浅滩沙层大直径竖井施工工法样板.docx
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浅滩沙层大直径竖井施工工法样板
浅滩沙层大直径竖井施工工法
中铁一局集团有限公司
GJEJGF228-2010
1前言
饱和动态含水砂层是土木工程界施工的一大难题，在该种地层中施工竖井极易发生涌水和涌砂等工程灾害。
目前，在该种地层中施工φ9.7m的竖井尚属首例。
中国中铁一局在厦门翔安海底隧道翔安端竖井通过采用钻孔切合桩形式支护，井内采用TSS管后退式分段注水泥－水玻璃双液浆技术，成功地解决了厚10m左右饱和动态含水砂层的加固问题,保证了竖井的安全开挖。
经过对注浆材料、机械设备和施工工艺等方面的不断完善、发展和总结，形成了本工法。
2工法特点
2.0.1采用φ120cm钻孔切合桩的维护结构加固砂层段,并穿过全、强风化层嵌入弱风化层0.5m。
2.0.2井内采用TSS管后退式分段注浆技术,注浆材料采用普通水泥－水玻璃双液浆。
该注浆材料具有同化学注浆材料一样的渗透能力，在饱和动态含水砂层中可以较均匀地加固砂层，达到“固砂堵水”目的。
该注浆材料在可注性、可行性、有无环境污染、经济性及工艺实施难易度等特性方面综合考虑，是目前适宜于饱和动态含水砂层较好的注浆材料。
2.0.3施工设备配套简单、易操作，施工成本较低。
3适用范围
本工法适用于浅滩饱和动态含水砂层的铁路、公路隧道等大直径竖井施工。
4工法原理
4.1钻孔切合桩
采用CZ-6冲击钻打设一圈φ120cm钻孔切合桩，钻孔切合桩比咬合桩施工方便，不受地层影响，加固砂层效果明显，数量较少，经济可观，施工中应严格控制桩的垂直度。
4.2注浆材料
普通水泥－水玻璃双液浆是工程中常用材料，其料源广，价格便宜，结石强度高，结石率大，凝胶时间可控，无毒污染，稳定性好、流动性较好，对于中粗砂层，注浆比值（N值）大，可注性好，一般能注入渗透系数为10-2～10-4cm／s的中粗砂层。
双液浆在中粗砂层中主要形成在主脉下（一般为2mm）的均匀渗透扩散，不易发生大量的劈裂、挤压状况，可以较好地均匀加固砂层，形成完整的防水帷幕。
4.3钻进成孔工艺
采用YT-28钻机钻孔后，再用钻机将TSS管直接顶进至设计深度。
采取长管后退式分段注浆工艺，其注浆分段长度短（一般取0.5m），可以有效地解决海陆交互相冲积饱和动态含水砂层中，中、粗、细砂交互出现，地质多变等复杂条件下，注浆加固的均一性，提高饱和动态含水砂层的整体加固效果。
5工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
竖井施工工艺流程见图5.1
图5.1竖井施工工艺流程图
5.2场地平整
首先清除淤泥换填海砂，后回填土进行分层压实，保证大型施工机械可以进入。
5.3钻孔切合桩施工
5.3.1钻孔切合桩设计（见图5.3.1）
图5.3.1设计桩位布置图
钻孔切合桩设计桩径φ120cm，桩与桩相切，桩底要求进入弱风化花岗岩0.5m，桩顶低于竖井顶面2.5m，实际单桩长度可根据施工过程中钻孔地质情况确定。
钻孔采用红粘土泥浆护壁成孔。
钻孔咬合桩的排列方式为一根素混凝土桩（A桩）与一根钢筋混凝土桩（B桩）相邻布置，A桩、B桩均采用C25水下普通混凝土。
5.3.2钻孔工艺流程
先施工A桩，后施工B桩，其施工工艺流程是：
A1→A2→A3→B1→A4→B2……AN→BN-2（见图5.3.2）。
图5.3.2钻孔施工工艺流程
5.3.3孔位定位误差控制
为了保证钻孔灌注桩桩与桩相切，对其孔口的定位误差进行严格控制，孔口定位误差的允许值在10mm以内。
