房新勝

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇南京 211800)

在城市高速發(fā)展的當(dāng)下，城市過(guò)多的地上空間被占用，現(xiàn)有的地上空間已經(jīng)不能滿足人們的正常生活需求，故而越來(lái)越多高鐵線路的修建選擇地下隧道的方案[2]。由于城市道路復(fù)雜、地鐵線路網(wǎng)分布廣、地面建筑物密集，在隧道的建設(shè)過(guò)程中不可避免的需要穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路進(jìn)行施工。新建線路在施工時(shí)會(huì)上跨下穿既有線路隧道及地下建筑物，穿越既有線路時(shí)的防護(hù)顯得尤為重要[3]。要防止地層損失及地鐵結(jié)構(gòu)變形，保證既有線的運(yùn)營(yíng)能力，不受新建線路施工時(shí)的影響[4]。

目前，在盾構(gòu)隧道穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路及沉降控制方面國(guó)內(nèi)外已采取了眾多施工防范措施，如克泥效技術(shù)、加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)與反饋、采用加固方法處理、錨桿-框格梁加固等[5]。文一鳴等[6]以成都地鐵4號(hào)線工程為依托，針對(duì)盾構(gòu)下穿既有建筑物及鐵路等建筑物情況，提出了盾構(gòu)下穿施工的步進(jìn)法。朱小龍[7]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,分析出盾構(gòu)下穿鐵路過(guò)程中地表沉降的規(guī)律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。張珣[8]使用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型對(duì)盾構(gòu)下穿既有構(gòu)筑物進(jìn)行計(jì)算并給出了施工加固措施。劉曉強(qiáng)等[9]通過(guò)能量方法建立變分控制方程，提出了求解隧道穿越地下管線豎向位移的能量變分解法。呂培林等[10]對(duì)隧道下穿鐵路的施工期及其后續(xù)階段的線路沉降進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了總沉降量幾乎由后續(xù)沉降階段決定。孫長(zhǎng)軍等[11]應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論對(duì)隧道施工所引起的縱向地層移動(dòng)與變形進(jìn)行了分析推導(dǎo)了相應(yīng)的計(jì)算公式。

采用合理、經(jīng)濟(jì)的穿越特級(jí)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路施工措施，分析其在具體工程中的可靠性與適用性，具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義[12]。為了解決這一問(wèn)題，依托京張高鐵清華園隧道項(xiàng)目，探索形成了穿越特級(jí)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路循環(huán)保壓注漿施工技術(shù)。

1 工程概況

京張鐵路清華園隧道下穿既有地鐵10號(hào)線，清華園隧道從知春路地鐵站西側(cè)區(qū)間段下穿。下穿平面示意如圖1所示。橫斷面及縱斷面如圖2、圖3所示。

圖1 清華園隧道下穿10號(hào)線及知春路地鐵站平面示意

圖2 清華園隧道下穿10號(hào)線左、右線橫斷面

1.1 工程重難點(diǎn)

1.1.1 沉降及變形控制要求高

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生地面沉降并且會(huì)對(duì)地層有一定程度的擾動(dòng)。對(duì)于下穿既有地鐵線路的情況，這樣的擾動(dòng)和沉降必須嚴(yán)格控制以防止對(duì)既有線路的干擾對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的影響。對(duì)于隧道本身而言，過(guò)大的沉降和變形也會(huì)產(chǎn)生一系列不利影響，隧道襯砌承受圍巖壓力，過(guò)大的變形使襯砌產(chǎn)生裂縫，裂縫發(fā)展進(jìn)而產(chǎn)生滲漏水的危害，更有甚至直接影響到結(jié)構(gòu)本身的耐久性，致使結(jié)構(gòu)破壞，因此沉降及變形控制是工程的難點(diǎn)之一。

1.1.2 地面加固難度大

傳統(tǒng)的地面加固方式多是以地表注漿為主，這樣的措施用于加固下穿既有鐵路線路的情況存在處理范圍難以控制、處理效果難以準(zhǔn)確評(píng)估等問(wèn)題，難以滿足沉降及變形的高精度要求。

