克泥效輔助盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物施工技術(shù)

郝風(fēng)光

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350）

城市軌道交通多修建在城市的繁華地帶，在軌道交通線路規(guī)劃時(shí)不可避免的下穿各類建（構(gòu)）筑物、既有管線之間相互穿越等復(fù)雜的施工情況[1-3]。隨著穿越工程的增多及穿越間距的縮短，要求施工時(shí)必須采取措施控制、減小施工對(duì)既有建筑物和管線的不利影響，保護(hù)其正常使用及安全[4]。由盾構(gòu)機(jī)本身的構(gòu)造可知，盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)，能填充盾尾外殼脫出管片之后的環(huán)形空隙，抵抗圍巖變形。為了減少盾體和土體的摩擦，盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑一般大于盾體5 cm，如此以來，在盾構(gòu)機(jī)盾體范圍內(nèi)和土層之間就存在一個(gè)環(huán)形構(gòu)造空隙。在穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源或者地表變形指標(biāo)較為嚴(yán)格的情況下，若不有效填充其本身的構(gòu)造空隙，勢必會(huì)引起該部分土體的應(yīng)力釋放，造成地表變形增大[5-7]。如何控制盾體上方的土體沉降，保證建（構(gòu)）筑物安全，成為在穿越工程中亟待解決的問題[8]。

1 工程概況

1.1 依托工程

鄭州地鐵5號(hào)線土建05標(biāo)，農(nóng)業(yè)東路站至心怡路站左線盾構(gòu)區(qū)間下穿鄭和小區(qū)1號(hào)樓。農(nóng)業(yè)東路站～心怡路站區(qū)間隧道在ZDK13+662.558～ZDK13+711.322（684～715環(huán)，長度約為48.764 m）斜交下穿鄭河小區(qū)1號(hào)樓。1號(hào)樓為7層磚砌體結(jié)構(gòu)的安置房，房屋高度為18.8 m，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，1號(hào)樓為2007年建造。地基為水泥深層攪拌樁Φ500@950，樁長為11.5 m。盾構(gòu)機(jī)將截?cái)嘣薪ㄖ锏乃嗤翑嚢铇?.6～3.7 m。左線盾構(gòu)侵入攪拌樁根數(shù)約224根。穿越鄭河小區(qū)1號(hào)樓段區(qū)間結(jié)構(gòu)頂覆土為11.7～13.5 m。詳見圖1。

圖1 農(nóng)心區(qū)間左線與鄭和小區(qū)平面位置圖

隧道頂部覆土埋深12.1～13.5 m，主要穿越地質(zhì)情況依次為：2-22粉質(zhì)黏土、2-34黏質(zhì)粉土、2-51細(xì)砂，未發(fā)現(xiàn)對(duì)工程安全有影響的注入巖溶、滑坡、崩塌、塌陷、地裂等不良地質(zhì)作用。

1.2 應(yīng)用實(shí)例

鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路(鄭州段)洵美路站～思4存路站區(qū)間下穿南水北調(diào)中線干渠。洵美路站～思存路站區(qū)間下穿南水北調(diào)中線干渠管理界限的右線、左線里程范圍分別是右DK34+728.338～右DK34+843.785、左DK34+718.399～左DK34+833.708，穿越距離分別為115.447 m(右線)和115.309 m(左線)。該穿越處的南水北調(diào)中線總干渠已經(jīng)建成通水，路堤頂部瀝青路面高程124.63 m，寬5 m，渠道設(shè)計(jì)底寬18.5 m，渠口寬約73.37 m，南水北調(diào)干渠與隧道平面關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 南水北調(diào)干渠與隧道平面關(guān)系圖

區(qū)間隧道在下穿南水北調(diào)段隧道凈距為6.8 m，隧道頂距干渠底最小凈距為14.05 m。區(qū)間隧道與南水北調(diào)干渠橫剖面關(guān)系圖如圖3所示。下穿地層為鈣質(zhì)膠結(jié)層、粉質(zhì)黏土、粘質(zhì)粉土層，隧道上部主要為粉細(xì)砂層，透水性較強(qiáng)，地下水豐富。

圖3 區(qū)間隧道與總干渠橫剖面關(guān)系圖

結(jié)合依托工程，盾構(gòu)下穿既有建筑物，對(duì)地層的沉降變形控制要求極高，因此防止盾構(gòu)隧道施工引起地表及既有建筑物發(fā)生過量變形或破壞是一具有相當(dāng)重大的技術(shù)難題。

