洵思區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠克泥效工法運(yùn)用分析

張 平

(中鐵十八局集團(tuán) 第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

克泥效是一種綠色環(huán)保，無毒無污染的材料，在盾構(gòu)機(jī)施工中，合理應(yīng)用克泥效工法可實(shí)現(xiàn)隧道工程外圍的有效填充.與其他材料相比，克泥效具有不溶于水，擋水效果優(yōu)越，支撐效果好，但自身并無強(qiáng)度，不會(huì)致使盾構(gòu)機(jī)發(fā)生抱死問題.具體原理為：將高濃度的泥水材料和塑性調(diào)整劑按相應(yīng)比例調(diào)合為高黏度塑性膠化體后，由泵泵送，通過徑向孔注入混合后的流動(dòng)塑性膠化體且不易被水稀釋，其黏性不會(huì)隨時(shí)間而變化；同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入克泥效，注入點(diǎn)分別為11點(diǎn)鐘與1點(diǎn)鐘位置的輪流徑向孔注入，及時(shí)對開挖直徑和盾體之間的空隙進(jìn)行填充可實(shí)現(xiàn)同步雙液注漿，具有良好的流動(dòng)性，可在膠結(jié)之前充分填充空隙，促使盾構(gòu)機(jī)的殼體全部封閉，安全環(huán)保，具有良好的發(fā)展前景.故此，本文展開對洵思區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠克泥效工法運(yùn)用分析.

1 工程概述

鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程鄭州段洵美路站—思存路站區(qū)間位于鄭州航空港區(qū)，區(qū)間隧道于雍州路西側(cè)下穿南水北調(diào)中線干渠(潮河段).穿渠段隧道頂距離渠底最小凈距14.50 m，此段南水北調(diào)干渠渠道設(shè)計(jì)底寬18.5 m，渠口寬約73.32 m，渠深約7 m.盾構(gòu)區(qū)間隧道自思存路站始發(fā)，至洵美路接收，區(qū)間起點(diǎn)里程右(左)DK33+969.699，終點(diǎn)里程右(左)DK35+753.899，全長約1 782.7 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工，隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，每環(huán)1.5 m.南水北調(diào)工程可優(yōu)化水資源配置，有效緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺的情況.下穿前必須做好盾構(gòu)施工擾動(dòng)機(jī)理及沉降變形控制研究，為施工時(shí)的沉降變形控制提供理論依據(jù).洵思區(qū)間線路平面如圖1所示.

圖1 洵思區(qū)間線路平面

2 克泥效工法試驗(yàn)段施工分析

克泥效由合成鈣基黏土礦物、膠體穩(wěn)定劑、纖維素衍生劑等物質(zhì)共同組成，其施工工法為：將高濃度的泥水材料和塑性調(diào)整劑按照特定的比例相互混合，充分?jǐn)嚢柚螅纬筛唣ざ人苄阅z化體，再通過專業(yè)輸送泵進(jìn)行泵送.克泥效正常注入現(xiàn)場如圖2所示.

圖2 克泥效正常注入現(xiàn)場

圖2是一種通過徑向孔注入的新型施工工法，充分混合之后的流動(dòng)屬性膠體化不容易被水稀，其黏度不會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化.同步注漿利用盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入克泥效，選定11點(diǎn)鐘、1點(diǎn)鐘的位置為注入點(diǎn)，徑向輪流注入，及時(shí)對開挖直徑和盾體之間的空隙進(jìn)行填充，試驗(yàn)段內(nèi)初設(shè)的注入率要控制在120%～130%之間[1].

為保證施工質(zhì)量，在試驗(yàn)段施工之前需要對相關(guān)設(shè)備、原材料進(jìn)行充分驗(yàn)證，以確定原材料的填充率在本地層的應(yīng)用是否科學(xué)合理，設(shè)備是否存在異常等.本次試驗(yàn)段施工中，混合時(shí)間為4.5 s，混合之后黏度在300～500 dPa·s之間，根據(jù)4次試驗(yàn)生成4組數(shù)據(jù)，具體克泥效黏稠度變化曲線如圖3所示.

圖3 克泥效黏稠度變化曲線

在試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，克泥效可有效控制沉降，且具有很強(qiáng)的黏性，沒有出現(xiàn)注入點(diǎn)快速流失到刀盤之前或者盾尾之后的情況，及時(shí)填充了盾體和開挖之間的空隙，大大降低了漿液填充不及時(shí)而出現(xiàn)的沉降情況.直到停止使用，未出現(xiàn)卡盾體的情況，而且在整個(gè)掘進(jìn)過程中，增加了同步工序，不會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn).對平穩(wěn)下穿南水北調(diào)不會(huì)造成長時(shí)間停機(jī).同時(shí)通過沉降檢測，在試驗(yàn)段施工中，每環(huán)注入克泥效的量在0.9～1.0 m3時(shí)，沉降效果最為顯著.

