運(yùn)營(yíng)期地鐵聯(lián)絡(luò)通道融沉注漿治理技術(shù)

李增理， 王 煒

(中鐵電氣化局集團(tuán)鐵路工程公司， 北京 100036)

運(yùn)營(yíng)期地鐵聯(lián)絡(luò)通道融沉注漿治理技術(shù)

李增理， 王 煒*

(中鐵電氣化局集團(tuán)鐵路工程公司， 北京 100036)

為解決南京某地鐵凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生的后融沉問(wèn)題，從地層特性、施工工藝和外界環(huán)境等方面對(duì)融沉原因進(jìn)行分析，地基軟弱、工序銜接不當(dāng)、融沉注漿不足等是聯(lián)絡(luò)通道及附近隧道發(fā)生融沉與破壞的主要原因。提出融沉治理原則和工藝，采用“多點(diǎn)，均勻，少量，多次”的劈裂-擠密注漿方法對(duì)聯(lián)絡(luò)通道周圍地層加固，并在施工影響范圍內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)注漿效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明： 在劈裂-擠密注漿方法的基礎(chǔ)上，輔以地層排水能夠有效防止地層沉降，確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； 在注漿過(guò)程中，聯(lián)絡(luò)通道沉降可分為快速回落、穩(wěn)定回落和穩(wěn)定3階段，各階段的沉降速率和排水量都有鮮明的特點(diǎn)； 加固后隧道上行線最大隆起31.2 mm、下行線最大隆起29.8 mm，聯(lián)絡(luò)通道342 d沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果小于1 mm，表明隧道已處于穩(wěn)定狀態(tài),治理效果較好。

地鐵； 聯(lián)絡(luò)通道； 軟土； 凍結(jié)法； 融沉； 注漿加固

0 引言

對(duì)于地下水豐富的軟弱復(fù)雜地層，凍結(jié)法是一種有效的加固方法[1]，但在解凍及后期運(yùn)營(yíng)期間凍土融化發(fā)生體積收縮和固結(jié)變形(土體強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程)會(huì)導(dǎo)致土體沉降變形[2-5]。如果抗融沉注漿措施不到位，將危害地下結(jié)構(gòu)和地下管線的正常使用，甚至?xí)鸬孛娉料荩瑢?duì)地表既有建(構(gòu))筑物造成破壞。一些學(xué)者對(duì)凍結(jié)法及其融沉沉降進(jìn)行了研究。例如： 趙廷紅等[6]利用ANSYS軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行人工水平凍結(jié)地表融沉規(guī)律的研究,總結(jié)出凍結(jié)壁厚度、隧道半徑、融沉系數(shù)與融沉量的關(guān)系，同時(shí)提出強(qiáng)制解凍、跟蹤注漿、減小凍結(jié)壁厚度以及融沉系數(shù)等融沉預(yù)控措施； 嚴(yán)晗等[7]對(duì)砂性土在反復(fù)凍融條件下的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出土顆粒之間的黏聚力會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低； 王效賓等[8]以某盾構(gòu)區(qū)間端頭水平凍結(jié)加固為例，利用三維有限元分析人工凍土融沉引起的地層位移，總結(jié)出地表沉降的4個(gè)階段，并通過(guò)調(diào)整解凍和注漿加固方式有效控制與處理融沉問(wèn)題； 李文勇等[9]結(jié)合某地鐵聯(lián)絡(luò)通道的融沉注漿施工實(shí)例，指出對(duì)凍結(jié)土體進(jìn)行分區(qū)強(qiáng)制解凍融沉注漿是控制地表沉降的有效方法； 方江華等[10]對(duì)凍結(jié)過(guò)程中的凍結(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),確定凍結(jié)系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)壁后充填注漿和融沉補(bǔ)償注漿對(duì)地層融沉進(jìn)行控制。已有研究多針對(duì)施工后的短期融沉問(wèn)題，由于融沉影響的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)融沉引起的再次固結(jié)影響研究不足。本文以南京某地鐵聯(lián)絡(luò)通道融沉為例，對(duì)后融沉現(xiàn)象的原因及治理措施分析，以期為類似問(wèn)題治理提供參考。

