洞内深孔注浆加固方案.docx
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洞内深孔注浆加固方案
目录
第一章工程概况1
1.1工程简况1
1.2工程地质条件2
1.3水文地质条件3
第二章设计概况4
第三章施工现状11
第四章地表沉降原因分析及应对措施13
4.1地表沉降原因分析13
4.2地表沉降的一般规律13
4.3应对措施15
4.4洞内深孔注浆类似工程实例15
第五章洞内深孔注浆施工工艺17
5.1洞内深孔注浆概述17
5.2主要施工机械和施工安排18
5.3引孔19
5.4注浆20
5.5洞内深孔注浆施工要求21
5.6注浆施工安全注意事项21
第六章质量、安全保证措施22
6.1质量保证措施22
6.2安全保障措施22
第一章工程概况
1.1工程简况
南干渠是南水北调配套工程的重要组成部分，南干渠工程位于北京市南部地区，工程起点位于丰台区卢沟桥地区老庄子乡，沿五环路向南转向东，终点到亦庄水厂调节池，全长约27.2km。
本合同段线路全长2760m，盾构掘进长度2680m，输水管线调线后全长2721.463m，盾构掘进长度减少38.537m。
主要包括盾构隧洞和现浇隧洞，4座排气阀井、1座盾构井，沿线设备的安装和调试，环境保护和水土保持措施和临建工程等。
本合同段输水隧洞初衬采用盾构法施工，盾构刀盘直径6.28m，主机长度为9.3m，整体长度76m，盾构隧洞初衬采用C50混凝土预制管片拼装成型，盾构管片外径6.0m，内径5.4m，厚度0.3m。
本合同段盾构掘进从盾构竖井始发，由东向西掘进，依次经过3座排气阀井，最终到达盾构接收井，线路调整前盾构掘进沿线主要为空地和耕地，原设计线路中仅有90m长下穿建筑物段掘进施工，且盾构掘进线路位于建筑物旁道路正下方；线路调整后隧洞上方有870m民房建筑物，盾构掘进需连续进行下穿施工。
盾构掘进线路及地表建筑物情况见图1-1。
图1-1盾构掘进线路及地表建筑物情况
1.2工程地质条件
根据岩土工程勘察报告，工程区所在北京地区属华北地层分区，场区内均被第四系全新统冲、洪积层覆盖，其沉积物主要为永定河冲洪积物。
西部上游以厚层砂土、卵砾石层为主，向东过度为粘性土、粉土与砾土、卵砾石交互沉积层。
勘察深度范围内无湿陷性土、膨胀土、风化岩及残积土等特殊土的分布。
地下水主要为上层滞水、潜水和层间潜水，上层滞水下段地下水位标高大致在32.42～22.92之间，稳定性差。
潜水下段地下水水位标高为：
11.12～14.03m，含水层主要为卵石⑥层。
根据《岩土工程勘察规范》，对地下水分别取样试验分析。
经分析，地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具有弱腐蚀性，地表水对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性；地表水、地下水对钢结构具弱腐蚀性；地表水地下水对混凝土结构无腐蚀性。
本标段盾构掘进线路范围内自上而下的地层岩性依次为杂填土①2、粉土②、粉细砂②2、粉细砂③2、粉质粘土③、粉土③，各层地质分布及厚度如图2-2所示。
图1-2盾构掘进线路地质剖面图（下穿民房段地层）
1.3水文地质条件
本标段盾构掘进线路地下水含水层由一层含水层过渡到多层含水层，其岩性以②1、③1层中细砂，④层中粗砂和②层粉土为主，渗透系数分别为5～25m/d，15～40m/d和0.1～1.0m/d，局部水量较大，隔水层为粉质粘土、粘土，含水层与隔水层基本呈互层状分布，各层含水层都有本层的水位，但不稳定，且连续性差。
