0 引言

随着中国经济的飞速发展和城市化进程全面推进, 各类海边建筑越来越多。交通运输能力要求的日益提高, 促使交通设施结构形式更为复杂多样。大断面浅埋暗挖隧道是复杂工程结构之一, 也是现代施工技术突破的巨大挑战。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程位于珠江口临海软土地区, 下穿国内第一大陆路口岸拱北口岸, 采用“曲线管幕+水平冻结+五台阶十四部”暗挖工法施工, 被称为世界上最复杂的公路隧道。辅助注浆施工技术在管幕、冻结、大断面开挖施工中大量使用, 本文结合该工程重点分析各种注浆技术的作用、特点、方法及效果等, 为工程顺利实施奠定基础。

1 工程概况

拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程, 双向六车道, 全长2 740m, 分为3段, 中间口岸暗挖段长255m, 采用双层暗挖施工方案, 两端采用明挖施工。拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸, 临近澳门边防联检大楼, 其平面布置如图1所示。隧址地质软弱松散, 为海陆交互相沉积软土地层, 由上至下依次为人工填土、淤泥质粉质黏土③₁、砂土③₃、淤泥质粉质黏土④₃、砂土⑤₂、砾石土⑥₂等。水位在地面下1m, 水量丰富, 与海水相通。隧道最小埋深4～5m, 开挖面积为336.8m², 是目前世界上开挖断面最大的暗挖隧道。

图1 拱北隧道口岸暗挖段平面布置

Fig.1 Plane of the Gongbei tunnel underground excavation section

27.9m

暗挖段两侧设工作井作为施工通道, 工作井长, 宽, 深, 采用厚地下连续墙围护结构。管幕由根直径为钢管组成, 平均长度, 管间距, 最大埋深, 最大水压约, 采用泥水平衡顶管机进行施工, 管幕横断面如图所示。冻结圈全长整环积极冻结, 分段分区围护冻结, 冻结壁厚, 采用“奇数圆形实心冻结管+偶数异形冻结空心管+奇数加热限位管”的冻结管布置方式进行冻结, 采用强制解冻和融沉注浆消除冻结壁, 冻结管路横断面布置如图所示。隧道开挖断面高, 宽, 由临时钢支撑划分为个台阶部进行暗挖施工, 如图所示, 开挖由上而下, 先两侧再中间, 每部台阶间隔距离≥。

图2 管幕横断面

Fig.2 Profile of pipe roof

图3 冻结管路横断面布置

Fig.3 Cross section layout of freezing pipes

图4 五台阶十四部暗挖

Fig.4 Underground excavation with five stages and fourteen pilots

2 注浆综合施工技术

2.1

管幕顶进面注浆加固技术 为封闭管幕洞门前周围的流动水、加强顶管掌子面土体强度, 需对工作井管幕顶进面进行注浆加固, 加固范围为工作井两侧延伸各15m宽, 加固深度至管幕最低处钢管下5m。在周边空间允许的条件下采用竖直高压旋喷桩注浆加固, 口岸内部区域采用斜向钻孔注浆。高压旋喷桩采用ϕ1.2 m三重管, 桩间接缝处呈“品”字形加固。斜向钻孔注浆采用RPD-150c和PRD-75SL钻注一体机进行后退式注浆, 每次注浆长度3m。钻孔注浆顺序先外后内, 加固区域外边缘处采用水泥-水玻璃双液浆, 内部采用水泥单液浆, 注浆压力1.5～2.0MPa, 属劈裂注浆土体加固。经钻孔取芯检查, 土层加固效果良好, 顶管机在加固的始发、接收段可自由调整姿态, 不会因地质松软下沉, 达到了精准顶进效果, 保证了管幕工程的顺利实施。

