盾構(gòu)近接鐵路掘進期斜坡及注漿加固措施研究

郭 軍

（中鐵十五局集團第五工程有限公司 天津 300000）

1 引言

隨著城市地鐵線路日益增多，地下軌道交通建設(shè)過程中面臨的施工難題也日益突出。地鐵建設(shè)屬于后建工程，在施工期間難免遇到近接既有結(jié)構(gòu)施工的工況，尤其是當(dāng)盾構(gòu)近接既有鐵路掘進時，若造成較大地面變形將會導(dǎo)致工程風(fēng)險。

李正濤等［1］基于監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與有限元分析，總結(jié)三洞近接鐵路路基施工關(guān)鍵技術(shù)，指出先掘進左線隧道、再掘進右線隧道，最后駛出入場線的施工次序有利于控制地表變形及隧道群間的相互干擾。蔡興瑞［2］指出注漿加固［3］不僅能夠減小鐵路道床與軌道的豎向變形，還能避免噴涌等事故發(fā)生，因此在減弱盾構(gòu)掘進對地層擾動、降低施工風(fēng)險等方面具有良好的應(yīng)用效果［4］。程國良等［5］根據(jù)嚴格的監(jiān)控指標(biāo)及控制措施，提出可靠的前期準(zhǔn)備方案。在富水砂性地層環(huán)境下，降低地層損失、增大隧道埋深、實施注漿加固等方案有助于控制地層及鐵路軌道沉降［6］。唐志輝［7］針對是否加固［8］、加固范圍等問題，作了深入分析與討論。即使對于無預(yù)加固，且存在列車荷載作用的最不利施工工況，趙太東［9］指出將注漿壓力控制在0.30 MPa及以上，可有效補償?shù)貙討?yīng)力損失、控制其塑性區(qū)的發(fā)展。

現(xiàn)有研究中，鮮有盾構(gòu)鄰近鐵路掘進期斜坡與注漿加固措施方面的研究。在地層加固措施方面，無收縮雙液注漿（WSS）工法具有改善地層抗剪強度的優(yōu)點，且不局限于復(fù)雜地層條件的限制，在諸多地基加固工程中均有體現(xiàn)。鑒于此，文本基于工程實際，將鐵路斜坡加固、WSS注漿與監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，詳細介紹施工步驟與流程，為類似工程提供有借鑒意義的經(jīng)驗及建議。

2 工程背景

如圖1所示，本工程施工的盾構(gòu)隧道近接正在運營的鐵路掘進（里程DK19＋810～DK19＋820）。隧道與鐵路凈距不足20 m，近接區(qū)域地層特性以塊狀強風(fēng)化花崗巖地層為主。考慮施工過程中運營鐵路的安全問題，在盾構(gòu)穿越鐵路時要嚴格控制鐵路部位地面的隆起和下沉［10］。經(jīng)過綜合考慮，決定在盾構(gòu)掘進期采取對鐵路下方進行加固、WSS工法注漿等措施。

圖1 隧道近接鐵路施工布置

3 近接掘進期斜坡加固措施

3.1 斜坡加固設(shè)計

經(jīng)過現(xiàn)場實地勘察和施工經(jīng)驗總結(jié)，決定在鐵路斜坡位置梅花形（垂直）布置半徑2.1 cm、間距0.8 m的鋼花管。注漿范圍為坡頂至坡底豎向約20 m，橫向約9 m，布設(shè)15×10排共150根鋼花管。坡底采用水平注漿方式支護，管長20 m，間距0.4 m，設(shè)置兩排管共44根，如圖2所示。

圖2 斜坡加固示意

3.2 斜坡加固施工

（1）定位放線

現(xiàn)場測量隊伍應(yīng)依據(jù)施工圖紙進行測量放線，保證每一根打入的鋼花管位置不超過誤差范圍。

（2）鋼花管制作及打設(shè)

