克泥效抑制沉降工法在盾构近距离下穿地铁既有线工程中的应用.docx

克泥效抑制沉降工法在盾构近距离下穿地铁既有线工程中的应用马云新( 北京建工土木工程有限公司盾构中心，北京100015)摘要 盾构隧道近距离穿越既有线隧道施工时必须采取一定措施控制既有隧道结构及其周边地层沉降变形 。通过在盾构壳体外同步进行克泥效注浆这一措施，可以有效控制盾构通过时上方土体和结构的下沉量。以北京地铁14 号线阜通西站望京站区间下穿运营的 15 号线盾构隧道工程为例，介绍了克泥效工法的原理、工艺流程及应用 效果。关键词 地铁; 盾构; 克泥效工法; 注浆; 沉降中图分类号 U455文献标识码 A文章编号1002-8498( 2015) 01-0094-05Application of Clay Shock Method for Settlement Control inShields Crossing the Existing Subway in Short DistanceMa Yunxin( BCEG Civil Engineering Co ，Ltd ，Beijing 100015，China)Abstract: Measures have to be taken for settlement control when shields cross the existing subway in shortdistance According to the clay shock grouting in and out of shields，the settlement can be effectivelycontrolled when shields crossing Based on the engineering practice of Futong West station to Wangjingstation in Beijing Subway Line 14 crossing Subway Line 15， this paper introduced the principle，construction process and effect of clay shock methodKey words: subways; shields; clay shock method; grouting; settlement0引言近年来我国的城市轨道交通得到了快速发展，足，即同步浆 液 的 注入点在盾尾后方，无 法 及 时 填充盾体与土体之间的间隙，无法抑制盾体周边土体 变形等。在 变 形 指 标需严格控制的地层中施工时 ( 如盾构机近距离下穿运营的地铁线路) ，如何控制 盾构体上方的土体沉降成为众 多施工单位在穿越 工程中亟待解决的问题。在一些特大城市，轨道交通建设更是取得了举世瞩目的进展，这些城市的轨道交通都进入了网络化建 设的时代。轨 道 交 通的网络化建设不可避免地带 来新建隧道 与 已 建隧道之间相互平行、重 叠、交 叉穿越等复 杂 的 施 工 情 况1。随着穿越工程的增多 及穿越 间 距 的 缩 短，要 求 施工时必须采取措施控 制、减弱施工 对 既 有隧道结构的不利影响，保 护 既 有隧道的正常使用和运营安全。由此可见，新建隧 道穿越既有线的施工措施已成 为新一轮城市轨道 交通建设必须深入研究的关键问题2。德国海瑞克土压平衡盾构机作为市场上的主 要盾构机类 型，应 用 广 泛，但其在施工中也存在不 1工程概况北京地铁 14 号线阜通西 站望京站区间设计 范围 为 右 线 K42 + 657. 250K43 + 374. 920，全 长720. 803m; 左线 K42 + 637. 250K43 + 372. 085，全长 755. 379m; 双线采用盾构法施工。区间隧道为 2 条单线圆形隧道，由望京站出发，一路向南，下穿地铁 15 号线区间( 穿越段距 15 号线竖向净距 1. 9m) ，抵达阜通西站。线间距为 15. 3 17. 9m，隧 道 覆 土 厚 度 12. 1 18. 1m，最 大 坡 度9. 42，最小平面曲线半径 400m。此工程为北京地区首例地铁盾构施工近距离下 穿运营地铁盾构隧 作 者 简 介 马 云 新，盾构中心总工程 师，高 级 工 程 师，E-mail:mayunxin2005 126 com收稿日期2014-12-02马云新: 克泥效抑制沉降工法在盾构近距离下穿地铁既有线工程中的应用2015 No 195道的工程。