卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究_鲍凯.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-03-31 修回日期:2022-08-01 第一作者:鲍凯，男，硕士，高级工程师，主要从事隧道及地下工程设计研究工作， 基金项目:北京市科技计划课题(Z151100002115042)引用格式:鲍凯，吕亮，高辛财，等.卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究J.都市快轨交通，2023，36(3)：124-130.BAO Kai,LYU Liang,GAO Xincai,et al.Study on application of ultra-high pressure jet grouting water stop in underground excavation station in pebble stratumJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):124-130.124 土建技术URBAN RAPID RAIL TRANSIT doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.020 卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究 鲍 凯1，吕 亮1，高辛财1，李伟伟2，苑伟家3（1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；2.中冶交通建设集团有限公司，北京 100028；3.中国中铁四局集团有限公司，合肥 230022）摘 要:为研究超高压旋喷注浆技术在卵石地层 PBA 工法暗挖车站中的止水效果，开展现场旋喷试验，对常规施工设备进行改进，优化施工步序，实现暗挖车站边导洞狭小空间内的机械化引孔、喷浆成桩作业。试桩结果表明：卵石地层中试桩加固直径均在 1 m 以上；加固体抗渗系数最大值为 2.37109 cm/s，满足工程不渗水要求；加固体抗压强度均在 24 MPa 以上，加固效果明显，能有效提高地层的承载力、强度和整体稳定性。首次实现超高压旋喷注浆工艺在北京卵石地层暗挖车站的应用，该方法在万泉河桥站的工程实践中取得了良好的止水效果，对北京地区暗挖车站止水治理具有重要的指导意义。关键词:城市轨道交通；卵石地层；暗挖车站；超高压旋喷；止水效果 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0124-07 Study on Application of Ultra-high Pressure Jet Grouting Water Stop in Underground Excavation Station in Pebble Stratum BAO Kai1,LYU Liang1,GAO Xincai1,LI Weiwei2,YUAN Weijia3(1.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100082;2.MCC Communication Construction group Co.,Ltd.,Beijing 100028;3.China Railway fourth Bureau Group Co.,Ltd.,Hefei 230022)Abstract:In order to study the water stop effect of ultra-high pressure rotary jet grouting technology in the underground excavation of station by PBA method in pebble stratum,the on-site rotary jet grouting test was carried out,the conventional construction equipment was improved,the construction sequence was optimized,and the mechanized hole leading and shotcrete pile forming operation in the narrow space of side pilot tunnel of underground excavation station were realized.The test pile results show that the reinforcement diameter of pilot test piles in pebble stratum is more than 1m;the maximum impermeability coefficient of the reinforcement is 2.37109cm/s,meeting the requirements of no water seepage of the project;the compressive strength of the reinforcement is more than 24 MPa,and the reinforcement effect is obvious,which can effectively improve the bearing capacity,strength and overall stability of the stratum.For the first time,the application of ultra-high pressure jet grouting technology in Beijing underground excavation station