克泥效辅助盾构穿越建（构）筑物施工技术
时间：2023-02-28 19:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
郝风光
（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350）
城市轨道交通多修建在城市的繁华地带，在轨道交通线路规划时不可避免的下穿各类建（构）筑物、既有管线之间相互穿越等复杂的施工情况[1-3]。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、减小施工对既有建筑物和管线的不利影响，保护其正常使用及安全[4]。由盾构机本身的构造可知，盾构机的同步注浆系统，能填充盾尾外壳脱出管片之后的环形空隙，抵抗围岩变形。为了减少盾体和土体的摩擦，盾构机刀盘开挖直径一般大于盾体5 cm，如此以来，在盾构机盾体范围内和土层之间就存在一个环形构造空隙。在穿越重大风险源或者地表变形指标较为严格的情况下，若不有效填充其本身的构造空隙，势必会引起该部分土体的应力释放，造成地表变形增大[5-7]。如何控制盾体上方的土体沉降，保证建（构）筑物安全，成为在穿越工程中亟待解决的问题[8]。
1.1 依托工程
郑州地铁5号线土建05标，农业东路站至心怡路站左线盾构区间下穿郑和小区1号楼。农业东路站～心怡路站区间隧道在ZDK13+662.558～ZDK13+711.322（684～715环，长度约为48.764 m）斜交下穿郑河小区1号楼。1号楼为7层砖砌体结构的安置房，房屋高度为18.8 m，基础采用钢筋混凝土条形基础，1号楼为2007年建造。地基为水泥深层搅拌桩Φ500@950，桩长为11.5 m。盾构机将截断原有建筑物的水泥土搅拌桩2.6～3.7 m。左线盾构侵入搅拌桩根数约224根。穿越郑河小区1号楼段区间结构顶覆土为11.7～13.5 m。详见图1。
图1 农心区间左线与郑和小区平面位置图
隧道顶部覆土埋深12.1～13.5 m，主要穿越地质情况依次为：2-22粉质黏土、2-34黏质粉土、2-51细砂，未发现对工程安全有影响的注入岩溶、滑坡、崩塌、塌陷、地裂等不良地质作用。
1.2 应用实例
郑州机场至许昌市域铁路(郑州段)洵美路站～思4存路站区间下穿南水北调中线干渠。洵美路站～思存路站区间下穿南水北调中线干渠管理界限的右线、左线里程范围分别是右DK34+728.338～右DK34+843.785、左DK34+718.399～左DK34+833.708，穿越距离分别为115.447 m(右线)和115.309 m(左线)。该穿越处的南水北调中线总干渠已经建成通水，路堤顶部沥青路面高程124.63 m，宽5 m，渠道设计底宽18.5 m，渠口宽约73.37 m，南水北调干渠与隧道平面关系图如图2所示。
图2 南水北调干渠与隧道平面关系图
区间隧道在下穿南水北调段隧道净距为6.8 m，隧道顶距干渠底最小净距为14.05 m。区间隧道与南水北调干渠横剖面关系图如图3所示。下穿地层为钙质胶结层、粉质黏土、粘质粉土层，隧道上部主要为粉细砂层，透水性较强，地下水丰富。
图3 区间隧道与总干渠横剖面关系图
结合依托工程，盾构下穿既有建筑物，对地层的沉降变形控制要求极高，因此防止盾构隧道施工引起地表及既有建筑物发生过量变形或破坏是一具有相当重大的技术难题。
2.1 技术原理
结合盾构机自身特点，引起地层沉降的主要因素为，盾尾外壳脱出管片之后，存在环形空隙，如不能及时填充，会引起地层沉降变形，危及地表建筑物的安全。为此，通过试验，采用克泥效充填材料，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)，用专用的双液注入设备，在盾构机中盾预留的径向注浆孔注入的方式[9]。混合后的液体具有一定要的强度、粘度、和易性的桨体，可以及时充填盾构机掘进引起的盾体与土体的间隙，利用克泥效较高的抗沉陷性以及黏稠性能，能有效抵抗围岩的变形，从而达到抑制地表沉降的目的[10]。
2.2 施工工艺流程
克泥效是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成。将高浓度的泥水材料（A液为特殊膨润土和水配置）与塑强调整剂(B液为水玻璃和水配置)两种液体按一定比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化、不易受水稀释、具有较好的支撑性黏土材料。
疏通盾体全部径向注浆孔并连接克泥效注入设备及管路，在A液和B液每根管道增加三通。根据盾构掘进位置的埋深及水文地质条件确定注入压力，克泥效拌制完成、注入设备调试运转正常后，开始向盾体周边注入克泥效。注浆过程中以压力控制为主，注浆数量为辅双重指标进行控制，同时注浆过程中还应根据地表监测数据进行调整。
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液由克泥效粉剂（也是一种特殊膨润土）和水组成，需提前进行稀释搅拌，干粉与水按照1：2（A液粉剂1 kg：水2 kg)混合而成。B液材料为40波美度水玻璃，每立方A液和加50升B液均匀混合，克泥效浆液每立方用量：400 kg克泥效粉剂：850 kg水：70 kg水玻璃。每吨克泥效可拌合2.5 m3，按照这个配比4.5 s开始胶结，20 s初凝，黏度为300～500 dPa·S。为了确保克泥效浆液的均匀性，盾构机5号台车或者6号台车加装了注浆泵和搅拌器使A、B液充分搅拌均匀，要求克泥效混合液液面不高出搅拌叶轮中轴线为宜，搅拌5 min，混合后效果为果冻状方可开始注入。
