻、埋钻、烧钻。
钻进过程中要做好记录，为灌浆作业提供参考数据。
图3钻孔图4灌浆设备
由于灌浆孔距一般在300mm~1000mm，为了减小钻孔间的相互影响，在现场施工时每隔一孔钻孔灌浆，待一半钻孔完成TAM管外皮浆灌浆结束后，再对其之间的灌浆孔进行钻孔灌浆，使得施工时相临钻孔间距达2倍灌浆孔距。
（式1）
灌浆孔距可根据式1确定，R是浆液在土体中的扩散半径，t为灌浆时间，s；k为土体的渗流系数，cm/s；v为浆液的运动粘滞系数，cm/s；h1为灌浆压力，MPa；r0为TAM管半径，cm；de为土体的有效粒径，cm；n为土体的孔隙率。
灌浆设备（图4）应就近安装，灌浆管路不宜过长，一般不超过50m，以防压力损失。
灌浆设备应四面围封，防止污染环境。
6.3下放TAM管、灌注外皮浆
在钻孔完成后，应立即把外径48mm的TAM管沉放至钻孔底部，由于每节TAM管的长度为4m，在插入时相邻两节TAM管用PVC套管连接，采用PVC胶合剂将TAM管和连接套管粘牢。
TAM管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合。
插入的第一节TAM管下端头安装套头封堵（图5），在所有TAM管接驳完成后，需在整支TAM管中注入清水（图6），利用重力作用，使TAM管不会浮起，同时应保证TAM管的上端头露出地面100mm，用套头套牢，防止杂物进入管内，影响灌浆质量，之后再将临时套管抽出及拆除（图7）。
图5TAM管端头套头封堵图6TAM管中注水抗浮
在TAM管插入钻孔后，应立即把已配比好的外皮浆灌注入钻孔内（图8）。
TAM管泄浆孔外面紧紧套着橡胶套，灌注外皮浆时，浆液不会进入TAM管中。
外皮浆灌注的质量是保证灌浆效果的关键，外皮浆的膨润土、水泥及水份的配比为1:
10:
20，作用是防止灌浆时浆液流窜，在TAM管周围形成具有一定强度的保护层，灌浆时浆液挤碎TAM管上有泄浆孔的限定部位外皮浆，而上部和下部的外皮浆仍具有一定强度，可以阻止浆液的上下流动，使得浆液只在很小的范围内横向流动，以增加地层的加固半径。
图7拔出钻机临时套管图8灌注外皮浆
6.4膨润土水泥灌浆及化学灌浆
6.4.1TAM管灌浆系统构造
根据地下水位的高低，现场施工在地面以下一定深度不灌浆，所以在插入TAM管时，在地面以下一定范围内的TAM管上不钻泄浆孔。
TAM管（图9）在灌浆段沿着管壁外径一般每间隔约330mm，环向钻有三排共10个直径为6mm的泄浆孔（图10），外包橡皮胶圈。
溢浆孔布设间距可根据灌浆施工中所选择的灌浆材料和被注地层的特性调整设置，从而达到理想的灌浆效果。
橡胶圈的作用是当孔内加压灌浆时橡胶圈胀开，浆液从泄浆孔进入地层，停止灌浆时橡胶圈在TAM管外部浆液的作用下封闭泄浆孔，阻止泥土和地下水逆向进入TAM灌浆管内，从而起到灌浆管的单向阀作用。
图9TAM管图10TAM管泄浆孔
灌浆芯管（图11）可在TAM管内上下自由移动，逐次提升或降低灌浆芯管即可实现分段灌浆，并可根据需要进行多次灌浆。
灌浆芯管具有上下两个止浆塞形成的止浆系统，能将浆液限定在灌浆区域的任一段泄浆孔范围内进行灌浆，达到分段灌浆的目的。
灌浆时，浆液通过灌浆芯管经过上部止浆塞，从灌浆芯管的出浆孔流出，进入TAM管和上下两个止浆塞封闭的泄浆孔区域，在压力作用下，橡胶圈被顶起，随着浆液的聚集，压力达到一定程度后，TAM管外侧的橡胶圈被胀开，外皮浆被挤碎，从而浆液被挤压到地层中。
止浆系统可在光滑的TAM管内可以自由移动，可根据需要在灌浆区域内某一段反复灌浆。
图11灌浆芯管出浆口及上下止浆塞
6.4.2分阶段灌浆
外皮浆灌注完成24小时后，可以在TAM管内插入灌浆芯管至预定灌浆段，自下而上分段进行帷幕灌浆（图12），帷幕灌浆工程分两个阶段进行。
第一阶段：
膨润土-水泥灌浆Bentonite/CementGrout
第二阶段：
化学灌浆ChemicalGrout
图12止水帷幕分阶段灌浆
第一阶段灌浆完成后12小时，可进行第二阶段灌浆。
每一阶段的灌浆均会由灌浆孔底部开始进行灌注，然后逐节往上提升及进行加压灌注，直至到达地面以下一定范围内的非灌浆区为止。
