克泥效控制沉降工法在盾構穿越棚戶區施工中的應用

楊箭亮 張進科 剌寶成

摘 要：盾構長距離、大坡度穿越淺基礎、無基礎棚戶區房屋施工時，如何控制房屋基礎及周邊地表沉降至關重要。通過在盾構殼體外同步注入克泥效輔助材料，盾構通過時有效的控制建構筑物的沉降量。本文以哈爾濱市軌道交通3號線二期工程出入段線區間盾構長距離（910米）穿越棚戶區房屋施工為例，介紹克泥效輔助材料在本項目施工中的應用及控制沉降的效果。

關鍵詞：地鐵；盾構；克泥效；注漿；沉降控制

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0085-03

1 工程概況

哈爾濱市軌道交通3號線二期工程出入段線盾構區間隧道設計為單洞單線雙線隧道。區間隧道采用中交天和2臺土壓平衡盾構機施工。盾構由明挖區間端頭井始發下穿淺覆土段，下穿既有紅黎街道路到達棚戶區，長距離穿越棚戶區及信義溝河道，穿越既有鐵路橋進入安通街，沿安通街道路敷設，最終由盾構1#、2#接收井接收。盾構區間左線起始里程為出DK0+983.945～DK2+684.929，隧道全長1703.065m（含長短鏈），盾構區間右線起始里程為入DK0+843.950～DK2+685.062，全長1841.112m。

盾構區間從DK1+500-DK2+410段下穿棚戶區，共計長度910米。（圖1所示）覆土為2.3米～23米。棚戶區房屋主要為淺埋條基或無基礎搭建，1-3層不等、房屋基礎差、房屋修建時代較早，從外觀查看房屋不同程度均存在裂縫。共計排查了256間房屋，其中盾構正穿176間，側穿房屋80間，地下室及高壓線支架共計12處。正穿、側穿下水井及地窖（埋深5米以內）總計9處。

2 水文地質

盾構下穿棚戶區以信義溝河道為界進行闡述：里程DK2+019-DK2+410（391米、信義溝河道以東）段區間埋深2.3米-7.5米，詳勘資料揭示，隧道穿越地層主要為4-2、5-1可塑性粉質粘土，地表存在約1.7米-2.5米厚，以建筑垃圾為主的1-1雜填土。DK1+500- DK2+019（519米、信義溝河道以西）段區間埋深7.5米-22.5米，詳勘資料揭示，隧道穿越地層主要為5-1可塑性粉質粘土，地表存在2.2米-2.7米厚以建筑垃圾為主的1-1雜填土。

3 地表及地表結構物變形控制指標

盾構下穿棚戶區房屋過程中，要使地表及房屋基礎不出現沉降、變形很難做到，關鍵在于如何將沉降變形值控制在容許范圍內，因此必須根據實際情況確定相應的變形值控制指標，采取相應措施減小沉降速率，控制沉降累計量，避免沉降超過允許范圍。

依據設計圖紙監控數據要求，盾構穿越棚戶區試驗段監測數據及常規監測儀器的監測精度，確定了盾構下穿棚戶區的變形控制指標（見表1所示），并將控制值的80%作為監控量測預警值。

4 控制盾體上方地表、建筑物基礎沉降的方法

盾構掘進過程中，隧道沉降一般分為5個階段，早期下沉，挖掘面下沉，通過時下沉，盾尾間隙處下沉，后續下沉，如圖2所示。

盾構施工過程中，掘進掌子面及掌子面前方地表出現下沉時，在繼續掘進的同時，加強地表監測頻次，適當提高土倉壓力，控制每環出渣量，如有異常及時分析原因，同步注漿、二次注漿及時跟進。盾尾間隙處下沉在掘進過程中可通過同步注漿解決；盾構掘進完成后后續下沉可通過二次注漿或通過成型管片吊裝孔采用小導管注漿加固措施控制沉降。而盾構通過時沉降主要是由于地層損失引起的，本項目土壓平衡盾構機刀盤直徑6.27米，盾體直徑6.24米，盾構掘進過程中，盾體與土體之間存在3厘米的空隙（見圖3所示），每掘進1環（1.2米管片），盾體周邊理論產生空隙為：（6.27×6.27-6.24×6.24）×3.14÷4×1.2=0.35方。

盾構掘進通過過程中，由于自重，下部空隙遠遠小于上部空隙，及時對此空隙進行填充，有效減小地層沉降，保證地面建筑物安全。項目部邀請專家對下穿棚戶區專項方案進行論證，根據專家意見及其它地鐵軌道工程類似施工經驗，采用新型材料“克泥效”，在盾構通過時解決地層沉降問題。

5 克泥效工法

5.1 克泥效簡介

克泥效是由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑構成。克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強調整劑（即水玻璃）兩種液體分別以配管壓送到指定位置，再將此兩種液體以適當比例混合成高黏度塑性膠化體后，再通過徑向孔注入的一種新型工法。混合后的流動塑性膠化體不易受水稀釋，且其黏性也不隨時間而變化。

