随着地铁事业的蓬勃发展, 越来越多的地铁线路需要修建在诸如软弱围岩或富水砂层等复杂不良地层上, 面对这些不良地质引发的突水、突泥、坍塌等安全问题, 如何进行围岩加固、止水是关键^[1]。而注浆加固技术因其简单易行、成本低、效果好的特点, 近年来被广泛用于地铁隧道建设中。在施工工艺方面, 针对不同地质条件及不同工程特点, 采取不同的注浆工艺, 如在软弱地基上为减少不均匀沉降而采取压密注浆的方式^[2], 在通过高压富水、断层内含大量断层泥的破碎带时采取超前帷幕注浆的方式^[3], 当地层特别困难或范围内有特别重大风险源时采取水平袖阀管注浆工艺^[4]等。面对越来越复杂的工程地质条件, 复合注浆、动态控制等更先进的工艺理念应运而生, 如在海底隧道建设中, 针对海底透水通道发育且多为高承压水而引起的大突水问题, 采用裂隙超前预注浆和裂隙补充注浆组合的方法, 成功解决了裂隙注浆堵水难题^[5];在长距离下穿建筑的富水砂层地铁隧道建设中, 针对周边环境复杂且地层、地下水不断变化的问题, 采取将注浆范围分为止水、止水加固、加固3个区域, 并采用袖阀管注浆与放射型后退式注浆组合的方式, 消除了注浆盲区并保证周边建筑安全^[6]。而在注浆材料方面, 除了常用的普通水泥单液浆、水泥水玻璃双液浆^[7]外, 特别适合于裂隙水发育、水压较大地层的硫铝酸盐水泥单液浆^[8]及特别适合城市隧道下穿既有构筑物的超前加固的TGRM水泥浆等特殊浆液^[9]也获得推广, 注浆工艺和材料的选择越来越有针对性。

虽然注浆工艺和材料在不断发展, 但对注浆钻头的研究一直较少。自20世纪40年代注浆工艺出现以来, 注浆头仅有一种方式, 即打入式注浆头。其打入时密封注浆管, 防止土进入注浆管而堵塞, 拔出时可以注浆。另一种注浆方式是先用钻头钻孔, 然后取出钻头, 下入注浆头进行注浆。然而上述钻头不易自身钻入土层中, 也难以在任意深度进行注浆, 这些缺点延长了施工工期, 也制约了注浆技术的发展。

本文依托青岛地铁R3线东黄区间隧道工程, 采用新型伸缩式注浆钻头, 论证该新型注浆钻头及其注浆工艺对工程所在地层条件的适用性、在技术上的可行性及施工效果的可靠性, 对相似地层注浆施工的借鉴及该新型钻头的应用推广有一定的积极意义。

本工程为青岛市红岛—胶南城际轨道交通工程黄海东路站—东方影都站区间, 线路位于泰山东路下, 沿线主要建筑为万达东方影都及柏果树河桥。

黄东区间地质条件较差, 整个区间软弱围岩加固方案分为4种:地面旋喷桩加固、地面袖阀管加固、洞内帷幕注浆加固、由车站水平对区间进行深孔注浆加固。如图1所示。

根据勘察资料, 该区间地质条件复杂, 为海岸沉积复杂地层, 主要穿越砂岩及强风化花岗岩, 砂岩仅在拱顶处有部分显示, 掌子面较不稳定。虽然基岩条件较好, 但部分地区仍存在软弱地层, 包括富水砂层、砂砾石以及断层破碎带、海岸残留沉积区等, 区间隧道需进行加固后再施工。如图2所示。

该伸缩式注浆钻头由身管和钻头体组成, 身管套在钻头体外周, 并在身管的两侧开有2道注浆槽, 在钻头体的顶端有1根穿钉, 穿钉可沿注浆槽上下滑动。钻头体的下端呈锥形, 并焊有硬质合金。钻头身管的顶端带有螺纹丝扣, 与钻机的钻杆连接, 由钻机带动可钻入土中。

