克泥效抑制沉降在盾構(gòu)下穿高鐵路基中的應(yīng)用

亓培先,韓 清,張自光,曹廣勇,翟朝嬌，黃趙美

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司， 安徽 合肥 230012)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市快速發(fā)展，地面空間的利用率逐漸趨于飽和，地面交通軌道系統(tǒng)已不能滿足人們?nèi)粘３鲂械男枰?，因此大城市逐步形成了以地鐵為主的交通格局。盾構(gòu)施工法具有施工安全與方便、對(duì)環(huán)境造成的影響小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為地鐵軌道交通建設(shè)的主流施工方法。同時(shí)，盾構(gòu)施工過(guò)程中，如何抑制盾體上方的土體沉降，成為使用盾構(gòu)施工法必須要解決的問題。熊四清通過(guò)對(duì)克泥效漿液的配比進(jìn)行研究得到了盾構(gòu)施工方案，使得地表建筑物沉降得到有效控住[1]；杜國(guó)濤等通過(guò)分析盾構(gòu)下穿重大風(fēng)險(xiǎn)源減少沉降變形的應(yīng)用案例，闡述克泥效的特點(diǎn)和工藝原理，并分析了其適用范圍[2]；吳全立等以深圳地鐵9號(hào)線梅村—上梅林區(qū)間盾構(gòu)施工為例，針對(duì)盾構(gòu)在近始發(fā)端頭下穿施工時(shí)存在的建壓困難等難題，采用了克泥效漿液充填盾體與土體之間的間隙等方法成功實(shí)現(xiàn)地鐵線路下穿段[3]；馬云新通過(guò)在盾構(gòu)殼體外同步進(jìn)行克泥效注漿這一措施，有效控制了上方土體的下沉量[4]。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

淮安東站盾構(gòu)工作井區(qū)間，上行右線長(zhǎng)度563.664 m，下行左線長(zhǎng)度561.907 m，隧道為兩條單洞單線圓形隧道，隧道直徑為6.30 m，采用盾構(gòu)法施工。刀盤直徑為6.47 m，前盾直徑為6.44 m，中盾直徑為6.43 m，盾尾直徑為6.42 m。區(qū)間左右線各設(shè)一處半徑為1 000 m的平曲線，線間距為13.5 m～19 m，縱斷面成上坡趨勢(shì)，坡度為4‰，頂部覆土約為18.5～25.1 m。區(qū)間穿越范圍內(nèi)構(gòu)(建)筑物主要包括制梁場(chǎng)、存梁場(chǎng)樁基、連鎮(zhèn)鐵路路基、G2京滬高速公路，隧道主要穿越地層為粉砂層，區(qū)段內(nèi)無(wú)重要現(xiàn)狀管線。其中連鎮(zhèn)鐵路路基段路面高度約8.27 m，連鎮(zhèn)鐵路路基段寬度約127.904 m，路基段基礎(chǔ)采用φ500CFG樁，樁間距1.8 m，樁長(zhǎng)10 m，樁底標(biāo)高約-1.9 m；連鎮(zhèn)鐵路未運(yùn)營(yíng)，區(qū)間隧道左右線均下穿該既有線，最小堅(jiān)向凈距約24.46 m。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

區(qū)間場(chǎng)地范圍下穿地層由雜填土、素填土、砂質(zhì)粉土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉砂、黏土、中砂、粉砂等構(gòu)成。沿線地表水主要為盾構(gòu)工作井東北部水塘內(nèi)的水，勘察期間水深約0.8 m，地表水與潛水水力聯(lián)系密切。雨季補(bǔ)給潛水，旱季接收潛水補(bǔ)給。對(duì)本工程有影響的承壓水為第Ⅰ和第Ⅱ?qū)映袎核５冖駥映袎核饕癫赜谏百|(zhì)粉土和粉砂層中，水量較豐富，無(wú)色、無(wú)味、透明，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給。水位埋深1.36 m～1.6 m(平均值1.52 m)，水位標(biāo)高為6.22 m～6.48 m(平均值6.36 m)。第Ⅱ?qū)映袎核饕癫赜谥猩昂头凵皩又?，主要接受?cè)向徑流補(bǔ)給。水位埋深20.00 m左右，水位標(biāo)高為-12.00 m。

1.3 地表沉降控制指標(biāo)

當(dāng)盾構(gòu)施工下穿地面構(gòu)筑物時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)或注漿壓力的大小及用量會(huì)引起地層擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致地面產(chǎn)生不同程度沉降回彈，這些變化超過(guò)一定范圍時(shí)會(huì)對(duì)周圍地面建筑物造成破壞。為此，必須加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)了解土體結(jié)構(gòu)的變化，以此來(lái)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。監(jiān)測(cè)控制值根據(jù)不同建筑物特點(diǎn)及鑒定情況適當(dāng)提高監(jiān)測(cè)變形控制值，在盾構(gòu)施工過(guò)程中，使地表不出現(xiàn)沉降是很難做到的，其要點(diǎn)是如何將沉降值控制在安全范圍內(nèi)，可以根據(jù)盾構(gòu)施工下穿構(gòu)筑物的實(shí)際情況來(lái)確定地表變形控制指標(biāo)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有的設(shè)備儀器的檢測(cè)精度，盾構(gòu)施工下穿高鐵路基地表的變形指標(biāo)如表1所示，并將控制值的70%作為報(bào)警值。

表1 淮安東站盾構(gòu)區(qū)間高鐵路基地表沉降控制指標(biāo)