in pebble stratum has been realized.This method has achieved good water stop effect in the engineering practice of wanquanheqiao station,and has important guiding significance for the water stop treatment of underground excavation station in Beijing.Keywords:urban rail transit;pebble stratum;underground excavation station;ultra high pressure jet;water stop effect 卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究 125URBAN RAPID RAIL TRANSIT 为最大限度地减小地铁施工对周边环境和地面交通的影响，PBA 工法(洞桩法)在北京暗挖地铁车站建设中得到了广泛应用1。暗挖车站施工最大的风险是带水作业，根据调查，北京已建成暗挖车站施工期间多采用降水作业2。北京城区经过多年的规划建设，建(构)筑物及市政管线分布密集，在地面打设降水井降水愈发困难。与明挖车站相比，暗挖车站施工周期长，长时间降水不仅造成水资源的巨大浪费，也会引起较大的地面沉降3，甚至影响敏感建(构)筑物的使用功能4，采用降水方法治理地下水在北京地区受到越来越多的限制。为响应北京地下水保护政策号召，部分学者开始探索暗挖车站止水方案，然而地下连续墙、咬合桩、旋喷桩等传统止水方式不能完全适应PBA 工法的暗挖车站小导洞内狭小的施工条件，治理地下水的效果并不理想。超高压喷射注浆技术(RJP工法)最早应用于日本，因其具有成桩直径大、加固范围深、止水效果好等优势5-7，已在粉土、粉质黏土、细砂等细颗粒地层地铁工程中得到广泛应用8-12。近年来在卵石地层明挖车站基坑中也相继开展了成桩试验研究13-15，但施工参数仍以工程经验判断为主，北京地区 PBA 工法暗挖车站更是缺少相关试验研究资料，无可供工程实际参考的成果。因此，开展超高压旋喷注浆技术在卵石地层 PBA 工法暗挖车站中的应用研究具有重要的现实意义。1 工程概况 北京地铁 16 号线万泉河桥站为单柱双跨双层地下车站，采用单层导洞 PBA 工法施工，站址位于万泉河路与北四环西路交叉口处万泉河立交桥范围内，沿北四环西路北侧辅路敷设，车站需下穿万泉河主桥、现状道路、万泉河及众多市政管线，L1 施工竖井横通道以东 100 m 范围内受现况建(构)筑物制约，缺少施作降水井的条件，需在 L1 施工竖井横通道及以东形成闭合止水帷幕，车站平面位置如图 1 所示。车站主体结构主要穿越黏质粉土层、粉细砂3层、粉质黏土层、黏质粉土2层、细中砂3层、卵石层及黏土1层。车站主体穿越土层厚度为17.5 m，车站地下 2 层基本位于卵石层中，本层地层厚度约为9.5 m，最大粒径为120 mm，一般粒径2050 mm，粒径大于 20 mm 颗粒含量为总质量的 60%70%。颗粒形状为亚圆形，磨圆度较好，母岩成分主要为石英砂岩、灰岩、安山岩、白云岩，中粗砂充填，局部含中粗砂薄层，夹粉细砂透镜体。车站及地层剖面情况如图 2 所示，地层物理力学性质参数见表 1。图 1 车站平面 Figure 1 Station plan 图 2 车站及地层剖面 Figure 2 Station and stratum profile 表 1 地层物理力学性质参数 Table 1 Parameters for physical and mechanical properties 编号土层 重度/(kN/m3)黏聚力 C/kPa 内摩擦角/()渗透系数/(cm/s)黏质粉土20.6 22 28 2.311043粉细砂 20.0 0 28 6.94103 粉质黏土19.9 35 16 2.311052黏质粉土20.7 23 28 3.471043细中砂 20.0 0 30 1.97102 卵石 21.0 0 40 0.12 1黏土 18.8 40 8 1.16106 根据勘察报告显示，施工范围内地下水类型主要为潜水，水位埋深 19.019.6 m，位于车站中板附近，含水层主要为卵石层及其夹层，下部隔水层为黏土都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 126 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1层。卵石层处于饱和状态，地下水动态与大气降水关系密切，勘察期间沿车站纵向在东西两端及中部钻孔内所测地下水位埋深分别为 19.6、19.0、19.1 m，站址范围内地下水位较为稳定，其流动性可忽略不计，图 3 为现场卵石层开挖情况。图 3 现场卵石层 Figure 3 Site pebble layer 2 试验方案 超高压旋喷注浆技术先利用钻机进行钻孔，后将注浆管置于地层预加固位置，采用高压设备使水、空气、浆液成为高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体，部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例重新排列，在地层中形成一个固结体，能够有效提高强度和抗渗性能，固结体的形状和几何尺寸与喷射方式和持续时间有关。2.1 平面布置 为研究不同摆喷角度及咬合方式对 RJP 工法桩止水效果的影响，本次试桩拟采取几种平面布置形式：平面布置 1：旋喷+旋喷+旋喷，先旋喷出两边直径800 mm 旋喷桩，再施作中间直径 800 mm 的旋喷桩；平面布置 2：旋喷+外摆喷+旋喷，先旋喷出两边直径 800 mm 旋喷桩，再施作中间半径 600 mm 的摆喷桩(外摆喷 150)；平面布置 3：旋喷+内摆喷+旋喷，先旋喷出两边直径 800 mm 旋喷桩，再施作中间半径600 mm 的摆喷桩(内摆喷 150)，具体平面布置如图 4所示。