为了有效的提高孔位的定位精度，要求护筒中心与桩中心重合，控制场地平整度，保证土层的承载力，防止钻孔过程中出现钻机偏移或下沉，时刻关注钻机平整度。
5.3.4桩垂直度控制
成孔过程中要控制好桩的垂直度，必须做到：
1钻孔灌注桩施工前护筒埋置必须水平和垂直，要求护筒中心与桩中心重合。
2成孔过程中桩的垂直度监测和检查：
钻孔过程中采用卷尺量钢丝绳距离护筒位置关系以检查桩的垂直度，发现偏差随时纠正，这项检测在每根桩的成孔过程中应派专人定期进行。
5.3.5钻孔过程泥浆指标
采用泥浆护壁代替全套管施工，对施工过程中泥浆性能指标要求严格，特别在砂层地段。
5.3.6成桩垂直度检验
钻孔深入弱风化层0.5m后，应对孔深、孔径和垂直度进行检查，符合设计要求方可进行清孔。
成桩垂直度检查采用特制的垂直探孔器进行检测，当垂直探孔器顺利下至设计标高时，垂直度满足设计要求；反之，要求重新扫孔。
5.4TSS管注浆参数设计
5.4.1注浆材料
根据前期注浆结果并结合现场实际，综合考虑凝结时间、可注性、强度、抗分散性、耐久性、可操作性和经济环保等因素，注浆材料采用普通水泥－水玻璃双液浆，根据现场实际情况，对配合比进行相应的优化，选择配合比：
W:
C=0.8～1.0；C:
S=0.15～0.2；水玻璃浓度30～35Be＇。
鉴于以往采用普通小导管注浆时，在小导管顶进过程中容易出现小导管被砂体充填，导致浆液无法注进或难以注进，难以达到加固砂体和止水的效果，采用TSS小导管注浆可以避免出现以上情况，TSS小导管及其配套止浆系统如图5.4.1：
图5.4.1TSS小导管及其配套止浆系统示意图
5.4.2注浆参数
注浆参数如表5.4.2所示。
在现场注浆施工中，注浆参数根据实际情况进行动态调整优化。
表5.4.2现场注浆参数初始值表
参数名称
参数值
浆液扩散半径（m）
0.5～0.7
注浆终压（MPa）
0.3～2.0
浆液凝胶时间（min-sec）
双液浆：
16sec～16min20sec
注浆速度（L/min）
20～50
注浆分段长（m）
0.5～0.8m
单孔单位注浆量（L/m）
砂层：
300～400、强风化层：
150～250
水泥浆：
水玻璃
（1：
1）：
0.15、（1：
1）：
0.2
TSS管规格（mm）
φ42（壁厚3.5mm）
5.4.3施工准备
1封闭工作面：
为防止注浆施工过程中工作面冒浆，每循环开挖后应对工作面进行喷混凝土封闭，厚度不小于30cm。
2机具设备维修：
在注浆施工前和开挖施工过程中，应对钻机、注浆泵、搅拌机等机械进行检查、维修、保养，使其保持良好的状态。
3施工材料准备：
施工材料包括注浆管、闷盖、密封套等孔内注浆设备和注浆用的水泥、水玻璃等注浆材料。
施工前必须将材料运至工作面附近，每次应备足一天的材料用量，且随用随补充。
4抢险材料的准备：
含水砂层注浆和开挖中，可能会发生突发性的涌水和涌砂现象，给施工及地面设施安全造成危害。
因此，必须事先准备好抢险防涌材料，如棉纱、砂袋、方木等。
5.4.4配制浆液
1水泥浆的配制
根据预配制水泥浆的体积，按水灰比掺量计算出所需要的水泥、水的用量。
施工中宜采用水灰比为W∶C＝1∶1。
2水玻璃浆的配制
在浓水玻璃中加入水，边加水边搅拌，边用波美计测试其浓度，到达所需要的稀释浓度为止。
施工中宜采用水玻璃浓度为35Be＇。
5.4.5TSS管后退式注浆工艺
TSS管内后退式分段注浆工艺流程如图5.4.5所示：
图5.4.5TSS管后退式注浆工艺流程
5.4.6注浆结束标准
1单孔注浆结束标准
以注浆压力为主、注浆量为辅的原则进行控制。
注浆过程中，以定压达到设计注浆终压为第一控制原则，如果长时间注浆压力不上升，则按定量标准进行注浆控制。
2全段注浆结束标准
