盾構(gòu)下穿明渠及排水倒虹吸結(jié)構(gòu)注漿控制分析

毛榮吉，王永靜

（1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，山東濟(jì)南 250014；2.山東軌道交通工程咨詢有限公司，山東濟(jì)南 250014）

1 工程背景

1.1 工程概況

1.1.1 區(qū)間隧道

本文選用濟(jì)南地鐵3號(hào)線向陽(yáng)站—臨港站區(qū)間下穿某明渠及排水倒虹吸結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用盾構(gòu)法施工，左右線間距為12.5～27.8m，區(qū)間隧道覆土厚度為10～23m。盾構(gòu)區(qū)間開挖直徑為6.68m，管片外徑6.4m，內(nèi)徑5.8m，厚度300mm，管節(jié)長(zhǎng)度1.2m，混凝土等級(jí)為C50，管片外壁與盾殼之間采用注漿填充，盾構(gòu)區(qū)間采用約2.8%坡度下穿明渠及排水倒虹吸結(jié)構(gòu)。

1.1.2 明渠結(jié)構(gòu)

穿越處明渠設(shè)計(jì)渠底縱比降1/18000，渠底高程17.02m，設(shè)計(jì)渠底寬13.5m，設(shè)計(jì)水深3m；河堤坡度為1∶2.25，明渠堤頂寬約6m，堤頂高程23.46m。該明渠為全斷面防滲襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)為10cm厚C20全斷面現(xiàn)澆高性能混凝土面板。區(qū)間隧道與明渠工程交叉，夾角約89°，隧道頂部與明渠豎向最小凈距為11.19m。

1.1.3 排水倒虹吸結(jié)構(gòu)

倒虹吸結(jié)構(gòu)底高程為12.67m，高0.5m，該結(jié)構(gòu)為厚45cm的全斷面C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)流量為7.3m3/s。區(qū)間隧道位于排水倒虹吸結(jié)構(gòu)正下方，與該結(jié)構(gòu)平行走向，隧道頂部與該結(jié)構(gòu)豎向最小凈距為6.9m。相對(duì)位置如圖1、圖2所示。

圖1 相對(duì)位置縱向關(guān)系圖

圖2 相對(duì)位置橫向關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)水文

根據(jù)地勘資料，下穿該明渠段的土層主要為⑨1、⑩1粉質(zhì)黏土層、夾雜粉土層和混姜石粉質(zhì)黏土層，定為Ι級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程，該區(qū)段黏土層均呈可塑～硬塑狀態(tài)，強(qiáng)度相對(duì)較高，黏聚力強(qiáng)，該黏性土層中存在豎向不規(guī)則裂隙及連通性大孔隙，滲透性較強(qiáng)。地下水類型為第四系松散孔隙水，穩(wěn)定水位埋深1.7～8m，易黏著刀盤面板形成泥餅。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 隧道防水防滲

盾構(gòu)隧道穿越河底時(shí)，常出現(xiàn)管片拼裝錯(cuò)臺(tái)、管片開裂、管片的接縫處滲漏等，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)間隧道內(nèi)滲水、漏水、突涌等問(wèn)題[1-2]。

2.2 地面沉降、坍塌

土倉(cāng)壓力過(guò)小、開挖后注漿不及時(shí)、超挖等原因均能引起較大的地表沉降，嚴(yán)重時(shí)造成坍塌，引起水流倒灌，而土倉(cāng)壓力過(guò)大，可能引起地表的隆起、擊穿河底冒漿等問(wèn)題。

2.3 盾構(gòu)機(jī)施工噴涌

該區(qū)間地下水主要類型均為第四系松散孔隙水，水位較深，且土層中分布有大量導(dǎo)水裂隙，具有一定的滲透性，若注漿參數(shù)欠佳、操作控制不當(dāng)，容易引起螺旋輸送機(jī)的噴涌。

3 注漿控制措施

3.1 同步注漿

3.1.1 同步注漿配合比及主要力學(xué)指標(biāo)

（1）同步注漿采用水泥砂漿，配合比為：水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶砂∶水=4∶10∶3∶3∶9。

（2）初凝時(shí)間：4～6h，可對(duì)脫出盾尾的管片開孔檢查，結(jié)合地層條件和掘進(jìn)情況，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加促凝劑及變更配合比來(lái)調(diào)整初凝時(shí)間。

（3）固結(jié)體強(qiáng)度：≥0.2MPa，28d后，≥2.5MPa；漿液結(jié)石率：≥95%，即固結(jié)收縮率＜5%；漿液稠度：8～12cm；漿液穩(wěn)定性：傾析率小于5%。

3.1.2 注漿過(guò)程控制

在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)形成盾尾空隙時(shí)，同步采用盾尾的雙泵四管路（左上、左下、右上、右下）注漿管，對(duì)稱、均勻、飽滿注漿，速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，按盾構(gòu)完成一環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來(lái)確定其平均注漿速度，保證均勻注漿。

考慮推進(jìn)過(guò)程中的糾偏、跑漿和注漿材料的收縮等因素，注漿量取盾尾控制空隙理論體積的150%～200%倍，即每環(huán)（1.2m）壁后注漿量為5.5～6.5m3，在實(shí)際過(guò)程中做到盡量填補(bǔ)而不宜劈裂。

