WSS深孔注漿工法在礦山法區間下穿既有盾構區間中的應用研究

張 瑜

(北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037)

1 概述

隨著城市地鐵日新月異的發展,多數地鐵設計要下穿既有軌道交通、橋梁、樓房或者商鋪等既有建(構)筑物[1～4]。為了在保證既有建(構)筑物安全、正常使用的前提下快速進行地鐵施工,施工前必須采取一定的措施對既有建(構)筑物基礎及其下方土體進行有效的加固,改善其物理力學性能,提高其自穩能力,WSS深孔注漿工法以其可靠、經濟、環保等特點在地基加固中得到了廣泛的應用[5～7]。

本文以北京地鐵6號線礦山法施工平安里站—北海北站區間下穿既有盾構區間特級風險源工程為工程背景,介紹了WSS深孔注漿工藝在地層超前加固中的應用,為類似工程能夠提供一定的借鑒經驗。

2 工程背景

2.1 設計概況

北京地鐵6號線一期工程平安里站—北海北站區間(以下簡稱平—北區間)線路沿地安門西大街大街敷設,區間起點位于平安里站東端,終點位于北海北站西端,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。區間采用礦山法施工,為單線單洞馬蹄形斷面、復合襯砌結構,區間隧道埋深16.6～20.32 m。

區間線路從平安里向東,在K8+495、K8+510處下穿地鐵4號線平安里站南端盾構區間(垂直下穿區域約21 m,影響區域約30 m),為特級風險源工程。4號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號線隧道與4號線隧道平面垂直相交(圖1、圖2),6號線區間隧道拱頂與既有4號線盾構區間結構仰拱凈距約2.613 m。

圖1 6號線隧道與4號線隧道平面關系示意

圖2 6號線隧道與4號線隧道剖面關系示意(單位：m)

2.2 水文、地質條件

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

6號線區間隧道位于圓礫-卵石⑦層中,拱頂上方10～50 cm存在一層粉質黏土⑥,厚度約80 cm。4號線區間隧道位于圓礫-卵石⑤層中。

區間共有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

區間下穿既有盾構區間段無重要市政管線影響施工。

2.4 沉降控制要求

根據《北京市軌道交通工程建設風險技術管理體系(實行)》,區間下穿既有軌道交通屬于特級環境風險源工程,尤其該區間采用礦山法施工下穿既有盾構區間在北京屬首例,既有4號線已經進入試運營階段,所以施工控制沉降要求比較嚴格。根據設計要求,區間施工期間既有4號線盾構區間累計沉降容許值為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—北區間采用上、下導洞臺階法施工,上導洞上臺階開挖預留核心土,區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,級配良好。為了保證開挖時既有4號線下方土體穩定，從而有效控制既有線結構的沉降,根據設計文件要求,區間正線開挖前采用WSS工法對區間正線上半斷面土體進行深孔注漿加固,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、特點及現場結合情況

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迫擠出,使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固結,達到改良土層性狀的目的,注漿工藝流程如圖4所示。注漿中,注漿達到一定壓力后,在注漿孔周圍會產生一定大小的泡體,隨著壓力的不斷增加,漿液泡體上方的土體會產生一個圓柱體,從而改良土體的物理指標。該工法具有如下特點。

圖4 WSS深孔注漿工藝流程

(1)采用特殊的端點監控器和二重管噴射方式,使注入系統設備簡單,具有很高的可靠性、經濟性。針對本區間砂卵石地層,施工過程中,通過端點監控器實時控制鉆孔角度,并結合二重管雙液漿注漿加固地層。

(2)可以進行一次、二次噴射切換,回路變換裝置容易實行,所以能實行復合噴射。現場實施過程中,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,然后采用雙液漿進行二次噴射。

(3)瞬結性一次噴射和浸透性二次噴射的復合比率,在土層改良時可以自由地設定,從黏性土、砂質土到地下水非常多的砂礫層,以及更加復雜的復合地層都可以適用。本次深孔注漿主要針對圓礫-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間長的浸透性漿材,可以用壓力噴射到均勻的土質顆料之間,這樣的操作方法可以減少對周圍建筑的影響。本次深孔注漿目的主要是加固6號線區間拱頂至既有4號線底板下范圍內的土體,通過該技術可有效控制漿液擴散范圍,減少對既有4號線結構的影響。