2.2 旋喷参数 本次试桩在 L1 施工竖井横通道内实施，竖向加固总长度约为 16 m，上端高出地下水位标高 2 m，下端嵌入隔水层黏土1中的长度为 2 m。目前北京地区卵石地层中暗挖车站超高压旋喷注浆参数没有参考依据，本次试桩根据工程经验取值选取 2 组浆压力，每组浆压下又设置 3 种浆液流速和喷浆时间，具体参数详见表 2。图 4 试桩平面布置 Figure 4 Layout plan of test pile 表 2 试桩参数 Table 2 Test pile parameters 项目 参数一 参数二 浆压/MPa 302 402 浆液流/(L/min)55 65 75 64 75 86 水压/MPa 202 水流量/(L/min)5060 气压/MPa 0.71.05 气体流量/(m3/min)37 喷浆时间/(min/m)11 9.5 8 9.5 8.17 水泥掺量 45%2%水灰比 10.85 水泥型号 PO42.5 针对不同变量进行编号分组试验，具体编号分组规则为：平面布置形式+旋喷参数，其中，A、B、C对应 3 种不同的平面布置形式；旋喷参数采用 a-1、a-2、a-3、b-1、b-2、b-3 编号形式，a、b 分别代表浆压 302 MPa 及 402 MPa；数字 1、2、3 代表与浆压对应的浆液流和喷浆时间。例如，编号 A-a-2，表示采用平面布置1+(浆压302 MPa)+(浆液流65 L/min+喷浆时间 9.5 min/m)。卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究 127URBAN RAPID RAIL TRANSIT2.3 施工设备 RJP 工法核心步骤为引孔和喷浆，需由专门设备完成。万泉河桥站 L1 施工竖井横通道以东 100 m 范围内，车站超高压旋喷注浆需在空间狭小的边导洞内进行，图 5 为边导洞断面示意，施工设备需满足边导洞尺寸的要求：钻杆、注浆管路以及设备自身总高度应小于4 800 mm；设备宽度应小于4 000 mm；钻杆或注浆管可以在距离边墙 1 000 mm 的范围内施作；钻杆或注浆管应可以相互连接，控制总高度。图 5 边导洞断面示意 Figure 5 Section of side pilot tunnel 设备尺寸受到限制，其功率也会相应受到影响。万泉河桥站站址范围内卵石层厚度约为 9.5 m，粒径较大，且地下水渗流速度快，若引孔设备和超高压喷射设备功率过低，则影响引孔和成桩质量，作业设备的选择需综合考虑尺寸和功率两方面的因素。传统地面 RJP 主机兼具钻孔和成桩双重功能6，由于受小导洞空间尺寸限制，需对施工设备进行改进。与设备生产厂家定制步履式引孔钻机和超高压旋喷机，将钻孔与喷浆作业分开实施，满足在本站小导洞空间内作业要求。其中步履式引孔钻机为气动潜孔锤套管跟进钻机，适用于本站卵石地层成孔，施工设备现场作业如图 6 所示。2.4 施工流程 超高压喷射注浆施工的基本工艺流程包含的步骤有：放线定位；钻机引孔；旋喷机喷浆；形成加固体。RJP 工法工艺流程如图 7 所示。施工过程中，在超高压旋喷机电脑控制界面设定2.2 节中各种旋喷参数，图8 为施工参数电脑控制面板。图 6 施工作业设备 Figure 6 Construction equipment 图 7 RJP 工法工艺流程 Figure 7 Rodin Jet Pile(RJP)process flow 图 8 电脑控制界面 Figure 8 Computer control interface 3 试验结果 本次试桩开始于 2016 年 5 月，在北京地区暗挖车站中首次引入 RJP 工法，其成桩结果将为后续大规模应用起到重要指导意义。3.1 成桩直径 现场卵石层开挖显示，浆压在 30 MPa 左右时，都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 128 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 成桩直径约为 1.0 m，浆压在 40 MPa 左右时，成桩直径约为 1.5 m，现场成桩直径均大于设计值，图 9 为现场成桩图。图 9 现场成桩 Figure 9 Site piling drawing 3.2 地层加固强度及抗渗性能 为检验超高压旋喷注浆在卵石层中的成桩效果，在两桩咬合搭接部位取芯，分别对地层加固强度和抗渗性能进行试验分析，试验结果如表 3、4 所示。单轴抗压强度最小值为 24.6 MPa，最大值为 41.4 MPa。由于其置换地层中细颗粒的工作特性，其加固体强度较 表 3 加固体抗压强度 Table 3 Compressive strength of reinforcement 序号 取芯位置 抗压强度/MPa 试桩编号 32.0 33.6 1 L1-8/L1-9 33.9 A-a-1 31.8 35.8 2 L1-35/L1-36 37.2 A-b-3/A-b-124.6 33.0 3 L1-22/L1-23 36.4 C-b-2 33.0 37.1 4 L1-16/L1-17(外摆喷)25.5 B-b-2 28.4 27.6 5 L1-27/L1-28(内摆喷)31.7 C-b-2 34.3 29.6 6 L1-38/L1-39 41.3 A-b-1 表 4 加固体抗渗系数 Table 4 Impermeability coefficient of reinforcement 序号取芯位置 平均渗透系数/(cm/s)试桩编号1 L1-29/L1-30 2.37109 C-b-2 2 L1-9/L1-10 1.84109 B-b-2 3 L1-6/L1-7 1.96109 A-a-2/A-a-14 L1-19/L1-20 1.15109 A-b-2 5 L1-12/L1-13(外摆喷)1.52109 B-b-2 6 L1-25/L1-26(内摆喷)2.06109 C-b-2 7 L1-39/L1-40 1.37109 A-b-1 普通高压旋喷注浆加固体可提高数倍，只要调整好施工参数，该项技术在密实的卵石地层同样适用，能有效提高地层的承载力、强度和整体稳定性，图 10为现场卵石层桩芯。