设计的注浆孔基本达到注浆结束标准，同时对井壁渗水情况进行观察，若渗水量过大，必须再次对所注TSS管进行复注浆，直至达到渗水量小或无渗水的效果。
5.4.7注浆效果检查
1分析法
可以通过注浆量Q1、注浆压力P、出水量Q2绘制Q1-P-Q2Q曲线来判断注浆效果。
2钻孔检测法
根据注浆情况，在注浆段钻设一定数量的检测孔，孔内出水量应小于12m3/d。
3其它方法
还可以采用地震波法、声波法及电磁波法等间接方法对注浆效果进行检测。
5.4.8质量保证及安全保障措施
1对注浆的配合比进行严格的控制，需要对水桶、水玻璃桶进行刻度划分，在保证配合比不变的情况下（1：
1：
0.27），现场对水玻璃进行稀释（1：
1体积比）和水灰比进行调整（0.8：
1质量比），以便于现场配合比控制。
2水泥和水玻璃应严格控制，符合设计要求，严禁使用过期水泥和波美度不符的水玻璃，必要是进行现场检验。
3浆液搅拌应均匀，一般水泥浆搅拌时间为3～5min，但不得超过30min，未搅拌均匀或沉淀的浆液严禁使用。
4注浆过程中，时刻注意泵压和流量的变化，若吸浆量过大或压力突然下降，注浆压力长时间不上升，应查明原因，如井壁或井底掌子面冒浆，可采取加大水玻璃浓度的方法，观察冒浆情况，若还继续冒浆，停止注浆并清洗TSS管，以便复注浆。
调整浆液配比、缩短浆液固结时间、大泵量、低压力注浆、间歇注浆都能达到注浆结束标准。
5严格进行注浆效果检验评定，符合要求时才能结束注浆作业，当未达到注浆结束标准时，必须进行复注浆，直至符合注浆结束标准。
6孔口管、止浆塞要安装牢固，施工期间严禁人员在其正前方，以防止孔口管冲出伤人，确保施工安全。
7注意每次注浆完后对注浆机械的保养和维修，注意用电安全，经常进行检修杜绝漏电伤人，并派专人进行维修和操作，非专业人员不得随意操作或维修。
5.5开挖及出碴
竖井穿越砂层段开挖采用预留核心土方法，首先开挖竖井内外围，形成环行台阶，台阶宽度在1.5～2m左右，高度0.5m。
每次开挖后及时做好初期支护，观察渗水情况,如渗水量大,停止开挖,采取注浆加固措施止水，洞外要准备50m3应急沙袋。
采用挖掘机和风镐开挖，配合汽车起重机提升2.0m3吊桶出渣，深度大于30m时，采用35/5t龙门吊提升洞碴，由井外自卸车运至弃碴场。
严格控制进尺，该段每循环进尺0.5m。
5.6劳动组织
5.6.1组织管理模式
饱和动态含水砂层钻孔切合桩、注浆施工难度大，为了确保施工安全和施工质量，需要建立严格的安全施工组织管理模式，精心组织，精心施工，积极稳妥，不留后患。
施工组织原则：
建立设计、施工、科研三位一体组织模式，成立含水砂层施工组织领导小组，组织技术攻关，施工技术攻关组，加强现场施工。
施工组织管理模式：
课题组由技术攻关领导小组负责，直接领导现场技术攻关领导小组。
下设技术攻关组，钻孔桩施工组，注浆组，设备物资组。
5.6.2劳动组织
根据工程数量要求，合理地安排劳动力。
在注浆施工中，施工人员要听从现场施工组的统一安排，服从指挥，各司其职，严格施工纪律。
施工劳动组织安排可参考表5.6.2配置。
表5.6.2施工劳动组织
班组
人数
工作职责
备注
钻孔桩施工组
30
负责钻孔、钢筋笼制作及安装、浇注混凝土
注浆组
30
负责引孔、换钻杆、下管、配制浆液、注浆工作
技术人员
6
负责施工放样、各项施工的技术管理工作
设备组
10
负责现场机械的驾驶、维修
辅助工
6
负责现场文明施工
6主要机械设备
表6主要施工机械设备配套表
序号
机械名称
型号
规格
数量
1
装载机
ZL50
3.0m3
2
2
风钻
YT28
63.7N.m
30
3
风镐
G10A
28～35N.m
10
4
挖掘机
Cat320、Cat120B
