WSS深孔注漿工法在礦山法區(qū)間下穿既有盾構(gòu)區(qū)間中的應(yīng)用研究

張 瑜

(北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100037)

1 概述

隨著城市地鐵日新月異的發(fā)展,多數(shù)地鐵設(shè)計(jì)要下穿既有軌道交通、橋梁、樓房或者商鋪等既有建(構(gòu))筑物[1～4]。為了在保證既有建(構(gòu))筑物安全、正常使用的前提下快速進(jìn)行地鐵施工,施工前必須采取一定的措施對(duì)既有建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)及其下方土體進(jìn)行有效的加固,改善其物理力學(xué)性能,提高其自穩(wěn)能力,WSS深孔注漿工法以其可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點(diǎn)在地基加固中得到了廣泛的應(yīng)用[5～7]。

本文以北京地鐵6號(hào)線礦山法施工平安里站—北海北站區(qū)間下穿既有盾構(gòu)區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源工程為工程背景,介紹了WSS深孔注漿工藝在地層超前加固中的應(yīng)用,為類似工程能夠提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 工程背景

2.1 設(shè)計(jì)概況

北京地鐵6號(hào)線一期工程平安里站—北海北站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱平—北區(qū)間)線路沿地安門西大街大街敷設(shè),區(qū)間起點(diǎn)位于平安里站東端,終點(diǎn)位于北海北站西端,線路起止里程為右K8+469.725～右K9+599.691,右線長(zhǎng)度約1 130 m。起始左、右線間距16 m,之后線路向東延伸，左、右線間距逐漸減小,線路里程在K8+600處,左、右線間距減至最小為12 m。區(qū)間采用礦山法施工,為單線單洞馬蹄形斷面、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu),區(qū)間隧道埋深16.6～20.32 m。

區(qū)間線路從平安里向東,在K8+495、K8+510處下穿地鐵4號(hào)線平安里站南端盾構(gòu)區(qū)間(垂直下穿區(qū)域約21 m,影響區(qū)域約30 m),為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源工程。4號(hào)線既有隧道為南北走向,左、右線中線里程分別為K8+495、K8+510,6號(hào)線隧道與4號(hào)線隧道平面垂直相交(圖1、圖2),6號(hào)線區(qū)間隧道拱頂與既有4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)仰拱凈距約2.613 m。

圖1 6號(hào)線隧道與4號(hào)線隧道平面關(guān)系示意

圖2 6號(hào)線隧道與4號(hào)線隧道剖面關(guān)系示意(單位：m)

2.2 水文、地質(zhì)條件

施工范圍地層由上至下依次為：雜填土①1、粉土③、粉質(zhì)黏土③1、圓礫-卵石⑤、粉質(zhì)黏土⑥、圓礫-卵石⑦。

6號(hào)線區(qū)間隧道位于圓礫-卵石⑦層中,拱頂上方10～50 cm存在一層粉質(zhì)黏土⑥,厚度約80 cm。4號(hào)線區(qū)間隧道位于圓礫-卵石⑤層中。

區(qū)間共有4層地下水,分別為上層滯水、潛水、層間潛水、承壓水,其水位高程分別為：

(1)上層滯水 靜止水位高程39.44～36.87 m, 水位埋深8.40～10.60 m；

(2)潛水 靜止水位高程33.10～30.54 m,水位埋深14.80～17.30 m；

(3)層間潛水 靜止水位高程23.25～22.23 m,水位埋深24.50～26.70 m；

(4)承壓水 靜止水位高程20.27～18.84 m,水位埋深28.00～29.00 m。

2.3 管線條件

區(qū)間下穿既有盾構(gòu)區(qū)間段無重要市政管線影響施工。

2.4 沉降控制要求

根據(jù)《北京市軌道交通工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系(實(shí)行)》,區(qū)間下穿既有軌道交通屬于特級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源工程,尤其該區(qū)間采用礦山法施工下穿既有盾構(gòu)區(qū)間在北京屬首例,既有4號(hào)線已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)營(yíng)階段,所以施工控制沉降要求比較嚴(yán)格。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,區(qū)間施工期間既有4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間累計(jì)沉降容許值為10 mm,沉降速率容許值為1.5 mm/d。