每段灌浆长度为灌浆步距，灌浆步距一般选取0.3～1.0m，这样可以有效地减少地层不均一性对灌浆效果的影响。
对于砂层，灌浆步距宜选用低值；对于砂卵石或破碎岩层等，灌浆步距宜选用高值。
每步距灌浆量可根据式2确定。
Q=πR2Lnα（1+β）（式2）
式2中，Q为每步距灌浆量，m3；R为浆液扩散半径；L为灌浆步距；n为土体孔隙率；α为浆液在土体中的有效充填系数，一般为0.3~0.9；β为灌浆损耗系数，一般为0.1~0.4；
灌浆过程中应密切注意灌浆压力的变化。
每段灌浆时，压力表应出现两次峰值，在灌浆刚开始，出现第一次峰值，持续的时间很短，随后压力逐渐降到相对平稳值，持续时间在一分钟左右，之后压力表出现第二次峰值，此时该段灌浆完成，可将灌浆芯管提升进行下一段灌浆。
压力表出现第一次峰值是由于TAM管被外皮浆包裹引起的，当外皮浆被浆液挤碎，这个峰值很快下降，随着浆液的注入，地层中间的空隙被填充，灌浆压力也逐渐增大，直到达到第二次峰值。
6.4.3浆液配比及凝胶时间控制
膨润土水泥灌浆及化学灌浆所采用的浆液配比分别如下表2及3所示：
表2膨润土水泥灌浆液Bentonite/CementGrout配比/m³
材料
数量
膨潤土Bentonite
35kg
水泥Cement
350kg
清水Water
700Liter
表3化学灌浆液ChemicalGrout配比/m³
A液
B液
材料
数量
材料
数量
水玻璃SodiumSilicate
100Liter
水泥Cement
45~90kg
清水Water
150Liter
清水Water
Balance
共计Total
205Liter
共计Total
250Liter
化学灌浆可根据地质条件，在淤泥、粉质粘性土、全风化、中强风化、断层破碎带富水等条件下采用普通水泥-水玻璃双液浆，其作用机理主要表现为裂隙填充和劈裂作用；在砂层中采用超细水泥-水玻璃双液浆，其作用机理主要表现为渗透作用。
水泥水玻璃双液浆凝胶时间可调，可减少地下水对浆液凝胶化性能的影响，确保浆液在富水和动水条件下的凝胶固结。
进行化学灌浆前，必须在现场做配合比试验，以确定配合比的适用性，双浆液的凝固时间需控制在30s至60s内。
6.4.4停止灌浆条件
在灌浆过程中，通过观察灌浆范围内排气、返水、冒浆及灌浆孔吸浆量、压力提升速度、浆流量等情况，充分收集现场各种数据及迹象综合判断，及时调整灌浆方法和施工参数，当出现以下情况时，可停止帷幕灌浆：
A、若灌浆压力超过5bar或超过上覆岩层压力（overburdenpressure）2bar时，两者以较大者为准；或
B、灌浆量达到需灌浆加固土层体积的15%；或
C、地面出现冒浆现象。
为防止浆液在TAM管、灌浆芯管和浆泵中凝固，当灌浆完成后，灌浆系统必须以清水彻底清洗，以备有需要再灌浆时使用。
每一灌浆孔应填写灌浆记录表，其中包含灌浆孔号、钻孔深度、灌浆深度、灌浆日期、每一灌浆步距的浆液投入量及灌浆压力数等，以存为证。
在灌浆过程中，需不间断地对施工位置附近范围进行监察，以确保工序不会为附近的道路、公用设施及结构带来不良影响。
7.材料与机具设备
TAM管灌浆的设备主要有钻孔机械、灌浆泵、压灌浆管路系统和制浆设备、TAM管及灌浆芯管等（表4，图13~16）。
TAM管采用聚乙烯塑料（PVC）加工，管壁厚约4mm，具有较好抗弯强度。
普通硅酸盐水泥等级强度为42.5，水灰比为0.45～0.55；膨润土采用TRUGEL100或与之同等规格，水玻璃选用25~35Be。
表4主要设备材料表
设备/材料
型号/规格
单位
数量
钻机
HD90或HD110
台
2
灌浆泵
CGP30HP
台
2
搅浆机
M160A
台
2
TAM管
聚乙烯塑料（PVC）
m
若干
水泥
42.5R
kg
若干
膨润土
TRUGEL100
kg
若干
水玻璃
25~35Be
kg
若干
图13HD110钻机图14CGP30HP高压化学灌浆泵
图15TAM管图16浆液搅拌器
8.劳动组织
表5主要劳动力配置
工种
人数
专业技术人员
1
钻孔机手
2
钻孔机跟机
4
灌浆工
6
电工
1
杂工
2
总计
16
9.质量控制
9.1钻孔前，检查钻机垂直度，误差控制在l％内，在钻进过程中随时对钻杆的垂直度进行检测并及时调整。