1 工程概況

南京某地鐵區(qū)間隧道內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為350 mm，區(qū)間設(shè)置2座聯(lián)絡(luò)通道兼泵站，其中2#聯(lián)絡(luò)通道兼泵站長(zhǎng)18 m，埋深約為17.5 m,斷面布置見(jiàn)圖1。該聯(lián)絡(luò)通道采用復(fù)合襯砌，臨時(shí)支護(hù)層和永久結(jié)構(gòu)層之間設(shè)防水層，所處地層物理參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的特點(diǎn)及所處地層的特性，先采取凍結(jié)法加固土體，然后采用礦山暗挖法施工。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道橫斷面(單位: mm)

層號(hào)土層名稱層深/m含水率/%孔隙比液性指數(shù)壓縮系數(shù)/(MPa-1)壓縮模量/MPa黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1327.60.7740.990.296.888.1319.27②-2a3-4黏土5270.7650.970.257.5710.2821.88

2 聯(lián)絡(luò)通道破壞與融沉原因

2.1 破壞與沉降情況

在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車輛通過(guò)2#聯(lián)絡(luò)通道附近時(shí)上下震動(dòng)明顯。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，靠近聯(lián)絡(luò)通道處的道床與隧道管片局部存在剝離，部分管片破損，主要為內(nèi)層保護(hù)層剝落，破損位置基本在管片接縫附近，深度不大，未發(fā)現(xiàn)露筋現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)連續(xù)沉降觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)通道和附近隧道15 d累計(jì)沉降值為3.0～4.3 mm，聯(lián)絡(luò)通道處正線隧道累計(jì)沉降量最大，遠(yuǎn)離聯(lián)絡(luò)通道處正線隧道累計(jì)沉降量較小，距離聯(lián)絡(luò)通道18 m處隧道未發(fā)現(xiàn)沉降。此時(shí)，距聯(lián)絡(luò)通道抗融沉注漿結(jié)束已經(jīng)9個(gè)月。

2.2 原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和對(duì)沉降數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出以下沉降原因： 1)該聯(lián)絡(luò)通道位于軟塑、流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，地層條件較差。2)由于工期緊張，聯(lián)絡(luò)通道融沉未處理完全即施工道床，造成道床施工和運(yùn)營(yíng)期間融沉仍在繼續(xù)。3)由于聯(lián)絡(luò)通道位于隧道線路標(biāo)高最低處，隧道管片壁后又存在滲流通道，地下水沿該通道匯集于聯(lián)絡(luò)通道及泵房結(jié)構(gòu)外圍，使其周圍地層含水率較大，聯(lián)絡(luò)通道及泵房結(jié)構(gòu)壁后存在少量水囊，形成“蓄水池效應(yīng)”。在注漿開(kāi)孔過(guò)程中，花管發(fā)生大量噴涌，表明水壓力較高，也驗(yàn)證了該推測(cè)。4) 該種地層抗融沉注漿是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，凍結(jié)后的土體恢復(fù)原狀土周期長(zhǎng)，這在長(zhǎng)江漫灘區(qū)域是共性問(wèn)題。5) 因冷凍施工經(jīng)驗(yàn)不足，融沉注漿與復(fù)雜的凍融過(guò)程存在不協(xié)調(diào)性，注漿量無(wú)法及時(shí)補(bǔ)償凍土全部融化后產(chǎn)生的體積變化，土體固結(jié)后沉降過(guò)大導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)通道處道床與隧道管片剝離及部分管片破損。

3 治理原則及內(nèi)容

3.1 治理原則及工藝流程

為解決該聯(lián)絡(luò)通道的融沉問(wèn)題，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、融沉注漿機(jī)制及可注性進(jìn)行分析，提出以下治理原則： 1)在管片背后進(jìn)行填充式注漿，對(duì)隧道腰部壁后松散土體進(jìn)行加固，確保主線隧道標(biāo)高基本穩(wěn)定。對(duì)聯(lián)絡(luò)通道中心左右各15環(huán)進(jìn)行壁后充填注漿，漿液為水泥-水玻璃雙液漿。2)對(duì)泵房和聯(lián)絡(luò)通道基底進(jìn)行劈裂式注漿，提高其地基承載力，并適當(dāng)抬升聯(lián)絡(luò)通道以補(bǔ)償融沉量。3)施工過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，總結(jié)分析隧道隆降和管片收斂情況，根據(jù)隆降數(shù)據(jù)調(diào)整注漿參數(shù)和工藝。

