運營期地鐵聯絡通道融沉注漿治理技術

李增理， 王 煒

(中鐵電氣化局集團鐵路工程公司， 北京 100036)

運營期地鐵聯絡通道融沉注漿治理技術

李增理， 王 煒*

(中鐵電氣化局集團鐵路工程公司， 北京 100036)

為解決南京某地鐵凍結法施工聯絡通道運營期間發生的后融沉問題，從地層特性、施工工藝和外界環境等方面對融沉原因進行分析，地基軟弱、工序銜接不當、融沉注漿不足等是聯絡通道及附近隧道發生融沉與破壞的主要原因。提出融沉治理原則和工藝，采用“多點，均勻，少量，多次”的劈裂-擠密注漿方法對聯絡通道周圍地層加固，并在施工影響范圍內布置監測點對注漿效果實時監測。結果表明： 在劈裂-擠密注漿方法的基礎上，輔以地層排水能夠有效防止地層沉降，確保隧道結構穩定； 在注漿過程中，聯絡通道沉降可分為快速回落、穩定回落和穩定3階段，各階段的沉降速率和排水量都有鮮明的特點； 加固后隧道上行線最大隆起31.2 mm、下行線最大隆起29.8 mm，聯絡通道342 d沉降監測結果小于1 mm，表明隧道已處于穩定狀態,治理效果較好。

地鐵； 聯絡通道； 軟土； 凍結法； 融沉； 注漿加固

0 引言

對于地下水豐富的軟弱復雜地層，凍結法是一種有效的加固方法[1]，但在解凍及后期運營期間凍土融化發生體積收縮和固結變形(土體強度恢復過程)會導致土體沉降變形[2-5]。如果抗融沉注漿措施不到位，將危害地下結構和地下管線的正常使用，甚至會引起地面沉陷，對地表既有建(構)筑物造成破壞。一些學者對凍結法及其融沉沉降進行了研究。例如： 趙廷紅等[6]利用ANSYS軟件建立數值模型并進行人工水平凍結地表融沉規律的研究,總結出凍結壁厚度、隧道半徑、融沉系數與融沉量的關系，同時提出強制解凍、跟蹤注漿、減小凍結壁厚度以及融沉系數等融沉預控措施； 嚴晗等[7]對砂性土在反復凍融條件下的性能進行試驗研究，得出土顆粒之間的黏聚力會隨著凍融循環次數的增加而降低； 王效賓等[8]以某盾構區間端頭水平凍結加固為例，利用三維有限元分析人工凍土融沉引起的地層位移，總結出地表沉降的4個階段，并通過調整解凍和注漿加固方式有效控制與處理融沉問題； 李文勇等[9]結合某地鐵聯絡通道的融沉注漿施工實例，指出對凍結土體進行分區強制解凍融沉注漿是控制地表沉降的有效方法； 方江華等[10]對凍結過程中的凍結參數進行設計,確定凍結系統，采用結構壁后充填注漿和融沉補償注漿對地層融沉進行控制。已有研究多針對施工后的短期融沉問題，由于融沉影響的持續時間較長，對融沉引起的再次固結影響研究不足。本文以南京某地鐵聯絡通道融沉為例，對后融沉現象的原因及治理措施分析，以期為類似問題治理提供參考。

1 工程概況

南京某地鐵區間隧道內徑為5.5 m，管片厚度為350 mm，區間設置2座聯絡通道兼泵站，其中2#聯絡通道兼泵站長18 m，埋深約為17.5 m,斷面布置見圖1。該聯絡通道采用復合襯砌，臨時支護層和永久結構層之間設防水層，所處地層物理參數見表1。根據區間聯絡通道的特點及所處地層的特性，先采取凍結法加固土體，然后采用礦山暗挖法施工。

圖1 聯絡通道橫斷面(單位: mm)

層號土層名稱層深/m含水率/%孔隙比液性指數壓縮系數/(MPa-1)壓縮模量/MPa黏聚力/kPa內摩擦角/(°)②-2b4淤泥質粉質黏土1327.60.7740.990.296.888.1319.27②-2a3-4黏土5270.7650.970.257.5710.2821.88

2 聯絡通道破壞與融沉原因

2.1 破壞與沉降情況

在地鐵運營過程中，車輛通過2#聯絡通道附近時上下震動明顯。經檢查發現，靠近聯絡通道處的道床與隧道管片局部存在剝離，部分管片破損，主要為內層保護層剝落，破損位置基本在管片接縫附近，深度不大，未發現露筋現象。經過連續沉降觀測，發現聯絡通道和附近隧道15 d累計沉降值為3.0～4.3 mm，聯絡通道處正線隧道累計沉降量最大，遠離聯絡通道處正線隧道累計沉降量較小，距離聯絡通道18 m處隧道未發現沉降。此時，距聯絡通道抗融沉注漿結束已經9個月。