如圖3a所示，鋼花管入土端加工成樁尖狀，鋼花管全長范圍內(nèi)設(shè)注漿孔，對向布置間距500 mm；如圖3b所示，斜坡位置用洛陽鏟打孔后將鋼花管插入，底部用鉆孔機打孔后將鋼花管插入。為保證鋼花管的完整性，在插入過程中旋轉(zhuǎn)鋼花管，通過兩種施力方式將其插入孔底。

圖3 現(xiàn)場加固設(shè)備

（3）注漿參數(shù)

注漿材料選用普通硅酸鹽水泥（42.5等級），水灰比約1∶1，設(shè)定的注漿壓力范圍為0.3～0.5 MPa，擴散半徑應(yīng)控制在1 m左右，注漿量每孔不超過1 m3。

（4）注漿施工

按照施工方案進行漿液配置，攪拌時間應(yīng)超過2 min。為防止串孔現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)按間隔注漿的順序施工；當(dāng)注漿壓力變化幅度過大時，宜停止施工，及時查明原因。具體操作時，應(yīng)綜合考慮孔口冒漿及注漿壓力兩項指標(biāo)，提前調(diào)制水泥砂漿，倘若初始注漿階段孔口冒漿，則應(yīng)快速用水泥砂漿封堵孔口，等漿液強度合格后方能繼續(xù)注漿。

4 近接掘進期注漿加固措施

4.1 WSS注漿工藝

為確保盾構(gòu)機在下穿鐵路時能夠正常掘進施工，在下穿前提前更換刀具。由于盾構(gòu)機停機位置選擇為上部巖石全風(fēng)化帶地段，地層相對穩(wěn)定，為了進一步降低檢查及換刀的風(fēng)險，項目部決定在洞內(nèi)采取WSS注漿加固方法。圖4a和圖4b分別給出了WSS工法注漿施工步驟及流程。

圖4 WSS注漿施工步驟及流程

具體施工時，首先在洞內(nèi)搭設(shè)支架，為注漿機提供一個作業(yè)平臺，在其上方鋪設(shè)走道板，見圖5a。平臺搭設(shè)完成經(jīng)檢查合格后，將注漿機移至平臺，通過盾構(gòu)機的超前注漿孔進行打孔，孔深為8 m，見圖5b。

圖5 WSS注漿施工工藝

4.2 WSS注漿機具與漿液特性

WSS注漿機械設(shè)備包括鉆機、高壓泵、攪拌機、流量器等；器具包括旋轉(zhuǎn)二重管、切換噴頭、旋噴液混合器等。

滲透性能較高注漿漿液分為三種類型，即超高強度型（CW-3A）、高強度型（CW-3B）、普通型（CW-3C）。表1和表2分別為無壓縮漿液的標(biāo)準(zhǔn)配比及性質(zhì)。

表1 無壓縮注漿液標(biāo)準(zhǔn)配比

表2 漿液性質(zhì)

作為注漿工藝關(guān)鍵參數(shù)，注漿壓力直接影響注漿效果。除了受地層條件限制外，注漿壓力的設(shè)定還應(yīng)綜合考慮漿液自身的黏度及凝結(jié)時間，具體方案為：

（1）根據(jù)測得的靜水壓力值，設(shè)定的注漿壓力可取2～3倍的靜水壓力值（不超過5倍）。

（2）根據(jù)注漿地層深度計算：

式中：P為設(shè)計注漿壓力（MPa）；H為注漿深度（m）；K為注漿壓力系數(shù)。

（3）本次在洞內(nèi)加固，地面覆土12～13 m，水平鉆孔約8 m。綜上所述，本工程中注漿壓力的取值范圍宜為0.3～0.35 MPa。

4.3 WSS注漿效果

（1）基于一定的注漿壓力，土顆粒間的水分被擠出，同時土顆粒間的間隙被注漿漿液及時填充，土體逐漸固結(jié)，達到改良土體的目的。

（2）注漿漿液與土體凝結(jié)后會增大地層的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，同時地層的透水性也會有所減弱。

（3）注漿加固后各層土體強度均有所提高，卵石層、細中砂層、黏土層的強度指標(biāo)分別為25～30 kg／cm2、15 ～ 20 kg／cm2、10 ～ 12 kg／cm2；止水系數(shù)達到10－7～10－8cm／s。