3.1.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上時(shí)，即可認(rèn)為滿足質(zhì)量要求。

3.2 二次注漿

如圖3所示，盾構(gòu)穿越過(guò)程中，在1號(hào)臺(tái)車和脫出盾尾第5環(huán)范圍內(nèi)（該范圍內(nèi)共13環(huán)管片），每隔3環(huán)管片通過(guò)管片中部的注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，補(bǔ)充同步注漿未填充部分和體積減小部分。另外，管片脫出盾尾后每5環(huán)施作止水環(huán)箍，一方面阻斷后方地下水，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果，穩(wěn)固管片；另一方面下坡段時(shí)，防止后方來(lái)水進(jìn)入土倉(cāng)[3-4]。

圖3 注漿位置示意圖

二次注漿分為注漿階段和封口階段，注漿階段采用單液漿即水泥漿，水灰比為1∶1；封口階段采用雙液漿（即水泥漿—水玻璃漿液），水∶水玻璃=3∶1（重量比）；水泥漿∶水灰比=1∶1（重量比），水泥漿∶水玻璃=1∶1（體積比），注漿壓力為2.5～3.5bar，嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量，防止將管片擠出錯(cuò)臺(tái)。

3.3 深層徑向注漿

該穿越區(qū)段中，采取全斷面深層徑向注漿。下穿區(qū)段內(nèi)每環(huán)管片在原注漿孔基礎(chǔ)上又增設(shè)10個(gè)徑向注漿孔（共16孔），注漿鋼管長(zhǎng)度約3.2m，直徑為3cm。漿液主要采用水泥漿，水灰比為1∶1，拱部157.5°范圍內(nèi)注漿長(zhǎng)度為2m,注漿壓力控制為0.1MPa,其余范圍注漿長(zhǎng)度為3m,注漿壓力控制在0.2～0.3MPa，確保有效擴(kuò)散半徑大于0.5m，見圖4。

圖4 深孔注漿示意圖

4 監(jiān)測(cè)反饋

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）規(guī)定，結(jié)合設(shè)計(jì)文件及下穿風(fēng)險(xiǎn)源影響評(píng)價(jià)報(bào)告的要求，明渠河堤沉降控制值10mm，倒虹吸結(jié)構(gòu)豎向位移控制值為10mm，區(qū)間地表豎向位移控制值為30mm[5-6]。布設(shè)原則如表1所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置原則

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本文擬選取區(qū)間斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC11-6、DBC11-7、DBC16-6、DBC16-7描述鄰近明渠的地表沉降；DBC12-6、DBC12-7、DBC15-6、DBC15-7描述明渠兩側(cè)河堤的沉降；選取JGC02-1～JGC02-5、JGC02-7、JGC02-8～JGC02-14描述排水倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降；匯總得到沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線如圖6、圖7、圖8所示，圖6、圖7描述盾構(gòu)機(jī)2月9日開始穿越明渠及倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降時(shí)程曲線；圖8描述盾構(gòu)機(jī)到達(dá)明渠對(duì)岸后，2月19日繼續(xù)穿越倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降時(shí)程曲線。對(duì)圖6、7、8分析得出：

圖6 明渠河堤及表面沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

圖7 倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

圖8 倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

第一，盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)產(chǎn)生的地表沉降、河堤沉降和倒虹吸結(jié)構(gòu)沉降發(fā)展速度最快，這是因?yàn)橐环矫娑軜?gòu)機(jī)外殼直徑比管片拼裝成的隧道結(jié)構(gòu)外徑大，盾殼與土層之間的空隙引起地層應(yīng)力釋放，另一方面，漿液不能及時(shí)凝固，且部分漿液在地層中擴(kuò)散，使得空隙填充不密實(shí)。

第二，盾構(gòu)穿越后，沉降數(shù)據(jù)仍有不同程度的增加，但慢慢趨于平穩(wěn)，其中河堤及地表沉降最大值為9mm，排水倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降最大值為9.5mm，均能滿足控制要求。

第三，盾構(gòu)機(jī)距離明渠越近，地表沉降、河堤沉降、倒虹吸結(jié)構(gòu)的沉降的累計(jì)值越大。

5 結(jié)論

第一，盾構(gòu)穿越期間及時(shí)采用同步注漿、二次注漿及深層徑向注漿等洞內(nèi)措施，有效減小了沉降。結(jié)果顯示，河堤及地面最大沉降值為9mm，倒虹吸結(jié)構(gòu)最大沉降值為9.5mm，均滿足控制要求，可為類似工程提供有效施工經(jīng)驗(yàn)。第二，盾構(gòu)穿越風(fēng)險(xiǎn)源的過(guò)程中沉降變化速度最快，穿越后，沉降數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，且越接近明渠，沉降累計(jì)值越大。第三，嚴(yán)格控制壁后注漿的壓力，建議提前在注漿系統(tǒng)中設(shè)置注漿壓力控制值，一旦壓力超限能自動(dòng)停止，以免注漿壓力過(guò)高而頂破覆土。