3 WSS工法加固方案

3.1 加固方案

平—北區(qū)間采用上、下導(dǎo)洞臺(tái)階法施工,上導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖預(yù)留核心土,區(qū)間正線拱頂為黏土地層,上半斷面處于圓礫-卵石地層,該地層卵石含量約60%,卵石直徑1～6 cm,呈亞圓形,中粗砂填充,級(jí)配良好。為了保證開挖時(shí)既有4號(hào)線下方土體穩(wěn)定，從而有效控制既有線結(jié)構(gòu)的沉降,根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求,區(qū)間正線開挖前采用WSS工法對(duì)區(qū)間正線上半斷面土體進(jìn)行深孔注漿加固,深孔加固一次性施作深度30 m,自橫通道水平施作,注漿加固范圍及孔位布置如圖3所示。

圖3 區(qū)間斷面深孔注漿加固范圍及孔位布置(單位：mm)

3.2 加固工藝原理、特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合情況

WSS深孔注漿工藝[8]是一種定壓、定量、定向的地基基礎(chǔ)處理工法,在不改變地層組成的情況下,將土層顆粒間存在的水強(qiáng)迫擠出,使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固結(jié),達(dá)到改良土層性狀的目的,注漿工藝流程如圖4所示。注漿中,注漿達(dá)到一定壓力后,在注漿孔周圍會(huì)產(chǎn)生一定大小的泡體,隨著壓力的不斷增加,漿液泡體上方的土體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓柱體,從而改良土體的物理指標(biāo)。該工法具有如下特點(diǎn)。

圖4 WSS深孔注漿工藝流程

(1)采用特殊的端點(diǎn)監(jiān)控器和二重管噴射方式,使注入系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單,具有很高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)本區(qū)間砂卵石地層,施工過程中,通過端點(diǎn)監(jiān)控器實(shí)時(shí)控制鉆孔角度,并結(jié)合二重管雙液漿注漿加固地層。

(2)可以進(jìn)行一次、二次噴射切換,回路變換裝置容易實(shí)行,所以能實(shí)行復(fù)合噴射?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中,成孔后一次噴射采用改性水玻璃單液漿,待漿液自孔口流出后,然后采用雙液漿進(jìn)行二次噴射。

(3)瞬結(jié)性一次噴射和浸透性二次噴射的復(fù)合比率,在土層改良時(shí)可以自由地設(shè)定,從黏性土、砂質(zhì)土到地下水非常多的砂礫層,以及更加復(fù)雜的復(fù)合地層都可以適用。本次深孔注漿主要針對(duì)圓礫-卵石地層,注漿漿液采用雙液漿。

(4)二次噴射材料是低黏性且凝膠時(shí)間長(zhǎng)的浸透性漿材,可以用壓力噴射到均勻的土質(zhì)顆料之間,這樣的操作方法可以減少對(duì)周圍建筑的影響。本次深孔注漿目的主要是加固6號(hào)線區(qū)間拱頂至既有4號(hào)線底板下范圍內(nèi)的土體,通過該技術(shù)可有效控制漿液擴(kuò)散范圍,減少對(duì)既有4號(hào)線結(jié)構(gòu)的影響。

(5)由于一次噴射是限制噴射,二次噴入是滲透噴射,漿材不會(huì)向噴入范圍外溢出,從而有利保護(hù)地下環(huán)境而不被污染,同時(shí)對(duì)噴射量能得到有效控制。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)加固施工