北京地铁既有 15 号线区间隧道为单洞单线隧 道。阜通西站望京站区间隧道在 K43 + 296. 02 K43 + 359. 02 范围内下穿 15 号线区间既有隧道，穿 越距离 63m。下穿位置的平面和地质剖面如图 1 所 示。由于盾构隧道环与环、片与片之间采取的是柔 性连接，因此 15 号盾构隧道抗沉降能力弱，对沉降 极为敏感。双线下穿地铁 15 号线区间隧道穿过的 主 要 地 层 为 3 粉 细 砂 层、2 粉 土 层、 粉 质 黏 土层。表 1 既有地铁 15 号线盾构区间结构变形控制指标Table 1Deformation control indexes of theexisting Subway Line 15mm项目预警值报警值控制值竖向变形横向变形2. 10. 72. 40. 83. 01. 0盾构隧道和上行线盾构隧道，右线施工时未实施克泥效注浆。穿越施工期间实行信息化施工，通过对15 号线隧道内进行自动化监测和人工监测对 14 号 线右线盾构下穿 15 号线隧道进行全过程监测。监 测点布置如图 2 所示。图 2 15 号线隧道内测点布置Fig 2 Monitoring points layout in Subway Line 15图 1 隧道下穿示意Fig 1 Tunnel under-crossing通过图 2 可以看出 ZDZ06，ZDZ07，ZDZ08 3 个监测点位于 15 号线下行线穿越区，ZDY06，ZDY07，ZDY08 3 个监测点 位 于 15 号线上行线穿越区。选取这 6 个监测点的监测数据分析 15 号线隧道变形值，其沉降变化曲线如图 3 所示。由图 3 可以看出，右线盾构机穿越 15 号线下行线时 ( 24 40 环) ，ZDZ06，ZDZ07，ZDZ08 监 测 点 呈现急速下沉的趋势。盾体脱离 15 号线下行线正下方后，继续穿 越 上 行 线 时，ZDZ06，ZDZ07，ZDZ08 监测点沉降缓 慢，趋 于 稳 定，最 大 沉 降 点 ZDZ08 点 的值位于 7 8mm; 右线盾构机穿越 15 号线下行线时2 既有隧道设计变形控制指标新建盾构隧道下穿既有盾构隧道工程要求既 有隧道完全 不 出 现 沉 降、变形和裂缝很难做到，关键在于如 何 将 其 控制在容许范围之内。由 于 既 有隧道的结构 形 式、建 造 时 期、使 用 情 况、重 要 性、功 能、隧道尺寸、运营荷载等的不同，具有不同的承受荷载能力和 抗 变 形 能 力，因 此，必须根据既有隧道 的实际情况来确定相应的变形控制指标。依据其他类似工程经验和现场监测数据及现 有常规测量仪器的监测精度，综合运营安全要求及变形预测结果，既有地铁 15 号线盾构区间隧道结构 变形的控制指标值如表 1 所示，并将控制值的 80% 作为报警值，70% 作为预警值。( 24 40环 ) ，布置在上行线隧道中的 ZDY06，ZDY07，ZDY08 沉降值在 0 波动，排除地铁列车行车的振动干扰后，可视为稳定。在盾体穿越上行线时( 42 58 环) ，ZDY06，ZDY07，ZDY08 监测点呈现 急速下沉的 趋 势，盾 体 脱 离 15 号线上行线正下方 后，监测点沉降缓慢，趋于稳定，最大沉降点 ZDY063右线下穿 15 号线施工情况北京地铁 14 号线阜通西 站望京站右线隧道 盾构下穿既有地铁 15 号线隧道于 2013 年 10 月 14日完成。14 号线右线隧道先后穿越 15 号线下行线96施工技术第 44 卷沉降划分为 5 个阶段( 见图 4) ，即早期下沉、挖掘面下沉、通过时下沉、盾尾间隙下沉和后续下沉3-4。图 4 沉降阶段划分Fig 4 Settlement stage division从图 4 可见，第 3 阶段通过时下沉，占总沉降量的 15% 30% ，盾构通过时的沉降主要由施工所导致的地层 损 失 引 起 的6。本工程海瑞克盾构机刀 盘 直 径 为 6. 28m，前 盾 直 径 6. 25m，中 盾 直 径6. 24m，盾 尾 直 径 6. 23m，盾构机掘进过程中，盾 体与土体之间存在 30 50mm 的间隙( 因盾体自重，盾体下部与土体紧密接触，上部间隙最大) ，每掘进一环( 1. 2m) ，理论上在前盾周围 会 产 生 0. 35m3 的 空 隙。如果此空隙得到及时填充，将有效减小地层沉 降，而合适的填充材料需要具备以下几个特点。