大直徑盾構近接既有結構隔離循環保壓注漿加固技術

房新勝

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇南京 211800)

在城市高速發展的當下，城市過多的地上空間被占用，現有的地上空間已經不能滿足人們的正常生活需求，故而越來越多高鐵線路的修建選擇地下隧道的方案[2]。由于城市道路復雜、地鐵線路網分布廣、地面建筑物密集，在隧道的建設過程中不可避免的需要穿越既有運營地鐵線路進行施工。新建線路在施工時會上跨下穿既有線路隧道及地下建筑物，穿越既有線路時的防護顯得尤為重要[3]。要防止地層損失及地鐵結構變形，保證既有線的運營能力，不受新建線路施工時的影響[4]。

目前，在盾構隧道穿越既有運營地鐵線路及沉降控制方面國內外已采取了眾多施工防范措施，如克泥效技術、加強沉降監測與反饋、采用加固方法處理、錨桿-框格梁加固等[5]。文一鳴等[6]以成都地鐵4號線工程為依托，針對盾構下穿既有建筑物及鐵路等建筑物情況，提出了盾構下穿施工的步進法。朱小龍[7]通過數值模擬計算,分析出盾構下穿鐵路過程中地表沉降的規律，并提出有效控制地表沉降的安全措施。張珣[8]使用FLAC3D建立數值計算模型對盾構下穿既有構筑物進行計算并給出了施工加固措施。劉曉強等[9]通過能量方法建立變分控制方程，提出了求解隧道穿越地下管線豎向位移的能量變分解法。呂培林等[10]對隧道下穿鐵路的施工期及其后續階段的線路沉降進行了觀測，發現了總沉降量幾乎由后續沉降階段決定。孫長軍等[11]應用隨機介質理論對隧道施工所引起的縱向地層移動與變形進行了分析推導了相應的計算公式。

采用合理、經濟的穿越特級既有運營地鐵線路施工措施，分析其在具體工程中的可靠性與適用性，具有重要的技術和經濟意義[12]。為了解決這一問題，依托京張高鐵清華園隧道項目，探索形成了穿越特級既有運營地鐵線路循環保壓注漿施工技術。

1 工程概況

京張鐵路清華園隧道下穿既有地鐵10號線，清華園隧道從知春路地鐵站西側區間段下穿。下穿平面示意如圖1所示。橫斷面及縱斷面如圖2、圖3所示。

圖1 清華園隧道下穿10號線及知春路地鐵站平面示意

圖2 清華園隧道下穿10號線左、右線橫斷面

1.1 工程重難點

1.1.1 沉降及變形控制要求高

盾構掘進過程中不可避免地會產生地面沉降并且會對地層有一定程度的擾動。對于下穿既有地鐵線路的情況，這樣的擾動和沉降必須嚴格控制以防止對既有線路的干擾對生命財產安全造成巨大的影響。對于隧道本身而言，過大的沉降和變形也會產生一系列不利影響，隧道襯砌承受圍巖壓力，過大的變形使襯砌產生裂縫，裂縫發展進而產生滲漏水的危害，更有甚至直接影響到結構本身的耐久性，致使結構破壞，因此沉降及變形控制是工程的難點之一。

1.1.2 地面加固難度大

傳統的地面加固方式多是以地表注漿為主，這樣的措施用于加固下穿既有鐵路線路的情況存在處理范圍難以控制、處理效果難以準確評估等問題，難以滿足沉降及變形的高精度要求。

1.1.3 既有地鐵線路行車狀況影響多

下穿既有地鐵線路為北京地鐵10號線，地鐵線路發車間隔短、載重大，這些行車狀況會對盾構施工造成較大影響。

1.2 問題簡介

上述的工程難點，主要在于地表沉降和變形控制。這樣的問題可以通過新型的注漿技術加以解決，傳統的方法已不能滿足工程穿越既有地鐵線路的需要，因此一種新型的注漿工法成了亟待解決問題的關鍵。

2 循環保壓注漿技術介紹

2.1 注漿原理及特點

循環保壓注漿技術是在維持注漿壓力的基礎上，使泥漿在環流系統內實現循環流動。進而實現壓力循環，漿液被消耗并滲透到需要加固的土體之間。采取循環保壓注漿可以保證長時間進行有效注漿，實現對盾構穿越既有運營地鐵線路處地層及土體進行加固補強。