2 施工技術(shù)措施

2.1 技術(shù)原理

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)自身特點(diǎn)，引起地層沉降的主要因素為，盾尾外殼脫出管片之后，存在環(huán)形空隙，如不能及時(shí)填充，會(huì)引起地層沉降變形，危及地表建筑物的安全。為此，通過試驗(yàn)，采用克泥效充填材料，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)，采用特殊膨潤土液(黏土)和強(qiáng)塑劑(水玻璃)，用專用的雙液注入設(shè)備，在盾構(gòu)機(jī)中盾預(yù)留的徑向注漿孔注入的方式[9]。混合后的液體具有一定要的強(qiáng)度、粘度、和易性的槳體，可以及時(shí)充填盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起的盾體與土體的間隙，利用克泥效較高的抗沉陷性以及黏稠性能，能有效抵抗圍巖的變形，從而達(dá)到抑制地表沉降的目的[10]。

2.2 施工工藝流程

克泥效是由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑構(gòu)成。將高濃度的泥水材料（A液為特殊膨潤土和水配置）與塑強(qiáng)調(diào)整劑(B液為水玻璃和水配置)兩種液體按一定比例混合后，瞬間形成為高黏度、不會(huì)硬化、不易受水稀釋、具有較好的支撐性黏土材料。

疏通盾體全部徑向注漿孔并連接克泥效注入設(shè)備及管路，在A液和B液每根管道增加三通。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)位置的埋深及水文地質(zhì)條件確定注入壓力，克泥效拌制完成、注入設(shè)備調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，開始向盾體周邊注入克泥效。注漿過程中以壓力控制為主，注漿數(shù)量為輔雙重指標(biāo)進(jìn)行控制，同時(shí)注漿過程中還應(yīng)根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 克泥效配合比及拌制

克泥效由A液、B液按一定比例混合而成，A液由克泥效粉劑（也是一種特殊膨潤土）和水組成，需提前進(jìn)行稀釋攪拌，干粉與水按照1：2（A液粉劑1 kg：水2 kg)混合而成。B液材料為40波美度水玻璃，每立方A液和加50升B液均勻混合，克泥效漿液每立方用量：400 kg克泥效粉劑：850 kg水：70 kg水玻璃。每噸克泥效可拌合2.5 m3，按照這個(gè)配比4.5 s開始膠結(jié)，20 s初凝，黏度為300～500 dPa·S。為了確保克泥效漿液的均勻性，盾構(gòu)機(jī)5號(hào)臺(tái)車或者6號(hào)臺(tái)車加裝了注漿泵和攪拌器使A、B液充分?jǐn)嚢杈鶆?，要求克泥效混合液液面不高出攪拌葉輪中軸線為宜，攪拌5 min，混合后效果為果凍狀方可開始注入。

2.4 克泥效注入

利用中盾預(yù)留的徑向注漿孔對(duì)盾構(gòu)機(jī)周圈進(jìn)行克泥效注入。按要求疏通盾體徑向注漿孔及球閥，連接三通、壓力表、克泥效注入管路，并與克泥效注入泵可靠連接，注入管路連接并驗(yàn)收合格后進(jìn)行克泥效攪拌、注入設(shè)備調(diào)試并確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

（1）注入設(shè)備選擇。A液和B液的注入量相差很大，注入比例要求精確，混合液的黏度大，注入量需要精確、快速可調(diào)?；谝陨弦蛩?，選擇2臺(tái)獨(dú)立的雙液漿注漿機(jī)、制備攪拌器（廠家專用設(shè)備）、電子流量計(jì)等配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)克泥效注漿。所選擇的設(shè)備具備緊湊、便攜的特點(diǎn)，少占用盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的空間；（2）施工場地。在盾構(gòu)機(jī)靠近盾尾附近臺(tái)車一側(cè)放置并固定攪拌、注入設(shè)備，從臺(tái)車接入臨時(shí)水電，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。高壓注入管道長度滿足接入中盾預(yù)留徑向孔要求?？四嘈Р牧蠟榇b計(jì)量，水玻璃為桶裝，所有材料通過洞內(nèi)運(yùn)輸設(shè)施運(yùn)至現(xiàn)場；（3）注入設(shè)備就位。注漿機(jī)設(shè)備為一臺(tái)專用雙液注漿泵，各自負(fù)責(zé)A、B液體的泵送，依次安裝流量計(jì)、壓力表、注入軟管，最后將2個(gè)注漿機(jī)的注入軟管在徑向注漿孔處混合后注入漿液；（4）克泥效漿液注入。啟動(dòng)注漿設(shè)備，開始向盾體周邊注入克泥效，在克泥效注入達(dá)到理論值時(shí)開始盾構(gòu)掘進(jìn)。期間克泥效壓力應(yīng)保持在的波動(dòng)情況調(diào)整盾構(gòu)的掘進(jìn)速度，盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)保證漿液足量并根據(jù)掘進(jìn)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度應(yīng)與克泥效注入速度、同步注漿速度相匹配。

2.5 注入過程控制要點(diǎn)

