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.pdf

94施工技术CONSTUCTION TECHNOLOGY2015 年 1 月上第 44 卷第 1 期DOI:10.7672/sgjs2015010094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，Beijing100015，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;settlement作者简介 马云新，盾构中心总工程师，高级工程师，E-mail:mayunxin2005126 com收稿日期2014-12-020引言近年来我国的城市轨道交通得到了快速发展，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。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2015 No 1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95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+296.02K43+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。图 1隧道下穿示意Fig 1Tunnel under-crossing2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。3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2.12.43.0横向变形0.70.81.0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 215 号线隧道内测点布置Fig 2Monitoring points layout in Subway Line 15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(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 ZDY0696施工技术第 44 卷图 3沉降变化曲线Fig 3The settlement variation curve号点的值位于 4 5mm。4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。1)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 4Settlement 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。6克泥效工法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 dPa s。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2015 No 1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97有以下特点。图 5克泥效黏稠度变化曲线Fig 5The viscosity variation curve of clay shock1)凝结时间快。2)黏稠度高，一般为 300 500dPa s。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。6.2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 B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。6.2.3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。图 6克泥效注浆流程Fig 6Grouting 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 卷图 7监测点沉降曲线Fig 7Settlement curve of monitoring points浆和土体加固注浆赢得关键时间，并把 15 号线隧道最终变形控制在 1mm 左右，达到了北京市轨道公司地铁 运 营 安 全 要 求 隧 道 结 构 变 形 的 预 警 值(2.1mm)范围内。图 8克泥效抑制盾体上方沉降示意Fig 8Settlement inhibition by clay shock8结语为减小盾构掘进过程中对临近敏感建(构)筑物的影响，依托北京地铁 14 号线盾构隧道下穿既有地铁15 号线盾构隧道工程案例，对左线穿越施工时采用的克泥效抑制沉降技术进行了说明，并与右线未采用克泥效的施工沉降进行了对比。经实际验证，采用克泥效注浆能抑制盾构掘进时引起的地层变形，对保证左线施工时既有地铁15 号线隧道的变形控制在允许范围内起到了良好的效果。本文提出的克泥效工法可为今后交叠穿越隧道施工提供参考，特别是对后续地铁建设中的盾构工程近距离下穿运行地铁盾构隧道的沉降控制具有重要的借鉴意义。参考文献:1莫崇杰 盾构隧道近距离小角度上穿已建暗挖隧道的施工方案研究D 北京:北京交通大学，20082马振超 北京既有线下穿工程的特点及影响规律研究D北京:北京交通大学，20123关继发 新建地铁隧道穿越既有地铁安全风险及其控制技术的研究D 西安:西安建筑科技大学，20084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，20055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，20106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，2006(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减少该区域的施工扰动。7)在有内支撑的基坑开挖中，前期土方开挖会导致较大沉降，后期影响较小。参考文献:1钟涛 浅埋暗挖法地铁施工对地表及邻近建筑物影响研究D 阜新:辽宁工程技术大学，20122刘念武，龚晓南，楼春晖 软土地区基坑开挖对周边设施的变形特 性 影 响J 浙 江 大 学 学 报:工 学 版，2014(7):1141-11473仇春平，邸庆生，周鸣，等 建筑沉降监测方法及实践J 矿山测量，2007(4):32-34