大直径盾构近接既有结构隔离循环保压注浆加固技术
时间：2023-06-05 18:20:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
房新胜
(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京 211800)
在城市高速发展的当下，城市过多的地上空间被占用，现有的地上空间已经不能满足人们的正常生活需求，故而越来越多高铁线路的修建选择地下隧道的方案[2]。由于城市道路复杂、地铁线路网分布广、地面建筑物密集，在隧道的建设过程中不可避免的需要穿越既有运营地铁线路进行施工。新建线路在施工时会上跨下穿既有线路隧道及地下建筑物，穿越既有线路时的防护显得尤为重要[3]。要防止地层损失及地铁结构变形，保证既有线的运营能力，不受新建线路施工时的影响[4]。
目前，在盾构隧道穿越既有运营地铁线路及沉降控制方面国内外已采取了众多施工防范措施，如克泥效技术、加强沉降监测与反馈、采用加固方法处理、锚杆-框格梁加固等[5]。文一鸣等[6]以成都地铁4号线工程为依托，针对盾构下穿既有建筑物及铁路等建筑物情况，提出了盾构下穿施工的步进法。朱小龙[7]通过数值模拟计算,分析出盾构下穿铁路过程中地表沉降的规律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。张珣[8]使用FLAC3D建立数值计算模型对盾构下穿既有构筑物进行计算并给出了施工加固措施。刘晓强等[9]通过能量方法建立变分控制方程，提出了求解隧道穿越地下管线竖向位移的能量变分解法。吕培林等[10]对隧道下穿铁路的施工期及其后续阶段的线路沉降进行了观测，发现了总沉降量几乎由后续沉降阶段决定。孙长军等[11]应用随机介质理论对隧道施工所引起的纵向地层移动与变形进行了分析推导了相应的计算公式。
采用合理、经济的穿越特级既有运营地铁线路施工措施，分析其在具体工程中的可靠性与适用性，具有重要的技术和经济意义[12]。为了解决这一问题，依托京张高铁清华园隧道项目，探索形成了穿越特级既有运营地铁线路循环保压注浆施工技术。
京张铁路清华园隧道下穿既有地铁10号线，清华园隧道从知春路地铁站西侧区间段下穿。下穿平面示意如图1所示。横断面及纵断面如图2、图3所示。
图1 清华园隧道下穿10号线及知春路地铁站平面示意
图2 清华园隧道下穿10号线左、右线横断面
1.1 工程重难点
1.1.1 沉降及变形控制要求高
盾构掘进过程中不可避免地会产生地面沉降并且会对地层有一定程度的扰动。对于下穿既有地铁线路的情况，这样的扰动和沉降必须严格控制以防止对既有线路的干扰对生命财产安全造成巨大的影响。对于隧道本身而言，过大的沉降和变形也会产生一系列不利影响，隧道衬砌承受围岩压力，过大的变形使衬砌产生裂缝，裂缝发展进而产生渗漏水的危害，更有甚至直接影响到结构本身的耐久性，致使结构破坏，因此沉降及变形控制是工程的难点之一。
1.1.2 地面加固难度大
传统的地面加固方式多是以地表注浆为主，这样的措施用于加固下穿既有铁路线路的情况存在处理范围难以控制、处理效果难以准确评估等问题，难以满足沉降及变形的高精度要求。
1.1.3 既有地铁线路行车状况影响多
下穿既有地铁线路为北京地铁10号线，地铁线路发车间隔短、载重大，这些行车状况会对盾构施工造成较大影响。
1.2 问题简介
上述的工程难点，主要在于地表沉降和变形控制。这样的问题可以通过新型的注浆技术加以解决，传统的方法已不能满足工程穿越既有地铁线路的需要，因此一种新型的注浆工法成了亟待解决问题的关键。
2.1 注浆原理及特点
循环保压注浆技术是在维持注浆压力的基础上，使泥浆在环流系统内实现循环流动。进而实现压力循环，浆液被消耗并渗透到需要加固的土体之间。采取循环保压注浆可以保证长时间进行有效注浆，实现对盾构穿越既有运营地铁线路处地层及土体进行加固补强。