5 監(jiān)測分析

運營鐵路對地表變形及其敏感，相關(guān)單位對運營區(qū)域地表變形要求也極為嚴格，為了保證盾構(gòu)掘進期鐵路運營安全，需要針對該敏感區(qū)域制定監(jiān)控量測方案［11－13］。

5.1 監(jiān)測方案

以鐵路與隧道中心線交點為中心，向隧道前后每2 m布一個測點，兩側(cè)監(jiān)測點距隧道軸線4 m，左線和右線各布置15個沉降監(jiān)測點，以監(jiān)測盾構(gòu)下穿鐵路期間的沉降情況。圖6a和圖6b分別為左線和右線監(jiān)測點布置圖。

圖6 監(jiān)測點布置

基于鐵路運營要求，同時結(jié)合盾構(gòu)掘進特點，宜在開倉換刀前進行監(jiān)測點布置，及時記錄初始值。待進倉工作就緒、準(zhǔn)備帶壓施工時，需加密監(jiān)測，第一天的監(jiān)測頻率為每隔2 h監(jiān)測一次，后續(xù)的監(jiān)測頻率為每隔4 h監(jiān)測一次，保持該量測頻率直到作業(yè)結(jié)束，期間按時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)。在實際監(jiān)測中，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到控制基準(zhǔn)的70%時作為預(yù)警值；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達到控制基準(zhǔn)的80%時列入安全警戒狀態(tài)，需加密布置監(jiān)測點，做好防控工作，以防數(shù)據(jù)突變。

監(jiān)測結(jié)束后，需及時歸納總結(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用軟件進行計算，將監(jiān)測得到的沉降值、沉降速度等數(shù)值以圖、表形式展現(xiàn)出來，以反映監(jiān)測周期內(nèi)各參數(shù)的變化規(guī)律。

5.2 監(jiān)測結(jié)果

左線近接鐵路掘進期地表累計沉降監(jiān)測結(jié)果見圖7。15個地表監(jiān)測點均下沉，其中7號監(jiān)測點（Z7）沉降量最大，最大值約2.1 mm。

圖7 地表沉降監(jiān)測結(jié)果（左線）

右線近接鐵路掘進期地表累計沉降監(jiān)測結(jié)果見圖8。大部分地表監(jiān)測點出現(xiàn)負的沉降值（隆起），最大隆起量為5.0 mm（Y1測點）。近接施工結(jié)束后，15個監(jiān)測點均下沉，最大值約4.7 mm（Y2測點）。

圖8 地表沉降監(jiān)測結(jié)果（右線）

綜合上述左、右線盾構(gòu)穿越期間運營鐵路地表變形監(jiān)測曲線，后者變形最大值達到5 mm，超過業(yè)主規(guī)定范圍，這是由于初次穿越對盾構(gòu)掘進參數(shù)控制不準(zhǔn)確所造成，經(jīng)過兩天的調(diào)整試驗和摸索，后期為確保盾構(gòu)穿越順利進行，調(diào)整了注漿和盾構(gòu)掘進參數(shù)，順利下穿運營鐵路，后期變形最大值不足3 mm，滿足鐵路安全運營要求。

6 結(jié)束語

（1）斜坡加固過程中，鋼花管全長范圍內(nèi)設(shè)注漿孔，且入土端加工成樁尖狀；斜坡位置用洛陽鏟打孔后將鋼花管插入，底部用鉆孔機打孔后將鋼花管插入。

（2）本文介紹的WSS工法注漿施工步驟及施工流程，可使注漿漿液快速充填土體顆粒間的間隙并使其固結(jié)，增大地層的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，同時地層的透水性也會有所減弱，有效改良了土體。

（3）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，盾構(gòu)穿越運營鐵路時，通過調(diào)整注漿和盾構(gòu)掘進參數(shù)，確保了盾構(gòu)順利掘進及運營鐵路的安全，相應(yīng)的施工方案值得推廣應(yīng)用。