加固体抗渗系数最小值为 1.15 109 cm/s，最大值为 2.37109 cm/s，卵石层下面不透水层为黏土1层，其渗透系数为 1.16106 cm/s，车站主体结构采用 C40 混凝土，抗渗等级为 P10，RJP工法桩抗渗性能虽弱于防水混凝土，但其渗透系数小于不透水层，达到了工程施工不渗水的标准。图 10 卵石地层桩芯 Figure 10 Pile core in pebble stratum 3.3 试验总结 由以上试验结果可知，各种旋喷参数下 RJP 工法桩在卵石层中均取得了较好的加固和止水效果，在水压力、空气压力及水泥掺量等相同参数条件下，成桩直径取决于浆压大小。根据试验记录显示，3 种平面布置成桩时间与浆压关系不大，喷浆时间主要取决于喷浆提升速度。图 11 为成桩过程中主要工序的平均用时及所占百分比，从图中可以看出，引孔、喷浆与拔除引孔套管是作业时间最长的 3 道工序，三者总时长约占总作业时间的 60%。卵石地层暗挖车站超高压旋喷注浆止水应用研究 129URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图 11 主要工序平均用时统计 Figure 11 Average time consumption statistics of main processes 对本次试桩的成本进行分析，RJP 工法桩造价主要与成桩直径有关，在浆压 40 MPa 成桩直径 1.5 m 条件下，造价约为 3 142 元/m；浆压 30 MPa 成桩直径1.5 m 条件下，造价为 2 510 元/m。从止水效果、成桩用时及成本控制 3 方面综合分析，本次试桩结果推荐平面布置 1 浆压 30 MPa 的旋喷成桩参数。4 工程应用 车站 L1 施工竖井横通道以东 100 m 范围内，先在边导洞内施作直径1 m、桩中心距为1.3 m的边桩(钻孔灌注桩)，在边桩之间旋喷直径为 0.8 m 的 RJP 工法桩形成止水帷幕后再开挖车站地下 2 层，其平面布置如图 12 所示。车站地下 2 层施工过程中，仅发现 6 处漏水点，取得了理想的止水效果，图 13 为站台层现场止水效果图。图 12 边桩与超高压旋喷桩咬合示意 Figure 12 Schematic of side pile and ultra-high pressure jet grouting pile 图 13 站台层现场止水效果 Figure 13 On site water stop effect drawing of platform layer 本站东端 100 m 范围内若采用降水作业，需在地面打设 85 口降水井，会对车站地面交通和周边环境产生较大影响。站台层施工工期约 5 个月，为保证其施工期间处于无水作业，共需抽取 800 万 m3地下水，降水费用共计 4 320 万元。采用 RJP 工法止水，施工工期为 4 个月，对地面周边环境基本无影响，止水费用共计为 1 470 万元。由此可见，与传统降水相比，RJP 工法止水不仅施工周期短，造价低，对周边环境影响小，同时节约了大量地下水资源。目前该工法已在北京地铁 16 号线富丰桥站、8 号线永定门外站等地铁车站得到推广应用。5 结论 1)为探索卵石地层超高压旋喷注浆效果，设置不同的平面布置形式和旋喷参数，并进行多种方案组合试验，均取得良好的成桩效果。2)对常规 RJP 设备进行改进，优化施工步序，克服了周边环境复杂、边导洞内施工空间狭小、卵石地层成桩难度大等一系列问题，实现了暗挖车站边导洞狭小空间内的机械化引孔、喷浆成桩作业。3)试桩检测结果显示，富水卵石层中加固体抗渗系数最大值为 2.37109 cm/s，满足工程不渗水要求。加固体抗压强度均在 24 MPa 以上，能有效提高地层的承载力、强度和整体稳定性。4)首次实现了 RJP 超高压旋喷注浆工艺在北京卵石地层 PBA 工法暗挖车站的大规模应用，对北京地区暗挖车站止水治理具有重要的指导意义。参考文献 1 杨扬,高琨.PBA 工法在北京地铁工程中的应用及发展前景J.建筑技术,2021,52(8):904-908.YANG Yang,GAO Kun.Application and development prospect of pba method in Beijing subway projectJ.Archi-tecture technology,2021,52(8):904-908.2 李贺,卢常亘,张仲宇,等.复杂环境条件下富水卵石地层暗挖地铁车站建造方案研究J.铁道标准设计,2020,64(3):130-135.LI He,LU Changgen,ZHANG Zhongyu,et al.Study on the construction scheme of shallow buried underground subway station in water-rich pebble stratum constrained by complex environmental conditionsJ.Railway standard 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 130 URBAN RAPID RAIL TRANSIT design,2020,64(3):130-135.3 罗富荣,汪玉华.北京地区 PBA 法施工暗挖地铁车站地表变形分析J.隧道建设,2016,36(1):20-26.LUO Furong,WANG Yuhua.Analysis on ground surface deformation of mined metro station constructed by PBA method in BeijingJ.Tunnel construction,2016,36(1):20-26.4 张明聚,晋刘杰,刘义,等.