173kW、1.38m3
2
5
提升系统
35/5t
35
1
6
料斗
3.5×3×2
16m3
2
7
电动空压机
4L-20/8
20m3/min
4
8
桩机
DD60A
60
1
9
自卸汽车
8t
4
10
增压泵
1
11
高压注浆泵
ZYB-70/80
高压注浆泵
2
12
混凝土输送泵
HBT60
60m3/h
1
13
混凝土潮喷机
TK961
5m3/h
4
14
组合钢模板
自制
2
15
轴流通风机
SDF（C）-NO11
110kW
1
16
爬行式热合机
ZPR-210
2
17
插入式振动器
Z50
1.1kW
3
18
发电机
250GF4
250Kw
1
19
变压器
S9-500/10
500KVA
1
20
高扬程水泵
扬程100m
3
21
冲击钻机
CZ-6
6
22
搅拌机
1
23
储浆桶
5
7质量标准
7.0.1钻机的定位误差：
极坐标原点距井壁开挖线距离≤±lcm，距工作面距离≤±1cm；轴线同中线偏差≤±lcm。
7.0.2注浆孔孔位标注误差≤±lcm。
7.0.3钻孔开孔误差≤±lcm。
7.0.4钻孔钻深和设计相比≤±10cm。
7.0.5注浆短管布设外插角≤±1°。
7.0.6TSS管注浆单孔注浆量不得少于设计注浆量的80％；注浆结束标准宜首先按注浆压力达到注浆终压为止。
7.0.7观察检查孔钻进过程中排出的岩粉中应有浆液的胶凝体，检查孔钻孔结束后，将钻孔放置一段时间，观察检查孔中应没有涌水、涌砂现象。
8安全措施
8.1随时监控井壁安全：
当工作面附近或井壁尚未衬砌的部分发现有落石，支撑发出异常响声或大量涌水时，应视为情况危险。
施工人员应立即从安全梯或爬软梯子撤出井外，并立即报告上级处理。
8.2配带安全工具袋：
在井下吊盘上工作的人员，应配发携带工具袋，将工具妥善放在工具袋里，使用时要牢固地拴在身上或其它固定物体上。
严禁将不使用的零星工具放置在支撑上。
8.3严格竖井安全提升：
竖井施工人、料、机、渣的提升不同于隧道内的运输，在提升过程中必须严格执行下列安全要求：
8.3.1通风竖井井口应设有防雨设施，接罐地点应设置牢固的活动栅门，由专人掌管启开。
接罐人员均应佩戴安全带（袖标），上下人员应服从接罐人员的指挥。
通往井口的道路应设置阻挡器。
8.3.2底车场的信号必须经由井口接罐员发出，井底车场不得直接向卷扬机司机发信号。
只有在发送紧急停车信号时，才可直接向卷扬机司机发信号。
8.3.3每班要配备两名驾驶员：
提升吊车的驾驶员必须经过专业技术培训，并持有政府监督部门考核颁发的合格证书。
为防止驾驶人员疲劳驾驶，主要的提升装置每工班要配备有正、副两名驾驶员，在交、接班人员上下井的时间内，必须由正驾驶员开车，副驾驶员在旁监护
8.4根据防涌水、涌砂紧急预案，确保人员机械安全。
8.5砂层段开挖人员必须穿救生衣。
8.6注意高空坠物伤人，安排专人清理竖井周围易坠物。
8.7尽管注浆施工方案十分严密，但难免会因地层的不均一性等多种特殊情况而引起局部地层加固效果较差，施工开挖时出现少量的涌水。
因而应制定相应的安全技术措施，在施工过程中针对出现的情况，采取相应的处理措施。
8.7.1对于局部加固效果较差，引起砂层流失较多，所形成的空洞较大，涌水量≥10t/h的情况，一般首先采用Φ100的注浆钢管引水，然后采取裸体注浆法（或称直接注浆法）进行注浆处理。
浆液选用普通水泥－水玻璃双液浆，配比为，（W∶C）∶S=（1∶1）∶0.15。
8.7.2对于局部加固效果较差，引起少量砂层流失，所形成的空洞较小，且不大规则，涌水量＜10t/h的情况，一般首先采用Φ60的橡胶软管引水，然后采取裸体注浆法进行注浆处理。