1.1.3 既有地鐵線路行車狀況影響多

下穿既有地鐵線路為北京地鐵10號(hào)線，地鐵線路發(fā)車間隔短、載重大，這些行車狀況會(huì)對(duì)盾構(gòu)施工造成較大影響。

1.2 問(wèn)題簡(jiǎn)介

上述的工程難點(diǎn)，主要在于地表沉降和變形控制。這樣的問(wèn)題可以通過(guò)新型的注漿技術(shù)加以解決，傳統(tǒng)的方法已不能滿足工程穿越既有地鐵線路的需要，因此一種新型的注漿工法成了亟待解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 循環(huán)保壓注漿技術(shù)介紹

2.1 注漿原理及特點(diǎn)

循環(huán)保壓注漿技術(shù)是在維持注漿壓力的基礎(chǔ)上，使泥漿在環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力循環(huán)，漿液被消耗并滲透到需要加固的土體之間。采取循環(huán)保壓注漿可以保證長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行有效注漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路處地層及土體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

本技術(shù)一大特點(diǎn)在于注漿時(shí)的壓力大小可以根據(jù)工況情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用循環(huán)保壓注漿可以防止普通壓力注漿漿液消耗量小、可注性變差等現(xiàn)象，隨著漿液的循環(huán)，適當(dāng)加入新漿，就能使?jié){液的可注性不發(fā)生降低，同時(shí)漿液具有良好的流動(dòng)性；在注漿過(guò)程中，可按工程實(shí)際情況調(diào)節(jié)漿液稠度，漿液一般由稀逐漸加稠。本技術(shù)適應(yīng)于漿液吸收量小的情況，當(dāng)漿液吸收量極少，由于漿液始終在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，伴隨時(shí)間的持續(xù)流動(dòng)，漿液仍舊會(huì)被不斷地消耗掉，并且逐漸滲入土體。本技術(shù)同時(shí)適應(yīng)于漿液吸收量陡然減少、壓力瞬間增大的情況，出現(xiàn)此情況時(shí)，可以將濃度較低的漿液輸入循環(huán)系統(tǒng)以達(dá)到置換目的，使得注漿操作穩(wěn)步推進(jìn)。

本技術(shù)適用范圍廣，適用于地鐵隧道、鐵路隧道、綜合管廊等盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路施工過(guò)程。

2.2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

循環(huán)保壓注漿技術(shù)的施工工藝流程如圖4所示，豎井開(kāi)挖后進(jìn)行水平鉆孔，然后對(duì)隧道與風(fēng)險(xiǎn)源之間土體進(jìn)行袖閥管注漿，注漿完畢后再實(shí)施循環(huán)保壓注漿，之后地層加固工作完成。在盾構(gòu)機(jī)下穿風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，要依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整保壓循環(huán)注漿壓力，達(dá)到盾構(gòu)穿越過(guò)程中控制地層變形的目的。

圖4 施工流程

2.2.1 監(jiān)控量測(cè)

施工前在既有地鐵線路上下行區(qū)間安裝精密靜力式水準(zhǔn)儀，提前收集相關(guān)監(jiān)測(cè)信息，施工過(guò)程中實(shí)時(shí)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云端實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保信息溝通順暢。靜力水準(zhǔn)儀安裝如圖5所示。

圖5 靜力式水準(zhǔn)儀安裝

2.2.2 袖閥管成孔

2.2.2.1 材料選用及加工

袖閥管材料選用φ50 mm無(wú)縫鋼管，人工在鋼管上鉆孔，間距0.3 m，并用膠帶將孔封好，接頭采用套絲連接，增加連接強(qiáng)度，采用鋼花管不僅可以降低橫向鉆孔的撓度，還可以在注漿完成后對(duì)地層起到管棚加固作用。

2.2.2.2 布孔方式

豎井內(nèi)施做封堵墻，在風(fēng)險(xiǎn)源防護(hù)方向?qū)Ф闯踔?cè)壁上布置注漿孔，注漿孔設(shè)置在井壁上，間距為0.36 m×0.6 m(水平×豎向)梅花形布置。袖閥管在盾構(gòu)隧道與既有地鐵線路之間的土體當(dāng)中呈扇形，對(duì)2個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。袖閥管打設(shè)長(zhǎng)度視風(fēng)險(xiǎn)源范圍確定(圖6、圖7)。

圖6 豎井掌子面鉆孔布孔

2.2.2.3 袖閥管注漿加固、循環(huán)保壓注漿

(1)盾構(gòu)穿越前注漿施工。在既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路結(jié)構(gòu)下方進(jìn)行注漿加固防護(hù)，粉質(zhì)黏土層采用0.75∶1水泥漿，在卵石土層采用1∶1水泥-水玻璃漿雙液漿，采用鋼花管進(jìn)行注漿，以填充、滲透和擠密等方式，替代和填充砂層、卵石和黏土間的水份和氣體，使土體抗變形能力增加，提高了變形模量，從而加固土體(圖8)。