3 克泥效工法運(yùn)用的要點(diǎn)分析

3.1 孔隙處注入克泥效

在孔隙處注入克泥效時(shí)，按照試驗(yàn)段確定的施工參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，同步沿盾構(gòu)機(jī)的徑向孔，將克泥效按11點(diǎn)鐘和1點(diǎn)鐘的方向，輪流向盾構(gòu)機(jī)外注入.按照試驗(yàn)段施工的要求和標(biāo)準(zhǔn)，確定出每環(huán)克泥效的量和壓力，來指導(dǎo)洵思區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠克泥效工法的運(yùn)用，同時(shí)同步監(jiān)測地面的沉降，如果施工效果欠佳，要及時(shí)調(diào)整施工參數(shù).本工程孔隙處注入克泥效如圖4所示.

圖4 孔隙處注入克泥效

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工中，可通過中盾上帶有閥門的預(yù)留徑向注漿孔每環(huán)注入0.9～1.0 m3的混合液體.本工程刀盤直徑6.48 m，左線盾構(gòu)機(jī)盾尾直徑6.42 m，右線盾構(gòu)機(jī)盾尾直徑6.43 m，理論上會(huì)在盾體周圍產(chǎn)生0.607 m3/m(左)、0.506 m3/m(右)的空隙，實(shí)現(xiàn)對盾體和土體間隙的有效填充[2].盾構(gòu)機(jī)參數(shù)和盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源相關(guān)參數(shù)如表1～2所示.

表1 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)

表2 盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源相關(guān)參數(shù)

在進(jìn)行同步注漿漿液凝固之前，需要對地層的沉降情況進(jìn)行有效控制，且克泥效工法的填充材料需要同時(shí)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 操作要盡量簡單有效，以保證從盾構(gòu)機(jī)預(yù)留出超前注漿孔，便于穩(wěn)定注入.

2) 克泥效需要具有一定的黏度，避免因?yàn)榭焖僮⑷肟四嘈Ф鴮?dǎo)致其流失到刀盤之前或者盾尾之后.

3) 所配制的克泥效需要具有一定的抗稀疏能力，以免注入之后被地下水快速稀釋，無法起到填充效果，避免后方地下水流動(dòng)刀盤之前，出現(xiàn)大量地下水流失問題，引發(fā)螺旋機(jī)噴涌.

通過使用克泥效工法，有效抑制了盾構(gòu)施工在第3階段時(shí)產(chǎn)生的沉降，并且在其他工程項(xiàng)目中使用克泥效輔助穿越重難點(diǎn)施工總結(jié)中也證實(shí)了這一點(diǎn).采用克泥效工法后，控制了沉降，從而能夠起到保護(hù)干渠安全的效果[3].在具體應(yīng)用過程過程中，由于盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)上都有差異，所以選常規(guī)盾構(gòu)作為參考樣板計(jì)算其理論用量.

例如：刀盤開挖直徑6 280 mm，前盾外徑6 25 0 mm，前盾長度2 000 mm，中盾外徑6 240 mm，中盾長度3 000 mm，尾盾外徑6230mm，尾盾長度3 000 mm.通過計(jì)算，每延米開挖直徑與盾體外表面的間隙為0.4 m3，間隙中注入的克泥效只需要覆蓋盾體上部1/3的面積即可，即每延米的注入量為0.132 m3.以長度1.2 m管片為例，1環(huán)用量為0.16 m3.具體情況如圖5所示.

圖5 克泥效注入范圍

3.2 第2和第3階段沉降控制

在洵思區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠克泥效工法運(yùn)用過程中，為有效控制沉降問題，在第2和第3階段施工中，施工參數(shù)為：克泥效用量：0.9～1.0 m3/環(huán)；掘進(jìn)模式：滿倉模式掘進(jìn)；渣土改良方式：以泡沫改良為主；開挖倉壓力：0.16～0.20 MPa；刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min；總推力：11～15 MN；掘進(jìn)速度30～60 mm/min；出土量57～60 m3/1.5 m；同步注漿量：6～7 m3;同步注漿壓力：0.22～0.38 MPa.為更好地控制沉降問題，采取了如下方法取得了良好效果，值得類似工程參考借鑒.

1) 嚴(yán)格控制切口水壓波動(dòng)的范圍，加強(qiáng)對泥漿質(zhì)量的控制，以提升掌子面的穩(wěn)定性.

2) 科學(xué)合理的盾構(gòu)推進(jìn)速度，盡量穩(wěn)定運(yùn)輸推進(jìn).尤其是在開始推進(jìn)和結(jié)束推進(jìn)中，推進(jìn)的速度要適當(dāng)提升或者減少.

3) 在具體施工中，要嚴(yán)格控制出土量，盡量按安全理論出土量進(jìn)行出土施工，為保證土體的穩(wěn)定性，避免發(fā)生不均勻沉降，允許適當(dāng)欠挖，以提升土體密實(shí)度[4].

4) 同步監(jiān)測刀盤正上方和前方地面沉降和隆起情況，及時(shí)調(diào)整切口水壓和出土量，以實(shí)現(xiàn)第2階段施工的零沉降，本標(biāo)段地面隆起的危害要大于地面下沉造成的危害，需要嚴(yán)格控制.