本技术一大特点在于注浆时的压力大小可以根据工况情况进行相应的调整。采用循环保压注浆可以防止普通压力注浆浆液消耗量小、可注性变差等现象，随着浆液的循环，适当加入新浆，就能使浆液的可注性不发生降低，同时浆液具有良好的流动性；
在注浆过程中，可按工程实际情况调节浆液稠度，浆液一般由稀逐渐加稠。本技术适应于浆液吸收量小的情况，当浆液吸收量极少，由于浆液始终在系统内循环，伴随时间的持续流动，浆液仍旧会被不断地消耗掉，并且逐渐渗入土体。本技术同时适应于浆液吸收量陡然减少、压力瞬间增大的情况，出现此情况时，可以将浓度较低的浆液输入循环系统以达到置换目的，使得注浆操作稳步推进。
本技术适用范围广，适用于地铁隧道、铁路隧道、综合管廊等盾构隧道下穿既有运营地铁线路施工过程。
2.2 施工工艺流程及操作要点
循环保压注浆技术的施工工艺流程如图4所示，竖井开挖后进行水平钻孔，然后对隧道与风险源之间土体进行袖阀管注浆，注浆完毕后再实施循环保压注浆，之后地层加固工作完成。在盾构机下穿风险源时，要依据监测结果及时调整保压循环注浆压力，达到盾构穿越过程中控制地层变形的目的。
图4 施工流程
2.2.1 监控量测
施工前在既有地铁线路上下行区间安装精密静力式水准仪，提前收集相关监测信息，施工过程中实时收集监测数据并上传系统，实现云端实时查看监测数据，确保信息沟通顺畅。静力水准仪安装如图5所示。
图5 静力式水准仪安装
2.2.2 袖阀管成孔
2.2.2.1 材料选用及加工
袖阀管材料选用φ50 mm无缝钢管，人工在钢管上钻孔，间距0.3 m，并用胶带将孔封好，接头采用套丝连接，增加连接强度，采用钢花管不仅可以降低横向钻孔的挠度，还可以在注浆完成后对地层起到管棚加固作用。
2.2.2.2 布孔方式
竖井内施做封堵墙，在风险源防护方向导洞初支侧壁上布置注浆孔，注浆孔设置在井壁上，间距为0.36 m×0.6 m(水平×竖向)梅花形布置。袖阀管在盾构隧道与既有地铁线路之间的土体当中呈扇形，对2个结构进行隔离。袖阀管打设长度视风险源范围确定(图6、图7)。
图6 竖井掌子面钻孔布孔
2.2.2.3 袖阀管注浆加固、循环保压注浆
(1)盾构穿越前注浆施工。在既有运营地铁线路结构下方进行注浆加固防护，粉质黏土层采用0.75∶1水泥浆，在卵石土层采用1∶1水泥-水玻璃浆双液浆，采用钢花管进行注浆，以填充、渗透和挤密等方式，替代和填充砂层、卵石和黏土间的水份和气体，使土体抗变形能力增加，提高了变形模量，从而加固土体(图8)。
图8 袖阀管注浆流程示意
袖阀管注浆分段长度为33 cm，使用100 cm规格的双向皮碗式止浆塞。上层第二排注浆管停止注浆，采用低压低速进行填充袖阀管外壁与地层间空隙，孔口注浆压力不大于0.05 MPa，注浆材料采用0.75∶1水泥浆。第二排注浆完成后将袖阀管进行洗孔，达到可以再次注浆的条件，以便盾构通过时进行保压循环注浆。上层第一排及下层袖阀管采用低压低速进行注浆填充，孔口注浆压力采用不大于0.3 MPa，注浆材料根据地层选择采用0.75∶1水泥浆和1∶1水泥-水玻璃双液浆。施工中发现个别注浆孔的注浆压力不上升现象时，可以改变浆液的配比和原材料，并采取反复注浆措施，实现可控域注浆，同时需要满足加固厚度的要求。注浆时宜间隔进行注浆，可按先施作奇数孔，后施作偶数孔的原则进行。由于注浆室空间相对狭小，施工时必须加强通风措施，保证作业人员的安全及注浆的连续性。注浆完成后φ50 mm钢袖阀管留在地层中，对地层起到管棚加固作用。地层加固注浆应在盾构到达前3天完成，保证注浆材料凝结完成，达到设计强度。注浆前需安装压力表和流量表，严格控制压力及流量，以免注浆压力过大破坏地层弹性极限。
注浆时需安排人员进入既有地铁运营区间内进行查看，若有发现漏浆或漏水现象，及时联系注浆人员停止注浆；
并注意查看实时监测数据，发现若有监测数据异常应立即停止注浆。
正式注浆工程结束后，必须对注浆效果进行检查，要求检测孔取芯率达到60%以上，芯样抗压强度达到5 MPa。如有检测孔检验达不到要求，应将检查孔作为补充注浆孔补充注浆，并重新补设检查孔至检查合格。