本技術一大特點在于注漿時的壓力大小可以根據工況情況進行相應的調整。采用循環保壓注漿可以防止普通壓力注漿漿液消耗量小、可注性變差等現象，隨著漿液的循環，適當加入新漿，就能使漿液的可注性不發生降低，同時漿液具有良好的流動性；在注漿過程中，可按工程實際情況調節漿液稠度，漿液一般由稀逐漸加稠。本技術適應于漿液吸收量小的情況，當漿液吸收量極少，由于漿液始終在系統內循環，伴隨時間的持續流動，漿液仍舊會被不斷地消耗掉，并且逐漸滲入土體。本技術同時適應于漿液吸收量陡然減少、壓力瞬間增大的情況，出現此情況時，可以將濃度較低的漿液輸入循環系統以達到置換目的，使得注漿操作穩步推進。

本技術適用范圍廣，適用于地鐵隧道、鐵路隧道、綜合管廊等盾構隧道下穿既有運營地鐵線路施工過程。

2.2 施工工藝流程及操作要點

循環保壓注漿技術的施工工藝流程如圖4所示，豎井開挖后進行水平鉆孔，然后對隧道與風險源之間土體進行袖閥管注漿，注漿完畢后再實施循環保壓注漿，之后地層加固工作完成。在盾構機下穿風險源時，要依據監測結果及時調整保壓循環注漿壓力，達到盾構穿越過程中控制地層變形的目的。

圖4 施工流程

2.2.1 監控量測

施工前在既有地鐵線路上下行區間安裝精密靜力式水準儀，提前收集相關監測信息，施工過程中實時收集監測數據并上傳系統，實現云端實時查看監測數據，確保信息溝通順暢。靜力水準儀安裝如圖5所示。

圖5 靜力式水準儀安裝

2.2.2 袖閥管成孔

2.2.2.1 材料選用及加工

袖閥管材料選用φ50 mm無縫鋼管，人工在鋼管上鉆孔，間距0.3 m，并用膠帶將孔封好，接頭采用套絲連接，增加連接強度，采用鋼花管不僅可以降低橫向鉆孔的撓度，還可以在注漿完成后對地層起到管棚加固作用。

2.2.2.2 布孔方式

豎井內施做封堵墻，在風險源防護方向導洞初支側壁上布置注漿孔，注漿孔設置在井壁上，間距為0.36 m×0.6 m(水平×豎向)梅花形布置。袖閥管在盾構隧道與既有地鐵線路之間的土體當中呈扇形，對2個結構進行隔離。袖閥管打設長度視風險源范圍確定(圖6、圖7)。

圖6 豎井掌子面鉆孔布孔

2.2.2.3 袖閥管注漿加固、循環保壓注漿

(1)盾構穿越前注漿施工。在既有運營地鐵線路結構下方進行注漿加固防護，粉質黏土層采用0.75∶1水泥漿，在卵石土層采用1∶1水泥-水玻璃漿雙液漿，采用鋼花管進行注漿，以填充、滲透和擠密等方式，替代和填充砂層、卵石和黏土間的水份和氣體，使土體抗變形能力增加，提高了變形模量，從而加固土體(圖8)。

圖8 袖閥管注漿流程示意

袖閥管注漿分段長度為33 cm，使用100 cm規格的雙向皮碗式止漿塞。上層第二排注漿管停止注漿，采用低壓低速進行填充袖閥管外壁與地層間空隙，孔口注漿壓力不大于0.05 MPa，注漿材料采用0.75∶1水泥漿。第二排注漿完成后將袖閥管進行洗孔，達到可以再次注漿的條件，以便盾構通過時進行保壓循環注漿。上層第一排及下層袖閥管采用低壓低速進行注漿填充，孔口注漿壓力采用不大于0.3 MPa，注漿材料根據地層選擇采用0.75∶1水泥漿和1∶1水泥-水玻璃雙液漿。施工中發現個別注漿孔的注漿壓力不上升現象時，可以改變漿液的配比和原材料，并采取反復注漿措施，實現可控域注漿，同時需要滿足加固厚度的要求。注漿時宜間隔進行注漿，可按先施作奇數孔，后施作偶數孔的原則進行。由于注漿室空間相對狹小，施工時必須加強通風措施，保證作業人員的安全及注漿的連續性。注漿完成后φ50 mm鋼袖閥管留在地層中，對地層起到管棚加固作用。地層加固注漿應在盾構到達前3天完成，保證注漿材料凝結完成，達到設計強度。注漿前需安裝壓力表和流量表，嚴格控制壓力及流量，以免注漿壓力過大破壞地層彈性極限。

注漿時需安排人員進入既有地鐵運營區間內進行查看，若有發現漏漿或漏水現象，及時聯系注漿人員停止注漿；并注意查看實時監測數據，發現若有監測數據異常應立即停止注漿。

正式注漿工程結束后，必須對注漿效果進行檢查，要求檢測孔取芯率達到60%以上，芯樣抗壓強度達到5 MPa。如有檢測孔檢驗達不到要求，應將檢查孔作為補充注漿孔補充注漿，并重新補設檢查孔至檢查合格。