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

3.3 現場加固施工

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：搭設作業平臺→設置排水設施→鉆機就位→水平鉆孔→注漿→下循環鉆孔、注漿→注漿完畢→拆除腳手架、清理現場。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液由硫酸等化學外加劑和水組成。化學外加劑主要是調節漿液的可灌性和混合液的凝結時間,因此在施工現場中,外加劑的添加應根據現場的實際情況進行適當的調整。B液各成分放入攪拌機的順序依次為：水、化學外加劑,兩種漿液在注入之前必須攪拌均勻,并經常檢查混合后的漿液凝固時間是否適應現場施工環境,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 化學漿注漿材料配比

(1)布設注漿孔位：在保證深孔注漿效果、確保區間正線開挖時既有4號線安全的前提下,本著經濟合理的原則進行注漿孔的布置,環向間距約1 m,水平打設,梅花形布設,孔位布置見圖3。

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

圖5 作業平臺立面

(3)設置排水溝：為了做到文明施工,確保在鉆孔時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仰拱上用磚砌一道排水溝,寬度1 m,高30 cm,在東側出渣料斗平臺設置儲水桶,并將施工排出來的水用PVC管引流到儲水桶。儲水桶中設一30 m揚程水泵,由專人看守并及時將水抽入井上至洗車槽,避免橫通道被水浸泡。

(4)鉆機就位水平鉆孔：注漿孔采用水平鉆機打設,鉆機鉆桿可360°調整角度,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,鉆機左右調整好位置后,鉆孔前每個孔位水平向上調整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]分別壓入外管和內管,并在二重管的端頭混合室內混合,通過濾網在水平方向實行噴射,使漿材能浸透到地層中,注漿過程中嚴格控制注漿壓力不大于1.2 MPa并加強對既有4號線結構的監控量測,做到信息化施工。

(6)注漿參數控制與實際注漿：本次深孔注漿主要在卵石地層進行,注漿加固范圍為區間正線上半斷面,加固體體積約510 m3(單線),按0.6的孔隙率,設計注漿量約306 m3,設計注漿壓力小于1.5 MPa。現場實際終壓1.0～1.3 MPa,注漿量約350～359 m3,注漿損失約14%,加固區域注漿參數與實際對照見表2。

表2 加固區域注漿參數與實際對照

注漿效果檢測：注漿施工結束后,通過在注漿體內鉆孔,用壓水、注水或抽水等方法測定地基的流量及滲透系數,不合格的需進行補充注漿。檢查孔的數目約為總注漿孔數的5%～10%。

完成注漿施工后將鉆機移至下一孔位，循環進行下一孔位的鉆孔和注漿施工。

3.4 加固效果

區間正線下穿既有線段開挖施工以來,既有線結構累計沉降值為7.54 mm,最大沉降速率為0.7 mm/d,雙控指標均沒有超過設計容許值,有效地保證了區間隧道開挖施工時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日進行,根據圖7沉降曲線可以看出,在該段時間內沉降值為負值,既有線側墻結構為隆起狀態,可見深孔注漿對既有線結構起到了較好的抬升作用,為后期開挖的沉降控制創造了良好的條件。

圖7 下穿既有線施工沉降區間趨勢

4 結語

以城市地鐵礦山法施工區間隧道下穿既有軌道交通盾構區間特級風險源工程為背景，介紹了WSS深孔注漿工法在地層超前加固中的應用,礦山法區間近距離下穿既有盾構區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既有4號線的結構安全的破壞,保證了既有4號線結構安全和正常使用,同時也很好地保證了6號線區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能力,對于保證暗挖施工,控制沉降作用效果顯著,且具有可靠、經濟、環保、方法簡捷、操作簡單等特點,具有較好的發展前景,為今后的類似工程提供了寶貴的借鑒經驗。

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