2.4 克泥效注入
利用中盾预留的径向注浆孔对盾构机周圈进行克泥效注入。按要求疏通盾体径向注浆孔及球阀，连接三通、压力表、克泥效注入管路，并与克泥效注入泵可靠连接，注入管路连接并验收合格后进行克泥效搅拌、注入设备调试并确保设备运转正常。
（1）注入设备选择。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2台独立的双液浆注浆机、制备搅拌器（厂家专用设备）、电子流量计等配套设备，实现克泥效注浆。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；
（2）施工场地。在盾构机靠近盾尾附近台车一侧放置并固定搅拌、注入设备，从台车接入临时水电，进行设备调试。高压注入管道长度满足接入中盾预留径向孔要求。克泥效材料为袋装计量，水玻璃为桶装，所有材料通过洞内运输设施运至现场；
（3）注入设备就位。注浆机设备为一台专用双液注浆泵，各自负责A、B液体的泵送，依次安装流量计、压力表、注入软管，最后将2个注浆机的注入软管在径向注浆孔处混合后注入浆液；
（4）克泥效浆液注入。启动注浆设备，开始向盾体周边注入克泥效，在克泥效注入达到理论值时开始盾构掘进。期间克泥效压力应保持在的波动情况调整盾构的掘进速度，盾构掘进应保证浆液足量并根据掘进时监测数据及时调整掘进参数，盾构掘进速度应与克泥效注入速度、同步注浆速度相匹配。
2.5 注入过程控制要点
（1）盾构下穿安置房背后各10环开始进行克泥效注浆；
（2）注浆压力控制：由于注浆设备距离注浆孔有70～80 m，注浆压力损失较大，为了更精确的控制注浆压力，在注浆孔处增加一块压力表，根据实际施工经验，一般情况下注浆泵处压力控制在0.6～0.8 MPa，所以我们在控制注浆压力的时候，选取径向注浆孔处的压力在0.2～0.3 MPa范围内；
（3）盾构掘进过程中不可避免的会发生超挖，如果首环注入大于0.9m3，压力还未达到0.2～0.3MPa范围，此时，检查盾构出碴是否超方，盾构刀盘直径偏大、超挖刀是否开启等问题进行分析，最后注浆孔处的压力达到设定范围时才能停止注浆。一定要保证克泥效的充分注入，保证其在盾构机周圈形成一道密闭的阻水黏土环；
（4）在注浆过程中，要依次向每个径向注浆孔注入克泥效，防止注浆压力过大，影响盾构姿态。注浆同时通过混合器泄压阀检查浆液初凝时间和凝结效果并记录，根据实际效果及时调整变频器注入频率。
2.6 监测控制
通过对地表及地表建构筑物的位移观测，对监测单次沉降量、沉降速率、累计沉降量及倾斜率进行综合分析，对施工参数进行相应的调整以指导施工，并将分析结果及下一步的掘进指令及时传递到盾构操作手及施工班组。
郑州地铁5号线土建05标，在农业东路站至心怡路站左线盾构区间ZDK13+662.558～ZDK13+711.322（684～715环）处，于2017年7月21日开始掘进至2017年8月1日成功下穿郑和小区，历时12 d，总共掘进48.8 m，平均每天掘进4.1 m，较其他施工段，掘进速度偏慢。原因在于施工方处于安全考虑，放慢掘进速度，保证地表建（构）筑物的处在稳定状态。
采用克泥效辅助盾构穿越该区间，有效控制了地表沉降。盾构机掘进期间，建（构）筑物最大累计沉降量为-4.81 mm，最大隆起量为+4.9 mm。实现了盾构切群桩安全下穿既有建构筑物且将沉降控制在±5 mm之内，实现了绿色、节能、环保、无污染施工要求。
郑州机场至许昌市域铁路(郑州段)洵美路站～思4存路站区间下穿南水北调中线干渠，跨度达115 m，南水北调干渠工程的保护范围宽度为左右岸永久占地线外各150 m，在盾构机进入总干渠前92 m设置为试验段。
在试验段通过对材料及克泥效设备进行验证，确定了材料在本地层的配比。在试验段确定掘进每环管片克泥效的注入量（0.9～1 m3/环）与注入压力（2.2～3.8 bar）。下穿南水北调渠过程中采用克泥效辅助盾构穿越建（构）筑物施工工法，有效解决了总干渠沉降问题。
为保证施工过程南水北调总干渠的安全稳定，并及时监测盾构施工阶段引起的沉降动态数值，地表沉降监测结果显示，掘进过程中产生轻微沉降，掘进前后的沉降监测中产生的最大沉降为-1.9 mm，最大隆起量为4 mm，地表竖向监测时程曲线图如图4所示。
图4 地表竖向监测时程曲线图
经实际验证，采用“克泥效辅助盾构穿越建（构）筑物施工技术”抑制盾构掘进时引起的地层变形，对保证南水北调渠沉降控制在允许范围内起到了良好的效果。
本文采用了克泥效辅助盾构穿越建（构）筑物施工技术，有效的解决了盾构机盾尾外壳脱出管片之后存在环形构造空隙，选取的克泥效填充材料凝结时间快、黏性好，注入地层后不易被地下水稀释，能及时充填刀盘开挖轮廓与盾体外缘之间的空隙，达到控制盾构掘进引起地层沉降的目的。克泥效不易固化，规避了克泥效抱死盾体的风险。整个注浆过程操作简单，施工环境影响小，减小盾构施工时对地面建筑物的影响，能满足城市地下施工的高标准要求，同时也能降低造价。具有较强的推广应用价值，可为类似工程的施工提供借鉴意义。
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