部分含水层局部地段因隔水层分布的变化或受地下水开采的影响，水位低于含水层顶板，形成层间潜水。
勘探期间地下水位为28.9~27.2m、21.4~17.7m、14.2~11.14m，盾构掘进受第一和第二层含水层（潜水）影响较大。
第二章设计概况
设计单位出于整体布局考虑，对线路进行位置调整。
调整前的设计线路仅有90m长穿越建筑物段掘进施工，调整后我标段盾构掘进线路比原设计线路新增3段曲线段，且曲线半径较小，最小曲线半径仅400m；另外与线路调整前相比增加下穿建筑物掘进780m，调线后线路平面线型统计及沿线地面建（构）筑物统计见表2.1和表2.2。
调线后盾构掘进线路曲线段统计表表2.1
序号
起讫里程
半径（m）/转向
线路长度（m）
备注
1
T1+747.144～T1+547.570
R=400/左转
199.574
2
T1+429.181～T1+255.955
R=400/右转
173.226
3
T0+645.455～T0+592.995
R=400/右转
52.460
4
T0+296.009～T0+000.000
R=350/左转
296.009
5
21+646.889～21+212.488
R=800/右转
434.401
调线前既有
调线后盾构掘进线路沿线地面建（构）筑物统计表表2.2
序号
地面建（构）筑物名称
所在里程段
长度
距洞顶距离（m）
建筑结构
备注
1
凉风灌渠
23+570~23+530
40
4.8
饲料厂
2
团忠路
23+530~23+518
22
10.1
3
民房
T1+100~T0+990
110
9.4
砖混结构
饲料厂
4
民房
T0+971-T0+460
511
9.4
砖混结构
5
厂房
T0+405-T0+230
175
9.3
砖混结构
钢材经销商
6
黄亦路
T0+007-21+651
20
9.6
7
民房
21+580~21+532
48
9.5
砖混结构
物流中心
本标段调线后盾构掘进线路地表环境较复杂，5#盾构始发井施工场地位于京福路西侧的空地上，施工场地毗邻交通主干道路，5#盾构竖井～36#排气阀井区间地表主要为拆迁空地及农田，该段盾构掘进需连续下穿凉风灌渠和团忠路，36#排气阀～4#盾构竖井区间地表主要为民房和厂房，民房集中分布且沿线路分布距离长，期间穿越1号灌区、2号灌渠和黄亦路；盾构隧洞标高在17.5~24.5m之间，隧洞埋深大部分在9.0~10.5m，盾构下穿灌渠埋深最浅处仅为4.8m，调线前后盾构掘进线路走向和地面情况见图2-1及照片1～7。
图1-1调线前后盾构掘进线路走向及地面环境示意图
照片1原盾构掘进线路走向及地面建筑物
照片2团忠路路面情况
照片3凉风灌渠情况
照片4穿越房屋现状1（T1+100）
照片5穿越房屋现状
照片6穿越房屋现状
照片7黄亦路现状
第三章施工现状
根据线路调整后我标段的线路走向，结合地面现场实际情况，为保证盾构施工安全顺利进行，保证地面建筑物不受破坏，项目部组织编制了《盾构穿越灌区施工方案》、《盾构穿越公路施工方案》和《盾构穿越房屋专项施工方案》。
方案中对对掘进主要参数控制（主要包括：
1、掘进速度控制、2、土仓压力控制、3、盾构姿态控制）和同步注浆与二次注浆参数（1、注浆材料、2注浆压力、3注浆量）进行了明确要求，施工中严格按照方案要求施工。
在盾构施工掘进至T0+990处，通过监测数据显示，在T1+100～T1+060之间部分地表累计沉降值已达10mm左右，虽在规范和设计允许范围之内，但民房仍然出现了部分开裂现象，具体见照片1～3。
照片1房屋基础出现轻微裂缝