（1）盾構(gòu)下穿安置房背后各10環(huán)開始進(jìn)行克泥效注漿；（2）注漿壓力控制：由于注漿設(shè)備距離注漿孔有70～80 m，注漿壓力損失較大，為了更精確的控制注漿壓力，在注漿孔處增加一塊壓力表，根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，一般情況下注漿泵處壓力控制在0.6～0.8 MPa，所以我們?cè)诳刂谱{壓力的時(shí)候，選取徑向注漿孔處的壓力在0.2～0.3 MPa范圍內(nèi)；（3）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不可避免的會(huì)發(fā)生超挖，如果首環(huán)注入大于0.9m3，壓力還未達(dá)到0.2～0.3MPa范圍，此時(shí)，檢查盾構(gòu)出碴是否超方，盾構(gòu)刀盤直徑偏大、超挖刀是否開啟等問題進(jìn)行分析，最后注漿孔處的壓力達(dá)到設(shè)定范圍時(shí)才能停止注漿。一定要保證克泥效的充分注入，保證其在盾構(gòu)機(jī)周圈形成一道密閉的阻水黏土環(huán)；（4）在注漿過程中，要依次向每個(gè)徑向注漿孔注入克泥效，防止注漿壓力過大，影響盾構(gòu)姿態(tài)。注漿同時(shí)通過混合器泄壓閥檢查漿液初凝時(shí)間和凝結(jié)效果并記錄，根據(jù)實(shí)際效果及時(shí)調(diào)整變頻器注入頻率。

2.6 監(jiān)測控制

通過對(duì)地表及地表建構(gòu)筑物的位移觀測，對(duì)監(jiān)測單次沉降量、沉降速率、累計(jì)沉降量及傾斜率進(jìn)行綜合分析，對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整以指導(dǎo)施工，并將分析結(jié)果及下一步的掘進(jìn)指令及時(shí)傳遞到盾構(gòu)操作手及施工班組。

3 實(shí)施效果

鄭州地鐵5號(hào)線土建05標(biāo)，在農(nóng)業(yè)東路站至心怡路站左線盾構(gòu)區(qū)間ZDK13+662.558～ZDK13+711.322（684～715環(huán)）處，于2017年7月21日開始掘進(jìn)至2017年8月1日成功下穿鄭和小區(qū)，歷時(shí)12 d，總共掘進(jìn)48.8 m，平均每天掘進(jìn)4.1 m，較其他施工段，掘進(jìn)速度偏慢。原因在于施工方處于安全考慮，放慢掘進(jìn)速度，保證地表建（構(gòu)）筑物的處在穩(wěn)定狀態(tài)。

采用克泥效輔助盾構(gòu)穿越該區(qū)間，有效控制了地表沉降。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，建（構(gòu)）筑物最大累計(jì)沉降量為-4.81 mm，最大隆起量為+4.9 mm。實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)切群樁安全下穿既有建構(gòu)筑物且將沉降控制在±5 mm之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了綠色、節(jié)能、環(huán)保、無污染施工要求。

鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路(鄭州段)洵美路站～思4存路站區(qū)間下穿南水北調(diào)中線干渠，跨度達(dá)115 m，南水北調(diào)干渠工程的保護(hù)范圍寬度為左右岸永久占地線外各150 m，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入總干渠前92 m設(shè)置為試驗(yàn)段。

在試驗(yàn)段通過對(duì)材料及克泥效設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，確定了材料在本地層的配比。在試驗(yàn)段確定掘進(jìn)每環(huán)管片克泥效的注入量（0.9～1 m3/環(huán)）與注入壓力（2.2～3.8 bar）。下穿南水北調(diào)渠過程中采用克泥效輔助盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物施工工法，有效解決了總干渠沉降問題。

為保證施工過程南水北調(diào)總干渠的安全穩(wěn)定，并及時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)施工階段引起的沉降動(dòng)態(tài)數(shù)值，地表沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，掘進(jìn)過程中產(chǎn)生輕微沉降，掘進(jìn)前后的沉降監(jiān)測中產(chǎn)生的最大沉降為-1.9 mm，最大隆起量為4 mm，地表豎向監(jiān)測時(shí)程曲線圖如圖4所示。

圖4 地表豎向監(jiān)測時(shí)程曲線圖

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，采用“克泥效輔助盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物施工技術(shù)”抑制盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)引起的地層變形，對(duì)保證南水北調(diào)渠沉降控制在允許范圍內(nèi)起到了良好的效果。

4 結(jié)語

本文采用了克泥效輔助盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物施工技術(shù)，有效的解決了盾構(gòu)機(jī)盾尾外殼脫出管片之后存在環(huán)形構(gòu)造空隙，選取的克泥效填充材料凝結(jié)時(shí)間快、黏性好，注入地層后不易被地下水稀釋，能及時(shí)充填刀盤開挖輪廓與盾體外緣之間的空隙，達(dá)到控制盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層沉降的目的?？四嘈Р灰坠袒?guī)避了克泥效抱死盾體的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)注漿過程操作簡單，施工環(huán)境影響小，減小盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)地面建筑物的影響，能滿足城市地下施工的高標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)也能降低造價(jià)。具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值，可為類似工程的施工提供借鑒意義。