摘 要:就注浆法在盾构推进穿越已运营地铁隧道中的应用作一深入探讨,并结合XX市轨道交通4#线盾构推进穿越2#线(已运营)的工程实例,并在对工程地质情况调查的基础上,进行了严密的理论计算,确定了施工方案,实施过程中采用了“分段、跳环、跳孔、单孔分层多次高压劈裂注浆技术”对两隧道间软弱夹层进行加固,注浆的同时在2#线隧道内安装电子水平尺进行实时监测,工程取得成功。
关键词:注浆;盾构推进;穿越;已运营;隧道
XX市轨道交通4#线工程XX站—XX站区间隧道位于XX及XX之下,北起XX站(与地铁2#线XX站相邻),南至XX站,全长670ｍ,根据提供的路线平面图及剖面图:该区段隧道在XX、XX及XX交汇处从地铁2#线下面斜交穿越地铁2#线。为确保该区段隧道及运营中的地铁2#线的安全。除盾构推进过程要求采取必要措施外,还必须对近距离隧道间软弱土夹层进行加固。
1 加固措施
盾构在推进过程中会对周围的土体造成的不定量的超挖(或欠挖)和扰动,使隧道轴线附近的地面以及地下构筑物造成一定量的沉降影响。而所穿越的地铁2#线位于4#线隧道上方,最近的距离为1.045ｍ。并且4#线隧道以379.851ｍ半径斜线穿越运营中的地铁2#线隧道,这将增加对隧道周围土体的扰动和超挖。虽然在推进过程中对同步注浆也有非常严格的控制,但同步注浆为惰性浆液,考虑到惰性浆液凝结时间长、强度低、不稳定等诸多不利因素,因此在盾构顺利穿越2#线后,必须对近距离2条隧道间软弱土夹层进行加固。经多方论证,并充分考虑加固施工的可行性、安全性及操作的可控制性,最终选定双液注浆加固。注浆加固利用管片上的注浆孔。注浆加固分4步进行:
(1)隧道盾构施工后,在保证注浆对盾构推进没有影响的前提下,对隧道进行双液同步注浆加固。具体实施为:在盾尾后5～8环处从隧道上部预留注浆孔进行同步注浆,在盾尾后10环以后从隧道下部预留注浆孔进行同步注浆。
(2)在同步注浆施工过程中,在对地铁2#线有影响的施工区段从隧道顶部90°范围内的预留注浆孔中打入适当数量的预埋注浆管,预埋注浆管深度暂定为3ｍ,如孔位距地铁2#线隧道管片外壁距离不足3ｍ时,预埋注浆管打入深度为距地铁2#线隧道管片外壁20ｃｍ左右。预埋注浆管打入后,根据监测数据和实际要求,随时准备进行跟踪注浆加固,以达到保护地铁2#线的目的,在变形较大时起到一定的纠偏作用。
(3)在同步注浆施工过程中及结束后,对地铁2#线有影响的施工区段范围内的惰性浆液进行置换注浆加固(置换注浆加固为双液注浆),以彻底置换掉惰性浆液,置换注浆加固范围为管片外0.5ｍ。
(4)在隧道置换注浆施工结束后,对该区段两隧道间软弱土体进行双液注浆加固。加固区段为下行线隧道341～451环、上行线隧道114～239环。施工范围为隧道顶部90°范围内的5只预留注浆孔以上、地铁2#线中心线以下范围内的土体,加固后的土体应有良好的均匀性和较小的渗透系数,注浆加固后土体强度要求≥1.2ＭＰａ。两条隧道推进结束后,根据实测资料,可对变形较大的部分,打开预留的注浆孔,进行再注浆,达到控制变形的目的。
2 模拟实验
在盾构穿越地铁2#线前,在XX路上布设两排深层沉降监测点,模拟盾构穿越地铁2#线时现有隧道沉降情况,用以指导盾构穿越地铁2#线时的施工参数。