照片2房屋外部出现裂缝
照片3房屋内部出现裂缝
第四章地表沉降原因分析及应对措施
4.1地表沉降原因分析
盾构法施工隧道影响地表沉降的主要因素有隧道线形、盾构外径、覆土厚度、地层状况等客观设计条件，除此之外盾构掘进施工中的控制、同步注浆等主观因素对地表沉降也产生一定影响。
这些因素引起的地层沉降将发生在盾构施工的整个过程中，并延续到施工结束后的较长一段时间。
以上因素引起的地表沉降主要表现有以下五个方面：
（1）曲线上盾构掘进过程中所穿越的孔洞将不再是理论上的圆形（实际为椭圆形），需要配套使用超挖刀装置进行超挖，曲线上掘进由于盾构机一直处于纠偏状态，超挖刀也不断进行超挖掘进，实际挖掘量超出理论挖掘量，增加了地层不稳定因素，对土体的扰动也大，地层损失量也增加，容易造成较长时间的后期沉降。
（2）盾构设计时为满足施工需要，盾构外径必须大于管片衬砌环外径，同时为保证盾构移动和曲线施工，盾构开挖刀盘外径大于盾构外径，这就造成盾构开挖轮廓与管片环之间形成一定的建筑空隙，这一空隙的存在将对地表沉降产生直接的影响。
（3）大量理论和盾构施工实践证明地表沉降量随盾构隧道覆土厚度增加而减小，当覆土厚度小于3D（D为隧道直径）时，盾构施工时对上方土体扰动较明显，盾构施工后随着扰动土体的重新固结，地表沉降值逐渐增大。
（4）盾构在单一地层中掘进时盾构姿态较易控制，在软硬不均地层中盾构姿态难以控制，需不断进行纠偏，对地层扰动大，造成的后期地表沉降也就越大。
（5）盾构掘进参数选取和优化可以减小掘进施工中开挖对地层的扰动，合理的同步注浆材料和注浆参数能尽快的填充管片外侧的建筑空隙，最大限度的控制了地表沉降，减少了对地面建筑物的不利影响，否则施工中将会出现较大的地面沉降，且后期沉降也较难控制。
4.2地表沉降的一般规律
盾构法施工产生的地表沉降在隧道轴线上一般可划分五个阶段，即盾构到达前、盾构到达时、盾构通过中、盾尾脱出时、后期沉降。
这五个阶段的一般变位—历时曲线如图4-1所示。
图4-1盾构推进引起地层变位历时曲线示意图
由图4-1可以看出，盾构施工引起地表变形主要可分为五种类型，各种类型沉降产生的时间、部位及主要原因见表4.1。
盾构施工引起的五种沉降类型表4.1
沉降类型
发生时间及部位
主要原因
先期沉降
在盾构到达前
软弱性粘土：
开挖面的过量取土
开挖面前部下沉
（隆起）
在盾构开挖面
即将到达之前
开挖面的土、水压力不平衡
通过时下沉（隆起）
在盾构通过时
盾构外围面与围岩发生摩擦或超挖使围岩扰动
盾尾空隙下沉（隆起）
在盾尾通过后
盾尾空隙的产生引起应力释放或壁后注浆压力过大
后续下沉
是软弱粘土中出现的现象
盾构推进引起地基松弛或扰动
由图4-1和表4.1可知，盾构法施工隧道地表沉降主要为盾尾通过后的后期沉降，后期沉降占累计沉降值的60%以上，因此，如何控制后期沉降，将地表累计沉降值降至最低，减小对地面建筑物的影响成为盾构施工成败的关键。
由于盾构引起地面的沉降主要由于地层位移和土体的重新固结引起，在不同的地层中，地层位移和后期固结发生的时间及引起的沉降值也不尽相同。
在砂卵石地层及淤泥质软土地层中，盾构施工引起的土体位移会及时反映在地表沉降监测数据中，土体后期固结引起的沉降也将在较短时间内产生并趋于稳定。
在粘土、粉质粘土等粘性地层中，盾构施工时对地层的扰动范围与其它地层相比较小，加之此类本身有一定的自稳性，盾构施工引起的地层位移很难较快的从监测数据中表现出来，随时间的推移施工引起的扰动地层受地下水、地面建筑及荷载影响将产生长时间固结。
因此在粘性土地层中地面沉降值在施工前期表现较小，随着扰动土体的重新固结，地表沉降量逐渐表现出来。