2.2 原因分析

通過現場踏勘和對沉降數據分析，總結出以下沉降原因： 1)該聯絡通道位于軟塑、流塑狀態的淤泥質粉質黏土中，地層條件較差。2)由于工期緊張，聯絡通道融沉未處理完全即施工道床，造成道床施工和運營期間融沉仍在繼續。3)由于聯絡通道位于隧道線路標高最低處，隧道管片壁后又存在滲流通道，地下水沿該通道匯集于聯絡通道及泵房結構外圍，使其周圍地層含水率較大，聯絡通道及泵房結構壁后存在少量水囊，形成“蓄水池效應”。在注漿開孔過程中，花管發生大量噴涌，表明水壓力較高，也驗證了該推測。4) 該種地層抗融沉注漿是一個長期的過程，凍結后的土體恢復原狀土周期長，這在長江漫灘區域是共性問題。5) 因冷凍施工經驗不足，融沉注漿與復雜的凍融過程存在不協調性，注漿量無法及時補償凍土全部融化后產生的體積變化，土體固結后沉降過大導致聯絡通道處道床與隧道管片剝離及部分管片破損。

3 治理原則及內容

3.1 治理原則及工藝流程

為解決該聯絡通道的融沉問題，對聯絡通道現場實際情況、融沉注漿機制及可注性進行分析，提出以下治理原則： 1)在管片背后進行填充式注漿，對隧道腰部壁后松散土體進行加固，確保主線隧道標高基本穩定。對聯絡通道中心左右各15環進行壁后充填注漿，漿液為水泥-水玻璃雙液漿。2)對泵房和聯絡通道基底進行劈裂式注漿，提高其地基承載力，并適當抬升聯絡通道以補償融沉量。3)施工過程中進行動態實時監測，總結分析隧道隆降和管片收斂情況，根據隆降數據調整注漿參數和工藝。

注漿施工流程見圖2。

圖2 注漿工藝流程

3.2 施工工藝及參數

注漿遵循“多點，均勻，少量，多次”的原則，注漿完成后對管路進行沖洗，可用于反復注漿； 不注漿時，可以自由排水。起始注漿壓力控制在0.4 MPa以內，正常注漿壓力為0.3 MPa(覆土壓力)，最大注漿壓力為0.4 MPa。單孔注漿以最大注漿壓力和設計單次注漿量作為注漿結束標準，即達到設計注漿量或達到最大注漿壓力后，立即暫停注漿。注漿施工選擇在地鐵停運期間，即23:00至次日04:00。

3.3 漿液配置

采用雙液漿，水泥漿與水玻璃溶液體積比為1∶1，水泥漿水灰比為0.8～1.0，水玻璃溶液采用(35～40)°Bé水玻璃加水稀釋，水泥采用42.5水泥，水玻璃模數為 3.2。雙液漿的初凝時間應根據施工需要調整，初凝時間太長，漿液在土中擴散范圍大； 初凝時間太短，漿液在土中擴散范圍小。初凝時間為15～20 s時，擴散范圍理想，影響區域半徑為8 m。

3.4 注漿孔布置及注漿原則

綜合地質水文因素及聯絡通道現場勘查情況，在聯絡通道中心左右各15環及聯絡通道范圍內進行注漿，注漿點位為道床以上、腰部以下管片吊裝孔及聯絡通道內，聯絡通道內注漿孔布置見圖3。若單孔注漿量過大，容易造成隧道局部發生較大的變形，使相鄰管片之間產生較大的相對位移，進而引發混凝土開裂等形式的破壞。在注漿過程中，應均勻布置注漿孔，并采用隔孔左右對稱壓注法。根據監測情況對同一注漿孔進行多次補充注漿，每孔單次注漿量不宜超過 1 m3，以避免發生較大錯臺和混凝土結構破壞。

3.5 監測點布置

在注漿過程中，對施工影響范圍內的隧道實時垂直線型、斷面凈空收斂和軌面標高進行監測。注漿結束后，對隧道進行長期觀測。沉降監測點布置于隧道拱頂、腰部及道床兩側，見圖4。根據南京河西地區軟土地基沉降經驗和慣例，運營地鐵隧道15 d的累計沉降值小于1.0 mm即判定隧道穩定。

圖3 聯絡通道內注漿孔布置(單位： mm)

圖4 沉降監測點布置平面圖

4 注漿隆降分析

本次注漿加固治理施工時間為74 d，注漿總量約100 m3。通過壁后注漿，聯絡通道及附近管片普遍發生抬升，其中隧道上行線最大隆起31.2 mm、下行線最大隆起29.8 mm，注漿效果顯著。聯絡通道處正線隧道抬升量最大，隨著與聯絡通道距離的增加，隧道抬升量逐漸減小，呈現出如圖5所示的拋物線形狀。