深孔注漿采用WSS工法分段后退式注漿工藝,注漿施工工藝籌劃流程如下：搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)→設(shè)置排水設(shè)施→鉆機(jī)就位→水平鉆孔→注漿→下循環(huán)鉆孔、注漿→注漿完畢→拆除腳手架、清理現(xiàn)場(chǎng)。注漿漿液采用雙液漿[9],即A液和B(C)液的混合物。A液為稀釋后的水玻璃,B液由硫酸等化學(xué)外加劑和水組成。化學(xué)外加劑主要是調(diào)節(jié)漿液的可灌性和混合液的凝結(jié)時(shí)間,因此在施工現(xiàn)場(chǎng)中,外加劑的添加應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。B液各成分放入攪拌機(jī)的順序依次為：水、化學(xué)外加劑,兩種漿液在注入之前必須攪拌均勻,并經(jīng)常檢查混合后的漿液凝固時(shí)間是否適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境,C液為水泥漿。A、B漿液和A、C漿液配比均為1∶1,詳見表1。

表1 化學(xué)漿注漿材料配比

(1)布設(shè)注漿孔位：在保證深孔注漿效果、確保區(qū)間正線開挖時(shí)既有4號(hào)線安全的前提下,本著經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行注漿孔的布置,環(huán)向間距約1 m,水平打設(shè),梅花形布設(shè),孔位布置見圖3。

(2)搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)：深孔注漿施工前須在施工橫通道搭設(shè)深孔注漿施工作業(yè)平臺(tái),作業(yè)平臺(tái)的搭設(shè)采用A42鋼管、扣件及40 mm厚木板,腳手架設(shè)置斜撐和剪刀撐,如圖5所示。

圖5 作業(yè)平臺(tái)立面

(3)設(shè)置排水溝：為了做到文明施工,確保在鉆孔時(shí)孔中流出的水和注漿中溢出的液體有序排到地面,沿著橫通道東墻在臨時(shí)仰拱上用磚砌一道排水溝,寬度1 m,高30 cm,在東側(cè)出渣料斗平臺(tái)設(shè)置儲(chǔ)水桶,并將施工排出來的水用PVC管引流到儲(chǔ)水桶。儲(chǔ)水桶中設(shè)一30 m揚(yáng)程水泵,由專人看守并及時(shí)將水抽入井上至洗車槽,避免橫通道被水浸泡。

(4)鉆機(jī)就位水平鉆孔：注漿孔采用水平鉆機(jī)打設(shè),鉆機(jī)鉆桿可360°調(diào)整角度,鉆桿采用φ42 mm鋼管,本次深孔注漿施工一次性施作深度達(dá)30 m,為了避免由于鉆桿本身的自重造成在鉆孔過程中孔位的偏移,鉆機(jī)左右調(diào)整好位置后,鉆孔前每個(gè)孔位水平向上調(diào)整3°，以確保成孔的水平度。

(5)深孔注漿：注漿采用二重管噴射式注漿,噴入管同樣采用φ42 mm鋼管,用注漿泵將A、B無收縮雙液漿[10]分別壓入外管和內(nèi)管,并在二重管的端頭混合室內(nèi)混合,通過濾網(wǎng)在水平方向?qū)嵭袊娚?使?jié){材能浸透到地層中,注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力不大于1.2 MPa并加強(qiáng)對(duì)既有4號(hào)線結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測(cè),做到信息化施工。

(6)注漿參數(shù)控制與實(shí)際注漿：本次深孔注漿主要在卵石地層進(jìn)行,注漿加固范圍為區(qū)間正線上半斷面,加固體體積約510 m3(單線),按0.6的孔隙率,設(shè)計(jì)注漿量約306 m3,設(shè)計(jì)注漿壓力小于1.5 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際終壓1.0～1.3 MPa,注漿量約350～359 m3,注漿損失約14%,加固區(qū)域注漿參數(shù)與實(shí)際對(duì)照見表2。