4.3应对措施
我标段线路调整后盾构掘进线路及地表环境复杂，增加了3段曲线段，且地面建筑物均位于曲线段上方，根据线路和地层情况等客观因素，结合盾构隧洞施工工艺和地面沉降控制要求，施工中必须严格控地表沉降量，将地层最终累计沉降值控制在较小范围内，使盾构施工对地表建筑物的影响降到最低点。
因此在地表有建（构）筑物时施工中必须进行土体加固处理，减小盾构施工引起的地层移动，尤其是对盾构施工后的后期地表沉降的控制，以控制地表最终沉降值，减少对地面建筑物的破坏。
根据我标段工程的实际特点、地层条件及沿线地面建筑物情况，本着安全、科学合理的原则，最终选择洞内深孔注浆，对隧洞上方土体进行劈裂，填充扰动土体产生的空隙并对土体进行挤密加固。
此种注浆加固方法安全系数较大，对控制施工后期沉降有较大的把握，尤其在地面建筑物集中和地面交通繁忙的地区，是保护地面建筑和地面交通最为安全的地层加固方法。
4.4洞内深孔注浆类似工程实例
洞内深孔注浆加固近年来在城市地下工程中应用越来越多，在地面环境复杂并无法进行地面加固的情况下，洞内深孔注浆加固可以有效的对开挖隧道上方土体进行加固，保证隧道开挖上方土体的稳定性，控制地面累计沉降，降低对地面建筑物的影响。
如在北京地铁6号线平安里站-北海北站地下区间工程下穿地铁4号线施工过程中，采用洞内深孔注浆加固开挖隧道上方土体，将四号线盾构区间，地面沉降量控制在了5mm以内。
洞内深孔注浆加固
在我集团公司承建的北京站至北京西站地下直径线工程中，在设计DK7+265～DK7+060段，开挖隧道近邻白云观南里9＃、10＃楼施工，隧道采用洞桩法施工，在隧道开挖施工后，根据对9＃、10＃居民楼监测及反馈情况，对9＃、10＃居民楼下方进行注浆加固，控制地面沉降，较小施工对地面楼房的影响，通过各种方案的比选，最后决定采用洞内深孔注浆方案进行加固土体，深孔注浆在隧道径向向上钻设注浆孔，采用二重管水泥－水玻璃双液进行注浆。
注浆施工结束后通过检验加固效果良好，严格控制了地表沉降，通过后期对居民楼的的连续监测，未发现楼房裂缝、变形等的情况出现，有效地保护了地面建筑物，取得了良好的社会效益和施工环境。
根据类似工程实践，结合我标段实际情况，为降低盾构施工对地面建筑物的影响，保证施工的安全顺利进行，决定在我标段下穿民房和公路地段采取洞内深孔注浆加固施工，以控制盾构施工引起的隧道上方土体位移，控制地面累计沉降，达到预期的加固和控制效果。
第五章洞内深孔注浆施工工艺
5.1洞内深孔注浆概述
为控制盾构施工的后期沉降，将民房段及公路等建筑物段地表累计沉降值控制在7mm以内，必须对建筑物段进行洞内深孔注浆。
洞内深孔注浆在管片环脱出盾构后配套拖车后进行，洞内深孔注浆主要是利用水泥浆液补偿盾构掘进时的地层损失，同时对盾构施工过程中扰动的土体进行固结加固，减小盾构施工后的地层移动，控制后期地表沉降以达到降低地表累计沉降值目的，减小盾构施工对地面建筑物产生的不利影响。
洞内深孔注浆采用地质钻机通过管片吊装孔进行引孔并后退式注浆，每环管片设6个注浆孔，隧道上部3个注浆孔每孔深度为6m，下部3个注浆孔每孔深度为1.5m，根据管片拼装位置不同分两种注浆孔位进行布置。
施工时按30m一段进行深孔注浆，首先对下部注浆孔进行施工，下部注浆孔施工完毕后再进行上部注浆孔施工，最终在盾构隧洞外侧形成全断面加固区。
注浆孔位布置及加固范围见图5-1所示。
为保证注浆质量和效果，在建（构）筑物下方注浆施工前选取合适地段进行注浆试验，以确定合理的注浆材料、浆液配比、注浆压力等注浆参数。
图5-1洞内深孔注浆孔位布置及加固范围示意图