達到設計的終止壓力且穩定10 min，同時進漿速度為開始速度的1/4或注漿量達到設計注漿量的80%，可以結束單孔注漿。如在注漿過程中出現冒漿，可提前停止注漿，如不能達到可多次注漿。

(2)盾構穿越過程循環保壓注漿。當盾構機掌子面距離既有運營地鐵線路20 m時，開始實施保壓循環注漿，漿液采用超細水泥。當盾構機尾部通過既有地鐵線路20 m遠，并且既有地鐵線路區間豎向變形小于0.1 mm/d后，可停止保壓循環注漿。

在第二排每個袖閥管內預埋注漿管和排漿管，管口設止漿塞。

注漿管設壓力傳感器、流量計控制注漿壓力和注漿量，連接注漿泵；排漿管設壓力溢流閥連接儲漿罐。

當盾構機掌子面距離既有運營地鐵線路20 m時，需要開啟注漿泵逐步提升壓力，排漿管溢流閥設定壓力不大于0.2 MPa，待排漿管有漿液流出建立起壓力循環為止。

盾構穿越期間嚴格崗位制度，時刻觀察壓力表和排漿量。

注漿過程中應加強對既有運營地鐵線路結構的監測工作，根據測量結果，及時對比、調整注漿參數。當某一孔位附近監測點隆起達到0.2 mm，立即停止注漿，如監測數據無進一步變化趨勢，再恢復注漿。

(3)盾構穿越后穩固封堵。為避免因水泥漿液固結產生的收縮影響地層再次出現沉降變形，確保盾構穿越后沉降變形穩定，應在停止循環保壓后，對注漿管進行低壓清水沖洗，確保袖閥管內不堵塞。然后持續關注監測數據，盾構穿越后7天內，若地鐵構筑物下方地層再次出現豎向變形大于0.1 mm/天，則利用袖閥管進行定點穩固注漿，采取低壓、少量、多次穩步注漿，使沉降變形降至±0數值，然后封堵袖閥管口；若7天內無較大沉降變形，可直接注漿封堵袖閥管。

3 工程應用效果

本次施工采用的豎井及橫通道注漿加固方法既能近距離加固地層，保證注漿效果，留在地層中的鋼花管又能起到管棚支護的效果，對既有線路的保護起到雙層作用。采用該施工技術注漿加固后，滿足盾構機下穿地鐵10號線的條件，在穿越同時進行自動化監測，監測數據在規范正常范圍內，注漿加固措施對穿越地鐵10號線起到明顯效果，最終沉降值僅為0.8 mm，此外本施工技術還具有一些效益。

3.1 安全效益

采用本施工技術，減小了對風險源注漿加固防護過程中，因注漿壓力難以控制造成的地面及地下既有構筑物的不良影響。采取循環保壓注漿可以保證長時間進行有效注漿，實現對盾構穿越既有構筑物地層及土體進行加固補強。并且在盾構穿越特級風險源過程中，能夠快速準確的對施工造成的地層沉降進行補充注漿，確保了既有結構在施工期間的正常安全使用，減少因施工造成對社會安全的不良影響。

3.2 經濟效益

該技術通過在保持一定注漿壓力的基礎上，讓泥漿在注漿管、排漿管、注漿孔與漿液存儲桶之間實現循環流動。進而實現壓力循環，漿液逐漸消耗，相對均勻地滲透到所需加固的土體之間，減少了傳統注漿工藝當中漿液浪費。

3.3 智能化運用

循環保壓注漿采用注漿壓力表、流量計、壓力溢流閥等電氣元件，達到了自動供料防止漿液凝結浪費的目的。能實現安全系數高、施工質量好、施工進度快、施工成本低等效益相結合，并且節能環保，體現了綠色施工思想。

4 結論

(1)結合京張城際鐵路清華園隧道下穿北京地鐵10號線工程，介紹了大直徑盾構近接地下建筑物隔離循環保壓注漿加固技術。

(2)循環保壓注漿加固技術通過在保持一定注漿壓力的基礎上，讓泥漿在注漿管、排漿管、注漿孔與漿液存儲桶之間實現循環流動，因此實現了壓力循環，漿液被消耗并滲入待加固的土體之間。采取循環保壓注漿可以保證長時間進行有效注漿，實現對盾構穿越既有運營地鐵線路處地層及土體進行加固補強，在實際工程應用中具有良好的安全效益和經濟效益。

(3)本技術一大特點在于注漿時的壓力大小可以根據工況情況進行相應的調整。采用循環保壓注漿可以防止普通壓力注漿漿液消耗量小、可注性變差等現象，隨著漿液的循環，適當加入新漿，就能使漿液的可注性不發生降低，同時漿液具有良好的流動性。