浆液选用普通水泥－水玻璃双液浆，配比为，W∶C=0.8∶1；C∶S＝l∶1。
8.7.3对于局部加固效果较差，引起砂层流失较少，所形成的空洞较小，且呈圆形，涌水量＜10t/h的情况，一般首先采用Φ42的钢管引水，然后采取裸体注浆法进行注浆处理。
浆液选用普通水泥－水玻璃双液浆，配比为，W∶C＝l∶1；C∶S＝1∶1。
9环保措施
9.1施工期减轻海域环境污染措施
9.1.1暗挖隧道施工抽排水应经沉淀池进行沉淀处理，防止高浊度污水漫流或直接流入海中。
在岸边利用低洼地开挖作为沉淀池，单个容量估计1000m3，沉淀池分级设计。
9.1.2暗挖隧道竖井施工采用筑岛围堰后开挖的办法，开挖土石方应尽量进行综合利用，不能利用的应选择陆域低洼地进行回填造地，并注意水土保持，减少施工泥砂入海。
9.1.3工程施工时混凝土拌和，应采取防雨水冲刷措施，以防雨季施工或台风暴雨时大量混凝土、水泥浆入海而污染海域环境。
9.2减少施工期对珍惜海洋物种和渔业资源影响措施
9.2.1通过采取前述减少施工泥砂入海一系列措施，减少施工期海域水质SPM增量影响范围，减少悬浮泥砂对中华白海豚活动影响和泥砂沉积作用对文昌鱼生活环境破坏。
9.2.2减少施工对中华白海豚生态环境及渔业资源影响措施
1采用先进施工方法。
采用新奥法施工，光面爆破与预裂爆破技术，减少爆破震动对环境的影响。
2考虑隧道施工安全和海域保护区需要，暗挖隧道开挖时，爆破方案报批，并进行爆破震动监测，以及时反馈信息，调整爆破参数，进一步减轻爆破震动效应，从而在确保隧道施工安全的同时，减少对白海豚保护区生态环境的影响。
9.3施工期间大气污染防治措施
9.3.1采取洒水防尘、夯实或硬化施工便道等办法，控制施工现场及道路扬尘，料场应尽量设在距居民区150m以外，进入料场道路也应经常洒水，以减少粉尘污染。
9.3.2尽量采用商品混凝土，减少现场搅拌混凝土，避免混凝土搅拌扬尘污染，减少搅拌机械噪声影响。
9.3.3车辆进行土石方和水泥建材、弃土运输时，应设置挡板、注意加盖篱席，并不得装载过满，避免撒落及因风起尘。
9.3.4在施工现场附近居民敏感区内，不得进行钢梁喷漆作业，避免散发有害气体，危害作业区周围人群健康。
9.4施工期噪声污染防治措施
9.4.1对施工噪声敏感区段施工作业应采取时间控制措施。
对居民敏感区，夜间时段（22：
00～06：
00）和午间（12：
00～14：
00），限制高噪声机械设备使用，减少对居民正常生活影响。
高考期间应按照市政府和环保局要求，做好施工噪声控制。
9.4.2相对固定的施工机械，如空压机、发电机等，利用有隔音板的房屋，并尽可能远离声敏感目标。
9.4.3施工期间，注意控制施工车辆，经过居民区时应注意限速缓行。
9.4.4加强施工期环境管理，合理安排施工工序，做到文明施工，减少噪声影响。
9.5营地生活污水处理措施与对策
施工营地包括工程办公、生活区、生产用地等均应配备临时生活污水处理设施，对生活污水进行处理后方可排放，避免直接进入周围池塘或海域。
9.6弃渣、施工垃圾和生活垃圾处理措施
9.6.1本工程建筑垃圾、工程渣土处理应符合《城市建筑垃圾管理规定》（城建［1996］96号）和厦门市人民政府公布《厦门市建筑废土管理办法》要求。
在工程开工前建设、施工单位应向城市市容环境卫生行政主管部门申报建筑垃圾、工程渣土排放处理计划，填报建筑垃圾、工程渣土种类、数量、运输工具、运输路线及消纳处理场地。
并签订市容环境卫生责任书，接受管理和监督。
9.6.2隧道弃渣弃于业主指定的地点，用地四周应根据地势和周围环境情况，做好防尘和水土保持工作。
9.6.3施工期工地应及时收集建筑垃圾。