洞内深孔注浆采用二重管钻机实施“钻注一体化，分段后退式”注浆施工方案。
二重管钻机注浆就是利用专用二重管钻机实现钻进并及时注浆。
二重管钻机注浆适用任意角度注浆孔注浆，其钻杆为特制二重管，钻杆头部有混合器，可实现钻进至设计位置后，立即利用钻杆实施注浆。
施工工序见图5-2所示。
图5-2洞内深孔注浆施工工艺流程图
图5-3二重管后退式注浆原理图
5.2主要施工机械和施工安排
洞内深孔注浆加固施工本着合理投入、适当加快工期进度并与施工机械配套的原则进行劳动力投入，劳动力分两班（每班12小时）交替作业，每班施工及管理人员共10人，地质钻机1台，注浆机1台，贮浆桶各2个，主要施工机械见表5.1，人员安排见表5.2。
洞内深孔注浆主要施工设备表5.1
设备名称
设备型号
数量（台）
备注
钻机
TXU-75D
1
含钻杆、回转器、变速箱、操纵仪
高压注浆机
ZYB70
1
压力0～8Mpa
浆液搅拌机
1
劳动力投入计划表5.2
工种
人数
备注
兼职安全员
2
每班各1名
技术值班人员
2
每班各1名
成孔作业人员
10
每班各5名
注浆作业人员
6
每班各3名
5.3试验段注浆
鉴于我标段工程自身和周边环境的复杂性，为保证在洞内注浆施工时地面建筑物安全，选择与下穿建筑物段地层基本相同地段进行注浆试验，对下穿建筑物段注浆施工有重要的指导意义。
注浆试验施工前在地表纵向每5m布置一监测断面，每个监测断面横向布置5个测点，在注浆施工时每天进行2~4遍监测，密切监测地表变形情况，同时在洞内进行巡视，观察隧道变形情况，根据监测数据及时反馈指导注浆试验。
通过注浆试验，在保证注浆效果和地面安全的前提下优化注浆材料和注浆配比，确定适宜的注浆压力和注浆工艺。
注浆试验完成后，根据监测数据对试验取得的参数进行优化，确定建（构）筑物下方注浆施工的注浆参数，包括注浆材料、浆液配比、引孔及注浆工艺、注浆压力、注浆量等。
5.4引孔
洞内深孔注浆引孔采用TXU-75D钻机，该钻机体型较小，适合在较小空间施工，能在360°范围内进行钻进（见图5-3）,钻杆采用二重管钻杆，在端头安装管内混合器。
钻进采用清水作为循环液，达到设计深度或位置时，封闭端点进行横向喷射切换。
然后用注浆泵分别将浆液压入外管和内管，浆液在二重管的端头混合器内混合，通过滤网在水平方向实行喷射，将浆液注入地层中。
注浆采用后退式，一般20~50cm为一个注浆段。
，注浆孔成孔直径>42mm。
施工时，预先在管片车搭设操作平台，钻机安装平稳牢固，通过管片吊装孔进行注浆钻孔施工，确保钻孔钻进角度，同时严格控制钻进深度，上部注浆孔钻进深度为6m，下部注浆孔钻进深度为2m。
钻孔成孔时要慢速运转，根据地层情况确定钻进参数，密切观察溢水出水情况，出现大量溢水时，应立即停钻，分析清楚原因制定有效措施后再进行施工。
图5-3TXU-75D钻机
5.5注浆
当钻孔达到设计深度后，进行浆液拌制和注浆管路连接，注浆浆液采用超细水泥浆液，水泥浆液水灰比为1：
1，注浆压力上部注浆孔控制在0.6～1.2MPa之间，下部注浆孔压力控制0.8~1.5MPa，施工中避免下部压力过大引起管片变形与上浮。
钻杆回抽幅度为20～30cm/次；注浆速度根据地层孔隙及连通情况、地层密实度等因素，暂定为每分钟0.2～0.3m3，根据试验段注浆情况和后续的施工情况确定的参数进行适当调整，确保注浆质量。
注浆结束标准按注浆量与注浆压力双控注浆，每根注浆孔注入浆液量不少于理论计算量，当注浆量达理论计算量1.2倍而压力未达到注浆终压，可结束注浆；若注浆压力大于注浆终压注浆量达80%理论注浆量时也可结束该孔注浆。