5) 同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾體外部注入克泥效，以便及時(shí)對盾體和開挖直徑間的空隙進(jìn)行填充，嚴(yán)格把控注入壓力及注入量，對地面沉降及時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)問題及時(shí)停止施工，待相關(guān)問題全部處理和解決之后，再繼續(xù)施工[5].

3.3 不同路段的應(yīng)用

3.3.1 路段1

在鄭州軌道交通2號線向陽路站—南四環(huán)站下穿南水北調(diào)中線主干渠的運(yùn)用中，該路段采用中鐵隧道裝備制造有限公司生產(chǎn)的2臺CTE6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工.于SH(3)188+908～SH(3)189+035里程下穿南水北調(diào)中線總干渠，涉及渠道長度約127 m.根據(jù)實(shí)際觀測成果，隧道施工對地面的沉降控制較好，通過在試驗(yàn)段內(nèi)使用克泥效工法，并優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)、嚴(yán)格控制施工過程等常規(guī)措施，經(jīng)監(jiān)測最大沉降量為-11.7 mm，滿足控制要求.為保證克泥效工法的應(yīng)用效果，需要通過以下公式來計(jì)算出克泥效的用量.

每米間隙為

(1)

式中：K為每米間隙；d1為開口直徑；d2為盾尾直徑.

就案例而言，通過計(jì)算可知在采用克泥效工法時(shí)，每米間隙為0.506 m3/m.

每米注入量為

Q0=η×K，

(2)

式中：η為注入率；K為每米間隙.

通過計(jì)算可知，本工程每米注入量為0.608 m3/m.

每米克泥效用量為

Q=λ×Q0，

(3)

式中：Q為每米克泥效用量；λ為克泥效的濃度.

通過計(jì)算可知，本工程每米克泥效用量為968.78 kg.

3.3.2 路段2

在鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程穿越南水北調(diào)中線干線主干渠的運(yùn)用中，該路段采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，隧道頂至干渠底凈距為14.731 m，穿越長度為91 m，穿越段土質(zhì)為粉質(zhì)黏土.通過在試驗(yàn)段內(nèi)使用克泥效工法，并優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)、嚴(yán)格控制施工過程等常規(guī)措施[6]，經(jīng)監(jiān)測最大沉降量為-4.89 mm，滿足控制要求，具體的監(jiān)測斷面時(shí)程曲線如圖6所示.

圖6 南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程監(jiān)測 斷面時(shí)程曲線

3.3.3 路段3

在鄭州市民文化服務(wù)區(qū)地下交通市政工程穿越南水北調(diào)中線干線鄭州1段工程的運(yùn)用中，在該路段施工中采用了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，隧道頂至干渠底凈距為12.5 m，穿越長度為115 m，穿越段土質(zhì)為粉質(zhì)黏土.通過在試驗(yàn)段內(nèi)使用克泥效工法，并優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)、嚴(yán)格控制施工過程等常規(guī)措施，經(jīng)監(jiān)測最大沉降量為-11.94 mm，滿足控制要求.因此使用克泥效工法輔助穿越風(fēng)險(xiǎn)源是可行的辦法[7].

4 施工效果分析

本項(xiàng)目結(jié)合新鄭機(jī)場至許昌市域鐵路(鄭州段)洵美路—思存路站盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿南水北調(diào)干渠工程實(shí)例，在穿越南水北調(diào)干渠前設(shè)置200 m長試驗(yàn)段，對地表沉降、分層沉降、孔隙水壓力和深層水平位移進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并在南水北調(diào)干渠兩岸河堤布設(shè)自動(dòng)化與人工對照監(jiān)測點(diǎn)位，對干渠的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[8].使用監(jiān)測成果對數(shù)值模擬模型和參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而研究盾構(gòu)隧道施工引發(fā)的地表沉降以及分層沉降規(guī)律，最終對盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.保證了盾構(gòu)順利下穿南水北調(diào)渠；同時(shí)，基于該項(xiàng)目提出的施工參數(shù)，使得穿越工期大大縮減，并保證了工程的安全可靠.基于鄭州地區(qū)地質(zhì)條件的相似性，先后在鄭州地鐵4號線穿越鄭州如意湖、穿越東西運(yùn)河等項(xiàng)目實(shí)踐應(yīng)用，取得了很好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益.

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)例及理論實(shí)踐，分析了洵思區(qū)間下穿南水北調(diào)干渠克泥效工法運(yùn)用，將其應(yīng)用到隧道工程盾構(gòu)施工中，可有效填充盾構(gòu)和土體之間的空隙，提升土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低地下水對盾構(gòu)施工造成的不良影響，保證上部結(jié)構(gòu)的安全性.而且克泥效具有多種用途，如：盾構(gòu)機(jī)長期停機(jī)時(shí)土壓的保持；在軟土地層(如淤泥層)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)頭部或者尾部下沉的時(shí)候調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)；在盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)持續(xù)向下推進(jìn)時(shí)，在盾體和土體間注入本產(chǎn)品，可以防止砂漿因?yàn)橹亓ο蚯傲魅胪羵}，防止土倉因?yàn)樯皾{而結(jié)泥餅.值得大范圍推廣應(yīng)用.