注漿施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 注漿工藝流程

3.2 施工工藝及參數(shù)

注漿遵循“多點(diǎn)，均勻，少量，多次”的原則，注漿完成后對(duì)管路進(jìn)行沖洗，可用于反復(fù)注漿； 不注漿時(shí)，可以自由排水。起始注漿壓力控制在0.4 MPa以內(nèi)，正常注漿壓力為0.3 MPa(覆土壓力)，最大注漿壓力為0.4 MPa。單孔注漿以最大注漿壓力和設(shè)計(jì)單次注漿量作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，即達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量或達(dá)到最大注漿壓力后，立即暫停注漿。注漿施工選擇在地鐵停運(yùn)期間，即23:00至次日04:00。

3.3 漿液配置

采用雙液漿，水泥漿與水玻璃溶液體積比為1∶1，水泥漿水灰比為0.8～1.0，水玻璃溶液采用(35～40)°Bé水玻璃加水稀釋，水泥采用42.5水泥，水玻璃模數(shù)為 3.2。雙液漿的初凝時(shí)間應(yīng)根據(jù)施工需要調(diào)整，初凝時(shí)間太長(zhǎng)，漿液在土中擴(kuò)散范圍大； 初凝時(shí)間太短，漿液在土中擴(kuò)散范圍小。初凝時(shí)間為15～20 s時(shí)，擴(kuò)散范圍理想，影響區(qū)域半徑為8 m。

3.4 注漿孔布置及注漿原則

綜合地質(zhì)水文因素及聯(lián)絡(luò)通道現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，在聯(lián)絡(luò)通道中心左右各15環(huán)及聯(lián)絡(luò)通道范圍內(nèi)進(jìn)行注漿，注漿點(diǎn)位為道床以上、腰部以下管片吊裝孔及聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)注漿孔布置見(jiàn)圖3。若單孔注漿量過(guò)大，容易造成隧道局部發(fā)生較大的變形，使相鄰管片之間產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，進(jìn)而引發(fā)混凝土開(kāi)裂等形式的破壞。在注漿過(guò)程中，應(yīng)均勻布置注漿孔，并采用隔孔左右對(duì)稱壓注法。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)同一注漿孔進(jìn)行多次補(bǔ)充注漿，每孔單次注漿量不宜超過(guò) 1 m3，以避免發(fā)生較大錯(cuò)臺(tái)和混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

3.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在注漿過(guò)程中，對(duì)施工影響范圍內(nèi)的隧道實(shí)時(shí)垂直線型、斷面凈空收斂和軌面標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注漿結(jié)束后，對(duì)隧道進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于隧道拱頂、腰部及道床兩側(cè)，見(jiàn)圖4。根據(jù)南京河西地區(qū)軟土地基沉降經(jīng)驗(yàn)和慣例，運(yùn)營(yíng)地鐵隧道15 d的累計(jì)沉降值小于1.0 mm即判定隧道穩(wěn)定。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)注漿孔布置(單位： mm)

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

4 注漿隆降分析

本次注漿加固治理施工時(shí)間為74 d，注漿總量約100 m3。通過(guò)壁后注漿，聯(lián)絡(luò)通道及附近管片普遍發(fā)生抬升，其中隧道上行線最大隆起31.2 mm、下行線最大隆起29.8 mm，注漿效果顯著。聯(lián)絡(luò)通道處正線隧道抬升量最大，隨著與聯(lián)絡(luò)通道距離的增加，隧道抬升量逐漸減小，呈現(xiàn)出如圖5所示的拋物線形狀。