1) 操作简单，易于从盾构机盾体上的径向预留 注浆孔注入。2) 具有一定的黏性，不会从注入点快速流失到 刀盘前或盾尾后。3) 材料具备一定抗稀释能力，能避免很快被地 下水稀释。4) 不会硬化，避免硬化后抱死盾体。通过采用克泥效抑制沉降工法很好解决了这 一难点，使用的克泥效浆液能及时充填刀盘开挖轮 廓与盾体外缘之间的间隙，从而达到控制第 3 阶段 沉降即盾构通过时下沉的目的。图 3 沉降变化曲线Fig 3 The settlement variation curve号点的值位于 4 5mm。右线下穿 15 号线施工沉降分析盾体与既有隧道的相对位置关系是影响既有 隧道沉降的 关 键 因 素，通过分析盾体与 15 号 线 上 行、下行盾构隧道结构的相对位置与沉降数据的关 系，可以得出以下结论。41) 穿越下 行 线 时盾体刚刚进入下行 线 穿 越区时，最大沉降点为 ZDZ08 点，数值为 1. 4mm，说明此时盾 构 施 工 对隧道沉降影响较小。盾 体 进 入下行线穿越区后，ZDZ06，ZDZ07，ZDZ08 点沉降速率 加大。盾 体通过下行线穿越区后，沉 降 值 继 续 加大，盾体离开穿越区后，最大沉降点为 ZDZ08 点，沉降值为 7. 8mm。2) 穿越上 行 线 时盾构机未进入上行 线 穿 越克泥效工法6区时，上行线 隧 道 内 ZDY06，ZDY07，ZDY08 点 变 化值很小。盾体刚刚进入上行线穿越区，最大沉降点为 ZDY06 点，数 值 为 1. 1mm，说 明 此 时 盾 构 施 工 对隧道沉降影响较 小，盾体进入下行线穿越区， ZDY06，ZDY07，ZDY08 点 沉 降 值 变 大，沉 降 速 率 加快。盾体通过下行线穿越区后，沉降值继续增大，盾体离开穿越区后，最大沉降点为 ZDY06 点，沉 降 值为 4. 6mm。5抑制盾体上方沉降方法隧道施工不可避免地会产生地层变形，即使采 用盾构法也不例外，通过分析阜通西站望京站区 间右线盾构下穿 15 号线隧道施工过程，根据地层变 形的时间效应，盾构施工推进时引起的 15 号线隧道6. 1简介克泥效( clay shock) 是从日本引进的一种施工 技术，其 原理是黏土与强 塑剂以一定的比例混合 后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土 ( 黏 度可通过改变两液配合比的方式调整 ) 。在 试 验中，混合时间 4. 5s，混合后黏度可达 300 500dPas，相 比 较 而 言，牙 膏 黏 度 为 300dPas、发 蜡 黏 度为450 dPas。黏土与强塑剂不同混合比例具有不同的黏稠 度，如图 5 所示。图 5 中，A 液克泥效配合比 膨 润 土 ( kg )水 ( L ) 分 别 为 520 800，455 825，400 846，300 885。克泥效是一种具有变化性 ( 软 硬度可进行调 整) 但不可硬化的可塑性黏土材料，具马云新: 克泥效抑制沉降工法在盾构近距离下穿地铁既有线工程中的应用2015 No 197有以下特点。液的注入量 相 差 很 大，注入比例要求精确，混 合 液的黏度大，注入量需要精确、快 速 可 调。基 于 以 上 因素，选择了 2 台独立变频控制的软管挤压泵并制 备了搅拌器、混合器、电子流量计等配套设备，实现 了克泥效注浆。所选择的设备具备紧凑、便携的特 点，少占用盾构机内的空间。本工程采用的是德国海瑞克土压平衡盾构机， 注浆泵为柱塞泵，当采用配备有软管挤压泵注浆系 统的盾构机施工时，也可考虑利用盾构机自身的软 管泵注浆系统实现克泥效注浆。图 5 克泥效黏稠度变化曲线Fig 5 The viscosity variation curve of clay shock6. 2. 3克泥效施工流程每环开始掘进的同时开始注 A，B 液，并且通过混合器的检查阀来检查浆液初凝时间和凝结效果，作好记录，根据布设在 15 号线隧道内的静力水准点 传送来的实时沉降数据修正变频器参数，控制注入 量。克泥效 注 浆 点 选择在前盾构拱部位置的注入 口，注浆流程如图 6 所示。1) 凝结时间快。2) 黏稠度高，一般为 300 500dPas。3) 抗稀释性和挡水性，浸入水中 12h 后不发生稀释现象。4) 具有较高的抗沉陷性，岩块沉陷试验中可保 持 1kg 的质量沉陷 1 /3，并防止其下沉。