2.2

高水压下顶管接收注浆止水技术 泥水平衡顶管机采用钢套筒接收舱保压接收, 中板下9～29号管幕位置水土压力较大 (约为0.3MPa) , 须用多种注浆方式进行止水。钢套筒接收舱设有前舱和后舱, 前舱长度要求大于顶管机长度3m左右, 后舱长度50cm, 两端各设1道止水橡胶帘幕, 后舱和接收孔口管分别设置2个注浆管, 其中1个为备用, 钢套筒接收舱如图5所示。顶管机进入钢套筒接收舱后, 先在后舱2道止水帘幕间注马丽散, 封闭接收舱与地层的水系联通;再从接收孔口管注浆管处注入单液浆, 封堵管节外壁与孔口管之间水系;最后从管幕钢管内部通过润滑泥浆孔注水泥双液浆, 封堵管节与加固土体之间水系。注浆完成后打开钢套筒接收舱排浆闸阀, 排出舱内剩余泥浆, 并检查是否有渗水流出。若有渗水可以在接收孔口管备用注浆管再次注单液浆止水, 直至无渗漏水后方可开舱移出顶管接收机。本工程采用此接收注浆止水技术后再无发生涌水等灾害。

图5 钢套筒接收舱示意

Fig.5 Sketch of steel sleeve reception cabin

2.3

管幕润滑泥浆置换技术

MPa

管幕采用泥水平衡顶管机施工, 顶进接收完成后, 为防止润滑泥浆失水造成地层沉降, 进行置换注浆, 即采用微膨胀水泥浆置换润滑泥浆。由润滑泥浆注浆孔注入, 注浆压力0.3～0.5, 采取三进三出的注浆方式, 每次置换长度为16。注浆过程中, 观察到顶部出浆孔流出水泥浆液, 即完成置换注浆。施工中做好口岸巡察和土体分层监测工作, 用监测数据进一步优化注浆参数。

经土体分层沉降监测数据分析发现, 当顶管机经过监测断面时, 断面上靠近管道轴线的测点产生隆起;顶管机经过监测断面后, 会产生较大沉降;在顶管继续施工过程中, 地表沉降继续增长。泥浆置换完成后土层产生隆起较大, 基本恢复到原有位置。

2.4

冻结土体改良注浆技术

m

隧道覆盖层较薄, 仅有4～5, 冻结施工对地表变形敏感。通过土体改良可提高地层力学性能、降低渗透性、有效控制冻胀和融沉。注浆加固圈与冻结圈一道形成隔水帷幕, 避免地下水由于海水潮汐产生流动, 从而影响冻结效果, 同时也对管周边及管间土体起到加固作用, 是防止坍塌、抗冻结弱化和控制沉降的有效手段。注浆固结和冻结互补, 降低了冻结帷幕失效的施工风险。

cm

36根管幕每根管断面布置7个注浆孔, 纵向每延米布置1个断面, 冷冻前对所有奇数管和偶数管隧道里侧进行改良土体注浆, 控制冻胀;冷冻结束对偶数管隧道外侧进行融沉控制注浆, 冻结土体改良注浆如图6所示。安装注浆管时在孔口设置密封止水装置, 防止突水发生。注浆管长度为60, 注浆加固土体厚度2, 注浆材料为水泥水玻璃双液浆, 注浆压力为0.2～0.5。施工中做好管幕内通风和口岸巡察监测工作, 用土体分层监测数据进一步优化注浆参数。

图6 冻结土体改良注浆

Fig.6 Improvement grouting for frozen soil

2.5

冻结壁注浆止水技术

MPa

监测冻土温度和控制冻土厚度是冻结工程的关键, 监测冻结壁有高温说明此处有涌水点, 需要进行注浆封水, 并在冻结的作用下形成冻土, 成为完整的冻结体。注浆材料采用膨润土泥浆, 膨润土具有吸湿膨胀性、低渗性、高吸附性及良好的自封闭性能。膨润土泥浆是塑性胶体, 能形成1道不透水的防渗层。膨润土泥浆无水化热, 不会对冻结壁产生影响。在偶数管幕通过土体改良注浆管向涌水点处注膨润土泥浆, 注浆压力1.5～2.0, 注浆2后冻土温度显著降低, 7后冻土温度降低到冻结圈温度, 证明注膨润土泥浆进行冻结壁止水效果良好。