施工過(guò)程中，由于注漿的間斷性和軟弱地層沉降的共同作用，造成隧道沉降與起伏。為更好地研究注漿、排水與隧道隆降關(guān)系，選取典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)L1進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制該監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)變化曲線(見(jiàn)圖6)，并總結(jié)出聯(lián)絡(luò)通道沉降期的3個(gè)階段： 1)第1階段為快速回落階段，該階段為注漿過(guò)程產(chǎn)生的沉降累計(jì)變化?；芈浞日伎偝两盗康?8%，持續(xù)時(shí)間為13 d。該階段沉降的主要原因是漿液凝固收縮和土體壓縮變形，土中自由水快速排出，流速為150 mL/min，孔隙水壓力快速消散。2)第2階段為穩(wěn)定回落階段，本階段為自然沉降累計(jì)變化。回落幅度占總沉降量的12%，持續(xù)時(shí)間約為10 d。該階段沉降的主要原因是土體顆粒在自重應(yīng)力、上覆荷載及列車運(yùn)營(yíng)荷載等作用下重新排列固結(jié)，流速為20 mL/min，殘余孔隙水壓力緩慢消散。3)第3階段為穩(wěn)定階段，本階段為自然沉降累計(jì)變化。該階段的沉降量非常小，短時(shí)間內(nèi)幾乎無(wú)變化。土體進(jìn)入長(zhǎng)期的固結(jié)狀態(tài)中，附加孔隙水壓力基本消散完全，這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，并且對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的沉降影響微乎其微，可以看作穩(wěn)定階段。

圖5 注漿期間上行線隧道沉降變化曲線

圖6 聯(lián)絡(luò)通道典型測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化曲線(2015年)

Fig. 6 Curve of accumulated settlement of typical monitoring points in 2015

5 治理成果

注漿加固改善了聯(lián)絡(luò)通道和泵房周圍土體物理狀態(tài)，鉆孔取出的土樣為可塑-硬塑狀態(tài)，土層中有清晰的漿脈，消除了聯(lián)絡(luò)通道附近的“蓄水池效應(yīng)”，探孔沒(méi)有自由水繼續(xù)流出； 聯(lián)絡(luò)通道及附近融沉影響內(nèi)隧道整體隆起； 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)342 d的持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，上行線L1沉降量為0.4 mm,下行線L2沉隆量為0.7 mm，后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隧道未發(fā)生異常情況，表明聯(lián)絡(luò)通道已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論與討論

1)采用水泥-水玻璃雙液漿材料，以擠密-劈裂式注漿加固能夠有效阻止地層沉降，此注漿方法在軟弱的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中可以使隧道抬升30 mm以上。

2)沉降量快速回落階段是孔隙水排出量最大的階段，注漿加固輔助排水方法能加快土體固結(jié)速度。注漿加固與排水綜合治理冷凍融沉效果明顯，能快速提高隧道地基承載力，聯(lián)絡(luò)通道342 d的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果小于1 mm，表明聯(lián)絡(luò)通道已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)在軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中采用冷凍法施工時(shí)，需要進(jìn)一步研究冷凍前隧道地基加固設(shè)計(jì)的必要性。此外，地層排水方法在注漿與排水綜合治理融沉中的貢獻(xiàn)量也有待進(jìn)一步研究。

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Grouting Technology for Thaw Settlement of Metro Cross Passage during Operation Period

LI Zengli, WANG Wei*

(ChinaRailwayElectrificationBureauGroupRailwayEngineeringCompany,Beijing100036,China)

The thaw settlement occurs in cross passage of a metro in Nanjing constructed by freezing method during operation period. The causes for the thaw settlement, i. e. soft ground, irrational procedure connection and insufficient thaw settlement grouting, are analyzed in terms of ground characteristics, construction technology and environment factors. The thaw treating principle and technology of splitting-compaction grouting are adopted to reinforce the surrounding ground of cross passage, and grouting effect monitoring points are arranged within construction influencing scope. The results show that: 1) The thaw settlement can be effectively controlled by supplemented ground drainage on the basis of splitting-compaction grouting. 2) The settlement of cross passage during grouting can be divided into 3 phases, i. e. fast slowing down period, low slowing down period and stable period; the settlement rates and drainage volumes of every period are distinctive. 3)The maximum rising height of upline and downline of separated tunnels is 31.2 mm and 29.8 mm respectively; and the settlement of cross passage 342 days after grouting is less than 1 mm which indicates the rationality and feasibility of the grouting method.

metro; cross passage; soft soil; freezing method; thaw settlement; grouting reinforcement

2017-04-14;

2017-07-09

李增理(1964—)，男，陜西寶雞人，1988年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院，鐵道工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事地鐵工程、鐵路工程的施工管理與技術(shù)管理工作。E-mail: LK710605930@163.com。*通信作者： 王煒， E-mail: Huoer_go@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.018

U 455.49

B

1672-741X(2017)08-1032-05