5.2 克泥效配合比

（1）原材料。克泥效：福建中天交通工程技術服務有限公司；水玻璃：哈爾濱魯泰新材料有限公司。（2）指標要求。詳見表2所示。（3）試驗配合比。克泥效工法采用A、B液，A液為克泥效與水混合的混合液，B液為水玻璃。根據克泥效、水、水玻璃三種摻入量不同做三組試驗，通過對不同配比混合液攪拌時間進行記錄，對同重量巖石在不同配比混合液中的沉陷量進行分析總結（見圖4，圖5所示），結合巖石沉降量、抗水試驗、經濟效益配合比選擇，確定選用混合液配合比為克泥效（kg）：水（L）：水玻璃（L）=400：846：50。

5.3 克泥效設備配置

中交天和盾構機在前盾及中盾部位上部設置有4個徑向注漿孔，下部設置2個徑向注漿孔，主要用于克泥效及其它新型材料注入，達到控制盾體上方土體沉降的目的。根據克泥效注入要求，盾構機配備一套變頻控制的軟管擠壓泵，克泥效、水混合液攪拌器、水玻璃存儲器、電子流量計配套安裝，整部設備安裝在盾構6號臺車，通過注漿軟管在盾構機掘進過程中對盾體部位空隙同步注入克泥效漿液，填充空隙。為使注入效果達到最佳，本項目克泥效注入孔位選擇中盾上部11點位和1點位兩個徑向注漿孔。如圖6圖例所示。

5.4 克泥效施工工藝

5.4.1 克泥效施工工藝流程

克泥效施工工藝流程圖7所示。

5.4.2 克泥效施工注意事項

（1）根據理論計算，每環注入克泥效漿液為0.35m3，考慮土體滲透及注入過程中損失，考慮1.35倍的注入系數，實際注漿量為0.47m3。（2）克泥效注入時間要與盾構機掘進時間相匹配，同步實施，根據盾構掘進時間統計分析，正常情況下完成1環掘進時間約為35分鐘，因此克泥效注入時間應與掘進時間同步實施。（3）在盾構穿越棚戶區施工過程中，每4小時測量一次，地面監控量測數據要及時分析上傳，根據數據分析確定是否調整克泥效漿液注入壓力及注入量。（4）克泥效施工工法雖然以注入量控制為主，但根據現場實際情況，多次施工經驗總結，克泥效注入壓力宜控制在0.2～0.3MPa之間，注入壓力過大，盾構機處于大下坡位置掘進施工，易流入刀盤位置，造成材料損耗過大。注入壓力過小，逐漸設備位于6號臺車，距離注入徑向孔約70米，克泥效漿液注入效果不佳。

6 克泥效在本項目使用效果分析

以右線區間監測點位JGC-32、JGC-32-1、JGC-36為例說明（見圖8所示）：盾構通過過程中，盾構區間右線440～451環掘進過程中，正穿棚戶區房屋，在未使用克泥效的情況下，地層沉降變化速率、預警值均超出限值，最大沉降達到9.47mm，房屋老舊裂縫出現擴大趨勢。通過監測數據紅色預警會分析，沉降為盾體通過時空隙未及時填充引起。

在右線盾構后續掘進過程中，同步注入克泥效漿液，以460環～470環三個監測點位JGC-48、JGC-48-1、JGC-52為例進行說明（見圖9所示）。

盾構掘進過程中，及時注入克泥效漿液，填充了盾體與土體之間的空隙，根據監測數據分析，三個監測點位的沉降均控制在了2mm之內，有效控制了盾體上方土體沉降變形，為后續管片壁后注漿加固贏得時間。對地表房屋進行監測，老舊裂縫無擴張現象，房屋傾斜度無明顯變化。同時將監控量測數據也控制在預警值范圍內。使用克泥效材料控制盾體上方沉降效果顯著。（見圖10所示）。

7 結語

通過哈爾濱市軌道交通3號線出入段線盾構機穿越棚戶區施工，對采用克泥效施工段及未采用克泥效施工段沉降數據進行分析對比，使用克泥效漿液能夠有效控制盾構機通過時盾體上方土體沉降，在盾構穿越棚戶區復雜情況下起到了至關重要的作用，目前左右線均在進行盾構機穿越棚戶區施工，進展順利，為下一步盾構機穿越鐵路橋一級風險源沉降控制提供了參考依據。另外根據克泥效的特點針對盾構機小半徑曲線（曲線半徑300m）掘進對超挖部分如何填充進行研究，在盾構區間小半徑（曲線半徑300m）掘進時同步注入克泥效漿液使小半徑曲線盾構掘進能夠順利進行。此次克泥效工法在本項目成功運用，對后續地鐵建設中的類似盾構穿越建、構筑物施工具有非常重要的借鑒意義。