施工過程中，由于注漿的間斷性和軟弱地層沉降的共同作用，造成隧道沉降與起伏。為更好地研究注漿、排水與隧道隆降關系，選取典型監測點L1進行觀測。結合現場監測數據，繪制該監測點沉降累計變化曲線(見圖6)，并總結出聯絡通道沉降期的3個階段： 1)第1階段為快速回落階段，該階段為注漿過程產生的沉降累計變化。回落幅度占總沉降量的88%，持續時間為13 d。該階段沉降的主要原因是漿液凝固收縮和土體壓縮變形，土中自由水快速排出，流速為150 mL/min，孔隙水壓力快速消散。2)第2階段為穩定回落階段，本階段為自然沉降累計變化。回落幅度占總沉降量的12%，持續時間約為10 d。該階段沉降的主要原因是土體顆粒在自重應力、上覆荷載及列車運營荷載等作用下重新排列固結，流速為20 mL/min，殘余孔隙水壓力緩慢消散。3)第3階段為穩定階段，本階段為自然沉降累計變化。該階段的沉降量非常小，短時間內幾乎無變化。土體進入長期的固結狀態中，附加孔隙水壓力基本消散完全，這是一個漫長的過程，并且對聯絡通道的沉降影響微乎其微，可以看作穩定階段。

圖5 注漿期間上行線隧道沉降變化曲線

圖6 聯絡通道典型測點累計沉降變化曲線(2015年)

Fig. 6 Curve of accumulated settlement of typical monitoring points in 2015

5 治理成果

注漿加固改善了聯絡通道和泵房周圍土體物理狀態，鉆孔取出的土樣為可塑-硬塑狀態，土層中有清晰的漿脈，消除了聯絡通道附近的“蓄水池效應”，探孔沒有自由水繼續流出； 聯絡通道及附近融沉影響內隧道整體隆起； 典型監測點342 d的持續監測結果顯示，上行線L1沉降量為0.4 mm,下行線L2沉隆量為0.7 mm，后期運營過程中隧道未發生異常情況，表明聯絡通道已處于穩定狀態。

6 結論與討論

1)采用水泥-水玻璃雙液漿材料，以擠密-劈裂式注漿加固能夠有效阻止地層沉降，此注漿方法在軟弱的淤泥質粉質黏土中可以使隧道抬升30 mm以上。

2)沉降量快速回落階段是孔隙水排出量最大的階段，注漿加固輔助排水方法能加快土體固結速度。注漿加固與排水綜合治理冷凍融沉效果明顯，能快速提高隧道地基承載力，聯絡通道342 d的沉降監測結果小于1 mm，表明聯絡通道已處于穩定狀態。

3)在軟弱淤泥質粉質黏土中采用冷凍法施工時，需要進一步研究冷凍前隧道地基加固設計的必要性。此外，地層排水方法在注漿與排水綜合治理融沉中的貢獻量也有待進一步研究。

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Grouting Technology for Thaw Settlement of Metro Cross Passage during Operation Period

LI Zengli, WANG Wei*

(ChinaRailwayElectrificationBureauGroupRailwayEngineeringCompany,Beijing100036,China)

The thaw settlement occurs in cross passage of a metro in Nanjing constructed by freezing method during operation period. The causes for the thaw settlement, i. e. soft ground, irrational procedure connection and insufficient thaw settlement grouting, are analyzed in terms of ground characteristics, construction technology and environment factors. The thaw treating principle and technology of splitting-compaction grouting are adopted to reinforce the surrounding ground of cross passage, and grouting effect monitoring points are arranged within construction influencing scope. The results show that: 1) The thaw settlement can be effectively controlled by supplemented ground drainage on the basis of splitting-compaction grouting. 2) The settlement of cross passage during grouting can be divided into 3 phases, i. e. fast slowing down period, low slowing down period and stable period; the settlement rates and drainage volumes of every period are distinctive. 3)The maximum rising height of upline and downline of separated tunnels is 31.2 mm and 29.8 mm respectively; and the settlement of cross passage 342 days after grouting is less than 1 mm which indicates the rationality and feasibility of the grouting method.

metro; cross passage; soft soil; freezing method; thaw settlement; grouting reinforcement

2017-04-14;

2017-07-09

李增理(1964—)，男，陜西寶雞人，1988年畢業于蘭州鐵道學院，鐵道工程專業，本科，高級工程師，主要從事地鐵工程、鐵路工程的施工管理與技術管理工作。E-mail: LK710605930@163.com。*通信作者： 王煒， E-mail: Huoer_go@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.018

U 455.49

B

1672-741X(2017)08-1032-05