地铁车站 PBA 工法施工变形风险管控实例分析J.武汉大学学报(工学版),2016,49(6):893-898.ZHANG Mingju,JIN Liujie,LIU Yi,et al.A case study of risk management and control of construction deformations in metro station project built by PBA methodJ.Engineering Journal of Wuhan University,2016,49(6):893-898.5 胡晓虎,川田充,中西康晴,等.RJP 高压旋喷工法及其在日本的工程应用J.岩土工程学报,2010,32(S2):410-413.HU Xiaohu,KAWATA Mitsuru,NAKANISHI Yasuharu,et al.Application of jet grouting pile method in JapanJ.Chinese journal of geotechnical engineering,2010,32(S2):410-413.6 李星.RJP工法及其工程应用J.施工技术,2018,47(18):114-118.LI Xing.RJP method and its engineering practiceJ.Con-struction technology,2018,47(18):114-118.7 余立新.MJS 及 RJP 高压旋喷桩加固机理及成桩质量研究D.淮南:安徽理工大学,2016.YU Lixin.Strengthening mechanism of MJS and RJP high pressure rotary jet grouting pile and the quality of pile formingD.Huainan:Anhui University of Science&Technology,2016.8 朱磊.RJP 高压旋喷法在深基坑工程中的应用J.施工技术,2015,44(19):65-67.ZHU Lei.Application of RJP method used in deep foun-dation excavationJ.Construction technology,2015,44(19):65-67.9 CHEN Song.Combined application of Rodin jet pile method and freezing method to shield receiving end soilJ.Tunnel construction,2018,38(6):1037-1043.10 田崇收.RJP 高压喷射注浆法技术在地铁工程中的应用J.天津建设科技,2015,25(4):60-61.TIAN Chongshou.Application of RJP high-pressure jet grouting technology in subway engineeringJ.Tianjin construction science and technology,2015,25(4):60-61.11 邵晶晶,李操,余立新.MJS 工法和 RJP 工法在临近地铁车站的应用研究J.施工技术,2016,45(13):81-84.SHAO Jingjing,LI Cao,YU Lixin.The application research of MJS method and RJP method used near subway stationJ.Construction technology,2016,45(13):81-84.12 常林越,王卫东,聂书博.超高压喷射注浆施工环境影响实测分析J.地下空间与工程学报,2019,15(S2):759-765.CHANG Linyue,WANG Weidong,NIE Shubo.Measure-ment and analysis of construction impact on environmental of ultra-high pressure jet groutingJ.Chinese journal of underground space and engineering,2019,15(S2):759-765.13 胡奇凡,张继清.超高压旋喷注浆法在卵石地层的应用试验研究J.铁道工程学报,2017,34(12):13-17.HU Qifan,ZHANG Jiqing.Experimental study of super high pressure jet grouting in gravel stratumJ.Journal of railway engineering society,2017,34(12):13-17.14 任军,范长春,李博.富水砂卵石地层超高压旋喷桩施工技术研究J.现代交通技术,2019,16(2):31-35.REN Jun,FAN Changchun,LI Bo.Study on construction technology of ultrahigh pressure jet grouting pile in water-rich cobble stratumJ.Modern transportation technology,2019,16(2):31-35.15 朱明诚,韩强,赵贵斌,等.卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术J.煤田地质与勘探,2020,48(4):74-79.ZHU Mingcheng,HAN Qiang,ZHAO Guibin,et al.Tech-nology of high pressure jet grouting water cutoff curtain in gravel aquiferJ.Coal geology&exploration,2020,48(4):74-79.（编辑：傅依萱）