圖8 袖閥管注漿流程示意

袖閥管注漿分段長(zhǎng)度為33 cm，使用100 cm規(guī)格的雙向皮碗式止?jié){塞。上層第二排注漿管停止注漿，采用低壓低速進(jìn)行填充袖閥管外壁與地層間空隙，孔口注漿壓力不大于0.05 MPa，注漿材料采用0.75∶1水泥漿。第二排注漿完成后將袖閥管進(jìn)行洗孔，達(dá)到可以再次注漿的條件，以便盾構(gòu)通過(guò)時(shí)進(jìn)行保壓循環(huán)注漿。上層第一排及下層袖閥管采用低壓低速進(jìn)行注漿填充，孔口注漿壓力采用不大于0.3 MPa，注漿材料根據(jù)地層選擇采用0.75∶1水泥漿和1∶1水泥-水玻璃雙液漿。施工中發(fā)現(xiàn)個(gè)別注漿孔的注漿壓力不上升現(xiàn)象時(shí)，可以改變漿液的配比和原材料，并采取反復(fù)注漿措施，實(shí)現(xiàn)可控域注漿，同時(shí)需要滿足加固厚度的要求。注漿時(shí)宜間隔進(jìn)行注漿，可按先施作奇數(shù)孔，后施作偶數(shù)孔的原則進(jìn)行。由于注漿室空間相對(duì)狹小，施工時(shí)必須加強(qiáng)通風(fēng)措施，保證作業(yè)人員的安全及注漿的連續(xù)性。注漿完成后φ50 mm鋼袖閥管留在地層中，對(duì)地層起到管棚加固作用。地層加固注漿應(yīng)在盾構(gòu)到達(dá)前3天完成，保證注漿材料凝結(jié)完成，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。注漿前需安裝壓力表和流量表，嚴(yán)格控制壓力及流量，以免注漿壓力過(guò)大破壞地層彈性極限。

注漿時(shí)需安排人員進(jìn)入既有地鐵運(yùn)營(yíng)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行查看，若有發(fā)現(xiàn)漏漿或漏水現(xiàn)象，及時(shí)聯(lián)系注漿人員停止注漿；并注意查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)若有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常應(yīng)立即停止注漿。

正式注漿工程結(jié)束后，必須對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，要求檢測(cè)孔取芯率達(dá)到60%以上，芯樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到5 MPa。如有檢測(cè)孔檢驗(yàn)達(dá)不到要求，應(yīng)將檢查孔作為補(bǔ)充注漿孔補(bǔ)充注漿，并重新補(bǔ)設(shè)檢查孔至檢查合格。

達(dá)到設(shè)計(jì)的終止壓力且穩(wěn)定10 min，同時(shí)進(jìn)漿速度為開(kāi)始速度的1/4或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%，可以結(jié)束單孔注漿。如在注漿過(guò)程中出現(xiàn)冒漿，可提前停止注漿，如不能達(dá)到可多次注漿。

(2)盾構(gòu)穿越過(guò)程循環(huán)保壓注漿。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面距離既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路20 m時(shí)，開(kāi)始實(shí)施保壓循環(huán)注漿，漿液采用超細(xì)水泥。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)既有地鐵線路20 m遠(yuǎn)，并且既有地鐵線路區(qū)間豎向變形小于0.1 mm/d后，可停止保壓循環(huán)注漿。

在第二排每個(gè)袖閥管內(nèi)預(yù)埋注漿管和排漿管，管口設(shè)止?jié){塞。

注漿管設(shè)壓力傳感器、流量計(jì)控制注漿壓力和注漿量，連接注漿泵；排漿管設(shè)壓力溢流閥連接儲(chǔ)漿罐。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掌子面距離既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路20 m時(shí)，需要開(kāi)啟注漿泵逐步提升壓力，排漿管溢流閥設(shè)定壓力不大于0.2 MPa，待排漿管有漿液流出建立起壓力循環(huán)為止。