达到设计的终止压力且稳定10 min，同时进浆速度为开始速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80%，可以结束单孔注浆。如在注浆过程中出现冒浆，可提前停止注浆，如不能达到可多次注浆。
(2)盾构穿越过程循环保压注浆。当盾构机掌子面距离既有运营地铁线路20 m时，开始实施保压循环注浆，浆液采用超细水泥。当盾构机尾部通过既有地铁线路20 m远，并且既有地铁线路区间竖向变形小于0.1 mm/d后，可停止保压循环注浆。
在第二排每个袖阀管内预埋注浆管和排浆管，管口设止浆塞。
注浆管设压力传感器、流量计控制注浆压力和注浆量，连接注浆泵；
排浆管设压力溢流阀连接储浆罐。
当盾构机掌子面距离既有运营地铁线路20 m时，需要开启注浆泵逐步提升压力，排浆管溢流阀设定压力不大于0.2 MPa，待排浆管有浆液流出建立起压力循环为止。
盾构穿越期间严格岗位制度，时刻观察压力表和排浆量。
注浆过程中应加强对既有运营地铁线路结构的监测工作，根据测量结果，及时对比、调整注浆参数。当某一孔位附近监测点隆起达到0.2 mm，立即停止注浆，如监测数据无进一步变化趋势，再恢复注浆。
(3)盾构穿越后稳固封堵。为避免因水泥浆液固结产生的收缩影响地层再次出现沉降变形，确保盾构穿越后沉降变形稳定，应在停止循环保压后，对注浆管进行低压清水冲洗，确保袖阀管内不堵塞。然后持续关注监测数据，盾构穿越后7天内，若地铁构筑物下方地层再次出现竖向变形大于0.1 mm/天，则利用袖阀管进行定点稳固注浆，采取低压、少量、多次稳步注浆，使沉降变形降至±0数值，然后封堵袖阀管口；
若7天内无较大沉降变形，可直接注浆封堵袖阀管。
本次施工采用的竖井及横通道注浆加固方法既能近距离加固地层，保证注浆效果，留在地层中的钢花管又能起到管棚支护的效果，对既有线路的保护起到双层作用。采用该施工技术注浆加固后，满足盾构机下穿地铁10号线的条件，在穿越同时进行自动化监测，监测数据在规范正常范围内，注浆加固措施对穿越地铁10号线起到明显效果，最终沉降值仅为0.8 mm，此外本施工技术还具有一些效益。
3.1 安全效益
采用本施工技术，减小了对风险源注浆加固防护过程中，因注浆压力难以控制造成的地面及地下既有构筑物的不良影响。采取循环保压注浆可以保证长时间进行有效注浆，实现对盾构穿越既有构筑物地层及土体进行加固补强。并且在盾构穿越特级风险源过程中，能够快速准确的对施工造成的地层沉降进行补充注浆，确保了既有结构在施工期间的正常安全使用，减少因施工造成对社会安全的不良影响。
3.2 经济效益
该技术通过在保持一定注浆压力的基础上，让泥浆在注浆管、排浆管、注浆孔与浆液存储桶之间实现循环流动。进而实现压力循环，浆液逐渐消耗，相对均匀地渗透到所需加固的土体之间，减少了传统注浆工艺当中浆液浪费。
3.3 智能化运用
循环保压注浆采用注浆压力表、流量计、压力溢流阀等电气元件，达到了自动供料防止浆液凝结浪费的目的。能实现安全系数高、施工质量好、施工进度快、施工成本低等效益相结合，并且节能环保，体现了绿色施工思想。
(1)结合京张城际铁路清华园隧道下穿北京地铁10号线工程，介绍了大直径盾构近接地下建筑物隔离循环保压注浆加固技术。
(2)循环保压注浆加固技术通过在保持一定注浆压力的基础上，让泥浆在注浆管、排浆管、注浆孔与浆液存储桶之间实现循环流动，因此实现了压力循环，浆液被消耗并渗入待加固的土体之间。采取循环保压注浆可以保证长时间进行有效注浆，实现对盾构穿越既有运营地铁线路处地层及土体进行加固补强，在实际工程应用中具有良好的安全效益和经济效益。
(3)本技术一大特点在于注浆时的压力大小可以根据工况情况进行相应的调整。采用循环保压注浆可以防止普通压力注浆浆液消耗量小、可注性变差等现象，随着浆液的循环，适当加入新浆，就能使浆液的可注性不发生降低，同时浆液具有良好的流动性。
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