钻进过程中, 钻头体缩回身管中, 注浆槽封闭。当钻入预定深度后, 钻杆上拔, 钻头体伸出身管, 注浆槽打开, 可向地层中注浆 (已申请专利, 专利号201621098064.0) 。

钻头体伸进时可以钻进土层, 钻头体伸出时可以注浆, 其钻头特征如下。

1) 钻头身管上部的丝扣规格与钻杆丝扣相同, 并且钻头身管和钻头体的外径与钻杆外径相同。

2) 穿钉的两端可沿注浆槽上下滑动, 用于限制钻头体的伸缩定位, 保证注浆槽开闭, 并可传递扭矩至钻头。

3) 钻头体下端为锥形, 在锥面上焊有≥2排硬质合金, 即普通地质钻孔合金, 通常由难熔金属的硬质化合物和黏结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料, 用于各种土层的钻进。

其优点如下。

1) 利用土层对钻杆的握裹作用, 实现自动密封, 不再需要专业的密封装置。

2) 前端焊有地质钻探用的硬质合金, 可在各种复杂地层钻进。

3) 该钻头具有伸缩性, 可在任何深度反复多次注浆。

为验证新型注浆钻头在本工程地层中的适用性, 选取东黄区间ZSK17+751—ZSK17+771 (取前后5m搭接) 为注浆试验段, 注浆里程试验段长20 m。注浆设备及工艺如表1所示。

工作量为1个开挖段, 长度20m, 所以不在地面以上设固定的工作后台, 履带式钻机、注浆泵、搅拌桶等所有设备材料全部运至掌子面。

注浆孔的布设按照设计方案, 隧道拱顶区域及侧壁加固圈厚度为3m, 注浆孔沿初衬内缘环形布置, 共布3排, 第1排注浆孔距离拱顶0.35m, 第2, 3排间的排距为0.45m, 即每0.45m布1排注浆孔, 共计19个注浆孔。布设如图6所示。

试验段靠近海边, 处于腐蚀环境下且所注地层以中粗砂~粗砾砂为主, 注浆材料应具有可注性、抗分散性、早强、凝结时间可控及耐久性等特点。

根据相同地质类似工程经验得到浆液配合比, 水泥水灰配合比1∶1, 掺加2.5%~3.5%水玻璃以改善水泥单液浆的析水性大、稳定性差且凝胶时间长、在遇高压动水情况下浆液容易冲刷和稀释等缺点^[10], 水玻璃波美度为35°Bé, 凝胶时间为28.22s, 确保在上部砂岩、下部强风化花岗岩地质条件下注浆效果达到最佳。

所有材料设备就位后, 即可开机工作。钻机钻臂采用全液压操作对准孔位, 根据入射角度无级钻速钻入土层中, 要求孔位偏差≤2cm, 入射角度偏差≤1°, 钻入角度采用注浆机器自带角度控制与人工角度尺双重控制, 钻孔角度如图7所示。

下注浆管配套伸缩注浆钻头, 在钻进过程中, 钻头体缩回身管中, 注浆槽封闭。当钻入预定深度后, 钻杆上拔, 钻头体伸出身管, 注浆槽打开, 向地层中注浆。

注浆开始前, 先注入10L清水, 疏通注浆管路。浆液搅拌采用二级搅拌, 一级搅拌过程中添加水玻璃, 一级搅拌均匀后, 流至二级搅拌桶边搅拌边注浆, 保证浆液稳定。一级搅拌时间≥150s, 以保证浆液配制均匀;二级搅拌时间≤45min, 避免浆液凝固。两种搅拌机配合使用以保证制备浆液的连续性和浆液的稳定性。注浆参数如表2所示。

注浆量及注浆压力等参数均由灌浆数据采集与处理系统配套grout2016软件记录。在注浆记录之前, 在软件中设置好相关的注浆参数, 包括孔号、孔序、水固比、掺量性质和数量等, 注浆记录包括时间、压力、流量、注浆量、管容量等。