2 地表沉降來(lái)源分析

(1)盾構(gòu)施工的過(guò)程中，不可避免的會(huì)引起土層發(fā)生變化，地表發(fā)生沉降。地表沉降一般分為5個(gè)階段，即早期下陷(或隆起)、開挖下陷(或隆起)、通過(guò)時(shí)下陷(或隆起)、盾尾間隙處下陷和后續(xù)下陷。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析[2]，通過(guò)時(shí)下陷占總沉降量的15%～30%，其主要原因是在盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中，刀盤對(duì)土體的切割使得土體強(qiáng)度發(fā)生變化，破壞了土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外，盾構(gòu)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的非水平的開挖掘進(jìn)姿態(tài)也加劇了地層發(fā)生變化，出現(xiàn)沉降。

(2)在盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中，雖然采用了同步注漿措施，使盾體外殼與管片之間的空隙得到填充，但是由于國(guó)內(nèi)與國(guó)外在盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造上存在限制，只能通過(guò)盾構(gòu)機(jī)尾部后方注入，注漿填充時(shí)間滯后盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間，無(wú)法抑制盾體周圍土體變形。

(3)由于盾構(gòu)機(jī)刀盤的前盾、中盾、后盾直徑不同，在盾構(gòu)施工的過(guò)程中盾體與土體之間存在30 mm～50 mm的間隙，每掘進(jìn)一環(huán)(1.2 m)，前盾周圍會(huì)產(chǎn)生約0.35 m3的空隙，在盾構(gòu)下穿高鐵路基施工中，地表變形比較嚴(yán)格的情況下，如果將此構(gòu)造間隙及時(shí)填充，將會(huì)有效減小地表下沉。

3 克泥效工法原理

由于粉砂地層特性，施工過(guò)程盾構(gòu)機(jī)帶來(lái)的土體擾動(dòng)使得地面容易較快的產(chǎn)生土體自然下陷，填補(bǔ)開挖面與盾體間隙，帶來(lái)的沉降會(huì)直接影響地面的高鐵路基。因此需要在盾構(gòu)施工掘進(jìn)同時(shí)采用克泥效工法，在同步注漿到達(dá)前填充間隙，減少上方軟弱地層受擾動(dòng)后的自然下沉，并滲透上方土體，形成泥膜穩(wěn)定地層。克泥效工法是將濃度高的泥水材料與塑性強(qiáng)的調(diào)整劑兩種液體分別通過(guò)配管壓送到盾體徑向孔處，再將此兩種液體按一定的比例混合，形成高黏度塑性膠化體后，在盾構(gòu)施工下穿高鐵路基掘進(jìn)的過(guò)程中同步注入到盾體外，填充盾體與土體之間的間隙，達(dá)到有效控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所引起的第三階段沉降，輔助控制第四階段沉降。根據(jù)布置在地表的檢測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)修正變頻器參數(shù)，控制注入量?？四嘈ё{點(diǎn)在前盾肩部，其施工流程如圖1所示。

4 工程實(shí)踐

4.1 盾構(gòu)掘進(jìn)及注漿參數(shù)

克泥效是從日本引進(jìn)的一種施工技術(shù)，克泥效漿液由A、B液組成，其中A液為泥水材料，B液為水玻璃液，其配比如表2所示。本次使用克泥效工法是以及時(shí)填充間隙飽滿為主，采用兩臺(tái)可調(diào)節(jié)注入量的泵在前盾肩部注入，在注入的過(guò)程中，通過(guò)Y型注漿頭將該兩種液體以體積比為20∶1的比例混合，采用400 kg配比注入，注入點(diǎn)為11點(diǎn)鐘和1點(diǎn)鐘位置的徑向孔單點(diǎn)連續(xù)注入，其余點(diǎn)位需多點(diǎn)注入，B液注入體積占總體的4%～6%，在40 s內(nèi)達(dá)到初凝狀態(tài)。根據(jù)粉砂地層的孔隙率，克泥效按130%～140%的注入率使用。在下穿前10環(huán)，開始注入克泥效漿液，記錄克泥效注入后各項(xiàng)盾構(gòu)施工掘進(jìn)數(shù)據(jù)。下穿高鐵路基結(jié)束后，克泥效繼續(xù)注入10環(huán)。

圖1 克泥效同步注入施工工藝流程圖

表2 克泥效漿液配比

4.2 工程實(shí)施效果分析

總共15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于高鐵路基穿越區(qū)，結(jié)果如表3所示，隆起值最大為1.5 mm左右，下沉值最大為2 mm左右，說(shuō)明將克泥效漿液填充盾體與土體的間隙，達(dá)到了抑制了高鐵路基地表的沉降變形的目的。由于注入克泥效漿液的壓力過(guò)大，注漿的體積超過(guò)土體與盾體間隙的體積，造成地表微微隆起。本工程采用的克泥效注漿工法解決了盾構(gòu)施工下穿高鐵路基地表沉降變形的問題，達(dá)到了盾構(gòu)下穿時(shí)地表沉降報(bào)警值(隆起7 mm，下沉14 mm)的范圍內(nèi)。

表3 地表沉降 mm

5 結(jié) 語(yǔ)

本工程在盾構(gòu)下穿淮安東站高鐵路基過(guò)程中，同步注入克泥效漿液，通過(guò)盾構(gòu)施工時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降觀測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的效果和抑制高鐵路基地表沉降的目的，驗(yàn)證了盾構(gòu)穿越高鐵路基時(shí)，采用克泥效注漿工藝可以有效抑制高鐵路基地表的沉降，對(duì)以后類似工程具有重要的借鑒的意義。