采用不同的配合比和注入方法，克泥效工法可 用于控制刀 盘 上 方 沉 降、盾 体 上 方 沉 降、急 曲 线 段施工时的沉降等方面。本工程中，成功运用克泥效 工法抑制了盾体上方的沉降。工程应用地铁 14 号线阜通西站望京站区间左线盾构 于 2014 年 1 月 14 日完成了下 穿 既 有 15 号 线 隧 道 施工，左线下穿 15 号线施工时的主要施工参数与右 线下穿时差别不大，但是在左线下穿 15 号线的过程 中，通过盾构机前体上的预留径向注浆孔向盾体上 方注入了克泥效材料。6. 2. 1克泥效浆液本工程中采用的克泥效工法是在盾构机掘进 的同时，采用特殊膨 润 土 液 ( 黏 土) 和 强 塑 剂 ( 水 玻璃) 两液，混合后从前体肩部的径向注浆孔注入的 方式。混合后的液体呈黏稠状，可以及时充填盾构 机掘进引起的盾体与土体的间隙。克泥效工法 采 用 A，B 液。A 液为特殊膨润土 液，配合比为: 膨润 土 水 = 400 825，B 液 为 水 玻 璃和水的混合液，比例为水玻璃 水 = 1 1 ( 体积比) 。A 液 B 液 = 12. 5 1 ( 体积 比) ，其 中 A 液 的 流 量 为0. 9m3 / h。为控制既有地铁 15 号线隧道的沉降，盾构机掘进过程中，通过前盾上的带阀门的预留注浆孔每环注入 0. 5m3 ( 143% 理论值) 的混合液体，填充 盾体与土体之间的间隙。6. 2. 2克泥效注浆设备的选择 受克泥效工法特点的影响，必须选择合适的注入设备才能达到良好的施工效果。例 如，A 液 和 B6. 2图 6 克泥效注浆流程Fig 6 Grouting process of clay shock7抑制沉降效果分析ZDZ02，ZDZ03，ZDZ04 3 个监测点位于 15 号线下行线 穿 越 区，ZDY02，ZDY03，ZDY04 3 个 监 测 点位于 15 号线上行线穿越区。选取这 6 个监测点的监测数据分析 15 号线隧道变形值，如图 7 所示。通过图 7 可以看出，盾体下穿 15 号线隧道结构时，15 号线隧道结构大体上呈现平 稳 状 态，与 原 状态相比呈现微隆起状态。盾体下穿到 15 号线隧道结构 下 方 时 ( 上 行 线 33 49 环，下 行 线 51 67环) ，监测点隆起呈波动状态，隆起值 1. 5mm 左右，表明克泥效浆液及时填充了盾体与土体之间 30 50mm 空隙，抑制了盾体与 15 号线隧道之间土体的变形。由于采用的软管挤压泵出口压力高，克泥效注浆量超出了土体损失的体积，造成上方隧道微隆 起。采用的 克 泥 效 注浆工法解决了盾体通过时的 地层沉降变形问题 ( 见图 8 ) ，为后续的管片壁后注98施工技术第 44 卷的研究D 西安: 西安建筑科技大学，2008姚海波 大断面隧道浅埋暗挖法下穿既有地铁构筑物施工技术研究D 北京: 北京交通大学，2005杨广武 地下工程穿越既有地铁线路变形控制标准和技术研究D 北京: 北京交通大学，2010吴逢春 地铁盾构施工对周边结构影响的时间相关性研究 D 南京: 东南大学，20064 5 6 ( 上接第 31 页)间土体进行加固，确保其不渗漏，采取封堵措施确保文物建筑一侧地下连续墙及三轴搅拌桩不漏水。通 过这些措施减少基坑降水时造成的文物建筑沉降。4. 3施工扰动控制文物建筑一侧划定的建筑保护区除进行监测 及相关工作 外，不 得作为其他任何施工用途，并 长 期设置警 戒 线 和 警 示 标 志。靠近文物建筑一侧的 桩头破除时尽量采取人工破除 或振动小的破除方 法，内支撑拆除采取链锯切割、场外破碎的方式，最 大限度减小因振动对该文物建筑的不利影响。5结语1) 在保 护建筑物及其附近边坡增设监 测 点 和 水位观测井，施 工 过程中做好边坡位移监测、地 面 沉降监测、地下水位观测和保护建筑物监测。发现 异常立即停止施工，研究对策立即进行处理。2) 基 坑 开 挖 本 着“分 层、分 块、对 称、平 衡、限 时”的总 体 原 则。土 方 开 挖 时，先 将 远 离 保 护 建 筑 物位置的土 方 挖 出，待整个支撑体系受力之后，进 行保护建筑物位置附近土方的开挖。3) 基坑内降水时不宜过早提前降水，实行按需 降水。4) 严格控制地下连续墙，特别是保护建筑一侧 更需要保证质量。5) 结合检测技术判断地下连续墙渗漏位置，采 用三轴搅拌桩、双液注浆等技术对保护建筑物与地 下连续墙之间土体进行加固。6) 需要在保护建筑物附近划出保护区，严禁在 此堆放、加工 材 料，并在施工时采取措施