注浆终止标准为: (1) 当地面隆起超过报警值, 则点位注浆终止, 进入下一个注浆点施工; (2) 当达到设计注浆压力时, 点位注浆终止, 进入下一个点位注浆; (3) 当注浆量达到设计注浆量的1.5倍时, 点位注浆终止, 进入下一个点位注浆; (4) 当钻杆周边出现冒浆时, 注浆终止。

全孔注浆结束后, 用水泥带和木楔钉入孔口, 防止浆液回流, 并以清水及时清洗注浆机及管道, 以防阻塞。随后将注浆机及管道等移动至下一个注浆孔进行注浆。

区段注浆拟用时3d, 采用新型钻头边钻边注后, 用时2d, 消除了传统注浆工艺中先钻孔再拔钻头进而下管注浆的时间, 大大缩短了注浆工期。

为验证采用新型注浆钻头的注浆加固效果, 分别采用P-Q-t曲线分析、设置检查孔、现场监测及开挖验证等方法对试验段注浆效果进行检验。

利用灌浆数据采集与处理系统配套grout2016软件, 实时记录施工过程中注浆压力P、注浆速度Q, 绘制P-t, Q-t, P-Q-t曲线并进行分析。其中, 19个注浆孔的P-t曲线基本呈上升趋势, Q-t曲线基本呈下降趋势。P-Q-t曲线如图8所示。

当达到设计注浆量时, 注浆压力能够达到设计终压1.5MPa, 满足注浆加固要求。

注浆结束后, 现场施作4个检查孔, 孔深20m, 各检查孔水量测试分别为涌水量0.2, 0.1, 0.2, 0.15 L/min, 满足测试要求, 且无塌孔。

随后对4个检查孔进行取芯, 浆液充填饱满;并对芯样进行土力学试验, 芯样7d单轴抗压强度均>6MPa。

黄东区间该段主要下穿Ⅵ级围岩, 为了解采用新型注浆钻头注浆过程中对周边环境的影响, 对周边地表、管线进行实时监测, 单孔注浆累计隆起>5 mm立即停止注浆。累计隆起量达25 mm即预警。注浆施工过程沉降监测历时曲线如图9所示。

试验段注浆施工于2016年10月6日开始, 从图9中可以看出, 不同位置处的监测点变形量相对均匀, 说明整个注浆施工过程对地层的影响不大, 除DBC02-03, DBC02-04两个监测点的累计变化量值较大外, 其余各监测点的变化都很小, 并未出现较大隆起的情况。

开挖注浆断面后, 漏水处全部堵住, 开挖面8m有浆液流出, 且很快凝固, 扩散痕迹明显, 呈网状分布, 掌子面基本干燥。这说明采用新型钻头注浆效果良好, 有效地实现了加固地层的目的。

基于采用新型钻头注浆试验段的效果验证分析, 与常规钻头相比较, 得出以下结论。

1) 通过应用新型伸缩式钻头及边钻边注的施工工艺, 切实缩短了注浆工期, 提高了注浆效率。

2) 试验段注浆效果良好, 涌水量等指标满足相关要求, 在保证地表及管线安全的情况下, 实现了对隧道上覆砂层的加固, 保证了隧道的安全开挖。

3) 该新型注浆钻头可适用于青岛海岸粗砾砂地层, 但在施工中发现当地层中存在较大卵石时对钻头磨损较为严重。为应对更多的复杂不良地质, 该新型钻头还有待改进。

4) 由于注浆试验段里程的漏水现象不明显, 注浆的主要目的是进行地层加固, 在解决大涌水等问题而采用其他复杂浆液时新型钻头的注浆效果还有待研究。

5) 该新型钻头及注浆工艺操作简便, 适用性广, 对类似地下工程的注浆施工有良好的借鉴作用。