表2 加固區(qū)域注漿參數(shù)與實(shí)際對(duì)照

注漿效果檢測(cè)：注漿施工結(jié)束后,通過在注漿體內(nèi)鉆孔,用壓水、注水或抽水等方法測(cè)定地基的流量及滲透系數(shù),不合格的需進(jìn)行補(bǔ)充注漿。檢查孔的數(shù)目約為總注漿孔數(shù)的5%～10%。

完成注漿施工后將鉆機(jī)移至下一孔位，循環(huán)進(jìn)行下一孔位的鉆孔和注漿施工。

3.4 加固效果

區(qū)間正線下穿既有線段開挖施工以來,既有線結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降值為7.54 mm,最大沉降速率為0.7 mm/d,雙控指標(biāo)均沒有超過設(shè)計(jì)容許值,有效地保證了區(qū)間隧道開挖施工時(shí)既有線的安全及正常使用。深孔注漿效果如圖6所示。

圖6 深孔注漿效果

本次深孔注漿在2009年7月20日～8月1日進(jìn)行,根據(jù)圖7沉降曲線可以看出,在該段時(shí)間內(nèi)沉降值為負(fù)值,既有線側(cè)墻結(jié)構(gòu)為隆起狀態(tài),可見深孔注漿對(duì)既有線結(jié)構(gòu)起到了較好的抬升作用,為后期開挖的沉降控制創(chuàng)造了良好的條件。

圖7 下穿既有線施工沉降區(qū)間趨勢(shì)

4 結(jié)語

以城市地鐵礦山法施工區(qū)間隧道下穿既有軌道交通盾構(gòu)區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源工程為背景，介紹了WSS深孔注漿工法在地層超前加固中的應(yīng)用,礦山法區(qū)間近距離下穿既有盾構(gòu)區(qū)間施工在北京尚屬首例,施工過程中通過采取深孔注漿加固工藝,有效加固了土體,有效地控制了地層沉降和由于沉降帶來的對(duì)既有4號(hào)線的結(jié)構(gòu)安全的破壞,保證了既有4號(hào)線結(jié)構(gòu)安全和正常使用,同時(shí)也很好地保證了6號(hào)線區(qū)間暗挖施工過程中的安全。該工藝可有效改良土體,提高土體剛度和自穩(wěn)能力,對(duì)于保證暗挖施工,控制沉降作用效果顯著,且具有可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、方法簡(jiǎn)捷、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),具有較好的發(fā)展前景,為今后的類似工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1] 畢俊麗,王偉峰.新建地鐵車站零距離下穿既有線區(qū)間影響分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010(5):65-70.

[2] 王起才,趙 侃,展宏躍.新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全性影響分析[J].鐵道建筑技術(shù),2010(3):80-82.

[3] 李壽福,趙 侃,陳德國(guó).新寶塔山隧道鄰近既有線施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010(3):109-112.

[4] 趙克生.淺埋暗挖法地鐵區(qū)間隧道零距離下穿既有線施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(12):72-75.

[5] 楊建新.北京地鐵下穿小月河深孔注漿技術(shù)[C]∥2007年隧道與地下工程施工新技術(shù)研討會(huì)暨鐵道基建科技信息網(wǎng)年會(huì)論文匯編.北京：2007.

[6] 王圣濤,石 雷,孫成山.深孔注漿技術(shù)在盾構(gòu)始發(fā)井端頭土體加固施工中的應(yīng)用[J].廣東科技,2009(6).

[7] 周秀普,孟學(xué)文,李志強(qiáng). 注漿技術(shù)在盾構(gòu)施工中的應(yīng)用[C]∥北京市政第一屆地鐵與地下工程施工技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：2005.

[8] 郭 嘉,黃明利.淺埋暗挖施工超前深孔注漿技術(shù)[C]∥北京市政第一屆地鐵與地下工程施工技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集,2005.

[9] 錢 新,黃雪梅.盾構(gòu)下穿建(構(gòu))筑物控制沉降注漿技術(shù)研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010(4):85-89.

[10] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥：安徽教育出版社,2004:553-568.