2.6

冻结圈内土体注浆加固技术

RPD

冻结圈形成后, 隧道断面管幕周边为冻土, 内部仍是水量丰富的软土地层, 需要注浆加固才能保证开挖稳定。在周边为冻土、两边为地下连续墙的封闭区域进行注浆, 注浆压力过大易引起冻结壁开裂和冻结壁整体隆起, 甚至会引起地表隆起开裂;注浆压力小, 达不到注浆加固土体的目的, 掌子面稳定差, 给工程开挖带来极大风险。封闭体内注浆施工以地下连续墙为止浆墙, 注浆前先施做泄水孔, 采用负压排水, 适当排出土体中的水分, 再进行水平后退式注浆, 注浆过程中“排、注结合”, “缓速、双控”, 注浆量略大于排水量, 在管幕中采用引张线法实时监测注浆对冻结壁的影响。注浆机械采用-150和-75钻注一体机, 注浆加固长度50。注浆顺序从外侧向中心, 从上到下, 以单液浆为主, 冻结圈2区域注浆压力控制在0.3～0.5, 隧道中间5×10区域内注浆压力控制在0.5～2, 其他部位注浆压力控制在0.5～1.5。

注浆实施中管幕冻结圈稳定, 无上浮及冻土温度上升等情况, 隧道开挖揭示土体加固良好, 掌子面稳定, 浆脉清晰可见。

2.7

融沉注浆技术 隧道3次衬砌完成后, 利用热盐水循环对冻结壁强制解冻时, 进行跟踪式融沉注浆。先解冻隧道上部1～6, 32～36号管幕, 以控制地表沉降;再解冻隧道下部13～25号管幕, 以控制隧道结构沉降;最后解冻剩余管幕。融沉注浆管路分总管和多个支管, 每个支管与总管连接处设置阀门, 支管另一端与偶数管隧道外侧土体改良管相连。融沉注浆材料采用水泥水玻璃双液浆, 注浆压力不得大于2倍静水压力, 结合监测、监控, 遵循少量多次的原则, 根据监测的解冻速度及沉降量确定注浆频率。

2.8

其他注浆技术应用 拱北隧道暗挖段其他注浆技术如表1所示。

表1 其他注浆技术

Table 1 Summary of other grouting technologies

3 施工注意事项

1) 注浆施工具有一定的隐蔽性, 一般通过控制注浆压力、流速、注浆量等参数进行控制。 2) 注浆施工应选择合适的时机进行, 如土体改良注浆应在管幕完成后冻结开始前进行, 冻结壁注浆止水应在隧道开挖前进行, 地下连续墙接缝搅拌桩注浆应在工作井开挖前进行, 三衬裂缝注浆应在解冻完成后进行。 3) 注浆材料应具有良好的耐久性, 各项性能指标必须经得起冻融的考验。 4) 注浆施工中应特别注意防止浆液通过监测的孔道、地层裂隙等进入口岸内部, 影响口岸内正常通行, 需安排人员在口岸段现场进行巡察, 并提前做好应急预案。 5) 注浆施工中注重土体分层沉降、管幕位移、冻土温度监测, 通过监测数据, 分析注浆前后土体分层沉降的变化规律, 为注浆提供参考依据。

4 结语

注浆是地层加固、止水和治理渗漏水直接有效的施工方法, 通过监测数据进一步优化注浆参数, 合理选择注浆压力和注浆量可以将地层变形控制在较小的范围内。 目前港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道已经顺利交工验收, 注浆综合施工技术的应用达到了止水加固的预期效果, 确保了管幕、冻结、大断面开挖衬砌等工程的顺利实施, 保证了口岸地表及周边建筑的安全, 实现了正常通关, 同时也为提升我国临海软土地区大断面隧道暗挖工法做出了贡献, 为其他类似注浆施工提供借鉴, 具有指导作用。

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