理论计算：
地层（主要为粉质粘土、细砂，考虑层间滞水流失）孔隙率e：
30％
浆液充填系数a：
0.7～0.9，取0.8
浆液损失率β：
6％～10％，取8%
扩散半径：
0.6~3.5m，取1.5m
上部孔每孔注浆量Q＝π×1.52×6×30％×0.8×（1＋8％）＝10.95m3；
下部孔每孔注浆量Q＝π×1.52×1.5×30％×0.8×（1＋8％）＝2.7m3；
施工中及时做好注浆记录，注意注浆压力与注浆量的变化，每个注浆孔注浆管完毕抽出钻杆后，及时用速凝剂对注浆孔快速封密。
5.6洞内深孔注浆施工要求
1、注浆施工技术要求
⑴保证料源固定和材料供应，如需更换材料，应及时通知注浆技术人员作配比试验以确定注浆参数，保证注浆质量；
⑵注浆材料配比对工程质量影响较大，应严格按材料配比进行浆液配制，严禁擅自改变浆液配比；
⑶严格按注浆参数进行施工，不得随意更改；
⑷注浆过程浆液必须充分搅拌，保证浆液的均匀混合。
⑸注浆过程中应做好详细的注浆记录，加强洞内和地表环境巡视，确保注浆施工效果及安全。
⑹在地表布设监测点，对注浆过程中的地表隆起进行监测，及时反馈信息，完善注浆施工参数。
5.7注浆施工安全注意事项
⑴注浆过程中，如发现注浆压力持续上升，并超过规定的压力时，应停机检查原因，防止堵管。
⑵严禁压力未下降至0时拆卸空气室、压力表、输浆管道、卸浆阀等。
⑶闲杂人员不得进入注浆作业面，以免高压浆喷出伤人。
第六章质量、安全保证措施
6.1质量保证措施
1、在洞内深孔注浆施工前制定详细的注浆作业指导书和技术交底，做到操作性、规范性和实用性。
2、注浆前进行详细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比，保证所选浆材配比、强度、耐久性等物理力学指标符合业主和设计要求。
3、制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做分析注浆效果，反馈指导下次注浆，并及时报告业主和现场监理工程师。
4、成立专业注浆作业组，由富有经验的技术人员负责注浆技术工作。
5、根据地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数设计和施工方法，发现情况及时解决。
6、做好注浆设备的维修保养、注浆材料供应，保证注浆作业顺利连续不中断进行。
6.2安全保障措施
1、进入施工现场的操作人员必须戴好安全帽，扣好帽带，施工现场严禁吸烟，不得酒后作业，施工现场不得嬉戏打闹，电瓶车过往时注意避让，不得在轨道上行走。
2、施工要有充足的照明，现场电器或电路发生故障时必须断开电源后找电工维修，不得私自接触电器内部和裸露电线。
3、设施要有标识牌，机械工要持证上岗，严禁无证人员操作，钻机、注浆泵应由专人负责操作，其他人不得操作。
4、设一专职安全员，负责现场安全检查、监督，做好现场的安全和文明施工工作，做到工完料净，机械设备干净。
5、作业时，必须严格按照技术交底施作和听从技术人员的指挥，不得盲目作业和野蛮施工。
注浆人员必须经过专门培训，并熟练掌握有关作业规程；注浆人员在拆管路、操作注浆泵时应戴防护眼镜和口罩，以防浆液溅入眼睛。
4、拆卸注浆设备时由专人指挥，多人相互配合作业，严禁在不停机的情况下进行任何拆卸与修理；严禁压力未下降至0时拆卸空气室、压力表、输浆管道、注浆枪头等，注浆过程中，如发现注浆压力持续上升，超过3.5MPa时，应停机检查原因。
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