盾構(gòu)穿越期間嚴(yán)格崗位制度，時(shí)刻觀察壓力表和排漿量。

注漿過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，及時(shí)對(duì)比、調(diào)整注漿參數(shù)。當(dāng)某一孔位附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)隆起達(dá)到0.2 mm，立即停止注漿，如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)進(jìn)一步變化趨勢(shì)，再恢復(fù)注漿。

(3)盾構(gòu)穿越后穩(wěn)固封堵。為避免因水泥漿液固結(jié)產(chǎn)生的收縮影響地層再次出現(xiàn)沉降變形，確保盾構(gòu)穿越后沉降變形穩(wěn)定，應(yīng)在停止循環(huán)保壓后，對(duì)注漿管進(jìn)行低壓清水沖洗，確保袖閥管內(nèi)不堵塞。然后持續(xù)關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)穿越后7天內(nèi)，若地鐵構(gòu)筑物下方地層再次出現(xiàn)豎向變形大于0.1 mm/天，則利用袖閥管進(jìn)行定點(diǎn)穩(wěn)固注漿，采取低壓、少量、多次穩(wěn)步注漿，使沉降變形降至±0數(shù)值，然后封堵袖閥管口；若7天內(nèi)無(wú)較大沉降變形，可直接注漿封堵袖閥管。

3 工程應(yīng)用效果

本次施工采用的豎井及橫通道注漿加固方法既能近距離加固地層，保證注漿效果，留在地層中的鋼花管又能起到管棚支護(hù)的效果，對(duì)既有線路的保護(hù)起到雙層作用。采用該施工技術(shù)注漿加固后，滿足盾構(gòu)機(jī)下穿地鐵10號(hào)線的條件，在穿越同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在規(guī)范正常范圍內(nèi)，注漿加固措施對(duì)穿越地鐵10號(hào)線起到明顯效果，最終沉降值僅為0.8 mm，此外本施工技術(shù)還具有一些效益。

3.1 安全效益

采用本施工技術(shù)，減小了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源注漿加固防護(hù)過(guò)程中，因注漿壓力難以控制造成的地面及地下既有構(gòu)筑物的不良影響。采取循環(huán)保壓注漿可以保證長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行有效注漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)穿越既有構(gòu)筑物地層及土體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。并且在盾構(gòu)穿越特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源過(guò)程中，能夠快速準(zhǔn)確的對(duì)施工造成的地層沉降進(jìn)行補(bǔ)充注漿，確保了既有結(jié)構(gòu)在施工期間的正常安全使用，減少因施工造成對(duì)社會(huì)安全的不良影響。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

該技術(shù)通過(guò)在保持一定注漿壓力的基礎(chǔ)上，讓泥漿在注漿管、排漿管、注漿孔與漿液存儲(chǔ)桶之間實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力循環(huán)，漿液逐漸消耗，相對(duì)均勻地滲透到所需加固的土體之間，減少了傳統(tǒng)注漿工藝當(dāng)中漿液浪費(fèi)。

3.3 智能化運(yùn)用

循環(huán)保壓注漿采用注漿壓力表、流量計(jì)、壓力溢流閥等電氣元件，達(dá)到了自動(dòng)供料防止?jié){液凝結(jié)浪費(fèi)的目的。能實(shí)現(xiàn)安全系數(shù)高、施工質(zhì)量好、施工進(jìn)度快、施工成本低等效益相結(jié)合，并且節(jié)能環(huán)保，體現(xiàn)了綠色施工思想。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合京張城際鐵路清華園隧道下穿北京地鐵10號(hào)線工程，介紹了大直徑盾構(gòu)近接地下建筑物隔離循環(huán)保壓注漿加固技術(shù)。

(2)循環(huán)保壓注漿加固技術(shù)通過(guò)在保持一定注漿壓力的基礎(chǔ)上，讓泥漿在注漿管、排漿管、注漿孔與漿液存儲(chǔ)桶之間實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)了壓力循環(huán)，漿液被消耗并滲入待加固的土體之間。采取循環(huán)保壓注漿可以保證長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行有效注漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路處地層及土體進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)本技術(shù)一大特點(diǎn)在于注漿時(shí)的壓力大小可以根據(jù)工況情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用循環(huán)保壓注漿可以防止普通壓力注漿漿液消耗量小、可注性變差等現(xiàn)象，隨著漿液的循環(huán)，適當(dāng)加入新漿，就能使?jié){液的可注性不發(fā)生降低，同時(shí)漿液具有良好的流動(dòng)性。