对施工产生废物料，尽量进行回收利用和处理，属于不会产生明显污染的废砖头、废混凝土、等建筑固废，可作为填充材料，充垫场地、便道、路基等，不得随意堆存或丢弃；不能回收的一般废物送垃圾场统一处置。
9.6.4施工生活区内产生的生活垃圾应及时分类收集，回收利用或送垃圾场处理。
10效益分析
10.0.1采用钻孔切合桩作为维护结构，在取得相同加固效果前提下，比采用钻孔咬合桩、地下连续墙、沉井法能大大加快工程进度；采用切合桩需打桩31根，咬合桩需打桩42根，比咬合桩降低造价约26%。
10.0.2普通水泥－水玻璃双液浆的价格仅为化学浆液的1／8～1／10，采用普通水泥－水玻璃双液浆进行注浆施工，在取得相同的注浆效果下，可以节约材料费用约25％。
11工程实例
11.1工程概况
厦门翔安隧道是我国大陆第一座采用钻爆暗挖法施工的大断面海底隧道，全长6051m（YK6+559～YK12+610），其中跨越海域总长约4200m，陆域暗挖约1800m。
左右线行车隧道测设线间距为52m，行车隧道开挖最大断面尺寸为17.04m×12.56m（宽×高），建筑限界净宽13.5m，建筑限界净高5.0m。
由我公司承担施工的A4标段右线行车隧道全长2910m（YK9+700～YK12+610），其中明洞长140m，暗洞长2770m。
竖井中心桩号为YK11+300，距右洞口1310m，距海堤930m，竖井断面呈圆形，开挖φ9.7m，竖井顶面高程为5.5m，井底面设计标高为-45.947m，井深约52m。
竖井处平均水深2～3m，施工场地采用围堰筑岛方式所建。
11.2工程及水文地质
竖井场地范围内地质条件比较复杂，原设计在竖井附近只有一处钻孔，位于YK11+287.74之右20.85m处，距离竖井相对较远，为了更准确的探明竖井所在位置的地质条件，我们又在竖井周围增加了两个地质钻孔。
通过补勘，竖井处实际的地层结构从上至下依次为：
人工填筑层（1.5～-0.8m），淤泥层（-0.8～-5.5m），淤泥混砂层（-5.5～-9.5m，呈透镜体状），粗砂层（-9.5～-19.5m），全风化黑云母花岗岩层（-19.5～-22.5m），强风化黑云母花岗岩层（-22.5～-24.49m），弱～微风化黑云母花岗岩层（-24.49m以下）。
地下水位埋深-0.8m左右。
粗砂层为富含水层，透水性强，K＝3.545m/d，层厚8～11m；全～强风化黑云母花岗岩层含基岩裂隙水，为弱透水层，K＝0.367m/d，层厚约8～12m。
11.3设计支护参数。
11.3.1钻孔桩31根，φ120cm，桩长根据实际施工情况动态调整，原则上嵌入弱风化地层0.5m。
11.3.2浆液配比：
（W∶C）∶S＝（1∶l）∶0.15缓凝剂掺量0-2％水玻璃浓度35Be＇；
11.3.3浆液扩散半径：
0.5～0.7m；
11.3.4注浆分段长（步距）：
0.5～0.8m；
11.3.5注浆速度：
20-50L/min；
11.3.6单孔注浆量：
砂层300～400L/m；全风化层150～250L/m；
11.3.7注浆终压：
0.3～2.0MPa。
11.4效果检查。
钻孔桩和TSS管注浆结束后，进行取芯检查，取芯率47.8％-92.6％，岩芯加固优良率71.5％-96.6％。
进行注水试验，地层注浆后渗透系数为1.56×l0-4～3.70×10-6cm/s，较注浆前提高了2～4个数量级。
井内开挖施工，安全地通过了该饱和动态含水砂层。
由井内开挖的砂层加固情况来看，浆液渗透较均匀地加固了砂层，取样测试固砂体抗压强度为0.39～1.39MPa。
执笔人：
李治军孟维孝何小龙张松刘源
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