9.2下放TAM管时，确保管节间连接可靠，底部加上底盖，避免外皮浆进入TAM管内，应保证袖阀管位于孔中心和垂直度，及时盖好上盖，避免杂物落入。
9.3严格按试验确定的配比及水灰比拌制灌浆液，灌浆液应具备良好的流动性和较小的析水性，并保证在一定的压力下浆液具有良好的扩散性，达到灌浆效果。
9.4灌浆过程中控制好参数及灌浆步距，严密监视灌浆压力和灌浆量，出现异常应立即停止，查明原因并采取相应措施。
9.5灌浆完成后及时清洗TAM管，以备下次灌浆。
10.安全及环境措施
10.1钻机、高压灌浆泵、搅浆机等必须指定专人操作，应定期检修检定，以保证正常工作。
10.2灌浆过程中，作业人员应使用防护用具。
10.3施工前应检查灌浆设备和管路系统，其压力和流量需满足设计要求，检查管道的耐久性以及连接是否可靠，灌浆管路内不得有任何杂物，各类密封圈必须良好，无渗漏现象。
10.4钻孔时，排出的泥浆应沉淀处理后排放，并符合环保要求。
10.5水泥等细颗粒散体材料，应遮盖存放。
11.效益分析
与其他灌浆工法相比，TAM管灌浆法可以实现分段、定量、间歇、重复灌浆，能较好地控制灌浆范围和灌浆压力，且发生冒浆与串浆的可能性小，可根据不同地质条件采用不同的灌浆材料，灌浆材料凝胶时间可调，可有效地控制浆液在地层中的扩散距离，确保地下流动水条件下浆液的凝胶固结，能保证止水帷幕的整体连续性和有效的帷幕厚度，具有良好的灌浆效果及经济效益。
12.工程实例
香港望后石污水厂深基坑工程在钢管桩墙外围边缘位置采用TAM管灌浆法进行止水帷幕灌浆，以防止大量地下水涌入。
灌浆孔中心与钢管桩墙中心点距离约为300mm，每个灌浆孔之中轴距离为800mm，采用单行排列（图17）。
所有灌浆孔深度均与钢管桩墙脚相同，并由灌浆孔底部灌至地面对下1m。
基坑工程场地是经填海造地形成的填海区，地层中间夹有3~6米厚的海底冲积层，部份带有淤泥或软基层。
止水帷幕的灌浆深度约在-11mPD~+4mPD，采用普通水泥-水玻璃双浆液，浆液扩散半径400mm，灌浆步距330mm，化学灌浆的双浆液凝固时间控制在45s~60s内。
图17望后石污水厂钢管桩后止水帷幕
香港大埔滤水厂深基坑工程在钢管桩墙外围进行帷幕灌浆，以防止深基坑开挖过程中有地下水涌入。
每个灌浆孔之中轴距离为800mm，采用双行梅花形布置（图18）。
基坑工程场地为平整山体得到的一块平地，海拔约+100mPD，绝大部分场地为人工回填土，土质不均匀，且尚未达到固结状态，在回填层和风化层之下，基岩之中亦存在着若干泥质夹层及其他软弱夹层。
止水帷幕的灌浆深度约在+76mPD~+94mPD，采用普通水泥-水玻璃双浆液，浆液扩散半径600mm，灌浆步距500mm，化学灌浆的双浆液凝固时间控制在30s~60s内。
图18大埔滤水厂钢管桩后止水帷幕
香港港珠澳大桥观景山至香港口岸段深基坑工程在钢管桩墙外围进行帷幕灌浆，以防止深基坑开挖过程中有地下水涌入。
每个灌浆孔之中轴距离为750mm，采用双行梅花形布置（图19）。
基坑工程场地是经填海造地形成的新填海区，地层中间夹有海底冲积层。
止水帷幕的灌浆深度约在-30mPD~+4mPD，采用普通水泥-水玻璃双浆液，浆液扩散半径350mm，灌浆步距330mm，化学灌浆的双浆液凝固时间控制在300s~600s内。
图19港珠澳大桥观景山至香港口岸段钢管桩后止水帷幕
图20望后石污水厂TAM管灌浆施工图21大埔滤水厂TAM管灌浆施工
图22港珠澳大桥观景山至香港口岸段TAM管灌浆施工
在香港望后石污水厂、大埔滤水厂及港珠澳大桥观景山至香港口岸段地盘的深基坑工程止水帷幕灌浆施工实践中（图20、21、22），主要采取定压定量灌浆，要求灌浆孔每个灌浆步距的灌浆压力必须超过5bar或者超过上覆岩层压力值2bar以上，两者以较大值为准。
灌浆后基坑开挖过程中，大部分钢管桩间无渗漏水现象，当局部存在桩间渗漏水时，采取二次重复灌浆措施，可达到良好的桩间止水效果。
采用TAM管灌浆工法时，可分区投入多套设备，钻孔灌浆平行施工，施工效率高，可有效地缩短施工工期，节省施工成本。
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