因受模拟推进区段路面实际情况的影响,经与管线及道路管理部门协商,根据沉降槽对称性原理,点位从隧道轴线上方向单侧布设。具体位置布设在Ｚ321、Ｚ324、Ｚ330、Ｚ345、Ｚ350及Ｚ355处,每排1～2只测点,测点深度轴线点距离盾构面1.40ｍ。模拟推进的目的是检测所拟定的盾构推进所有主动技术保护措施的实际效果以及盾构推进的过后惰性浆液同步注浆。双液同步注浆、置换注浆,以及土体加固注浆和跟踪注浆效果,用以指导正式穿越施工。主要检测指标是地面沉降量、盾构上方1.4ｍ处土层垂直位移量。
模拟推进的长度为20m，前影响区20ｍ,后影响区10ｍ,共计50ｍ。
盾构推进进入模拟区域, 在盾构推进穿越深层监测点前,测点有一个持续缓慢的隆起过程，在盾构推进穿越深层监测点后, 测点有一个持续缓慢的沉降过程。在ＳＣ321、ＳＣ324、ＳＣ330点的累计沉降由正变为负数时,开始对上述区域的隧道顶部进行注浆补浆施工。在SC345点的累计沉降接近为零时开始对ＳＣ345点对应区域的隧道顶部进行注浆补浆施工。在ＳＣ350、ＳＣ355点开始出现明显沉降加速趋势时,对ＳＣ350、ＳＣ355两点对应区域的隧道顶部进行注浆补浆施工。
注浆施工以少量多次为原则,在测点刚脱出盾尾时,测点沉降速度较快,注浆补浆每天施工1～2次,每次注浆量400Ｌ/孔;经过几次注浆后,测点沉降速度变缓,注浆补浆改为每2～3ｄ施工一次,每次注浆量400Ｌ/孔;当测点稳定后,补浆施工不再进行。
根据沉降观测记录显示,在注浆补浆后,观测点有明显的回升,经一段时间的稳定后再次沉降,但沉降速率明显减慢。注浆施工控制以少量多次,每次注浆后以达到稳定测点并略有回升为原则,单次注浆应将其抬升量控制在1.0～2.0ｍｍ以内,如此反复多次,以达到稳定的目的。
根据模拟实验结果,在隧道管片完全脱出盾尾及其后面附属设备的这一时间段内,通过同步补充注浆,可以将地铁2#线的沉降控制在3～4ｍｍ以内,为后续置换注浆、土体加固注浆及跟踪注浆创造了有利的时间和空间效应。在后续注浆施工时,再将地铁2#线逐步恢复到原位。
3 施工技术要点
(1)注浆孔选择、布置:该本次双液注浆孔布置在上行线隧道117～239环、下行线隧道341～451环的拱底、标准、邻接块中预埋件1和预埋件4的压浆预留孔内(土体加固注浆及跟踪注浆仅利用顶部5只预留注浆孔),隧道管片每环间距1.2ｍ,每环中预留孔为16只。
先用冲击钻将预留孔疏通,置换注浆将1.0ｍ的注浆管振动插入孔内至隧道管壁外侧0.5ｍ处;土体加固注浆及跟踪注浆将1.0ｍ的注浆管采取内丝连接振动插入孔内至隧道管壁外侧要求的深度处。随即将特制的防喷装置安装好,并将单向球阀接在注浆管上,以便注浆。若出现有浆液或地下水渗漏的情况时,先将防喷装置安装在预留孔中,并接上单向球阀,直接将安装有防漏密封圈的注浆无缝钢管打入注浆孔至设计深度,以达到防止地下水或浆液渗漏的目的。
(2)施工流程。同步注浆施工流程见图1。
置换注浆、土体加固注浆、跟踪注浆施工流程:确定孔位→疏通预留孔→振插注浆管→安放防喷装置→配浆→注浆→拔管→分层注浆→拔管→孔口注入封闭浆→洗浆管移位。
(3)双液浆配比:为尽量减少注浆过程对地铁2#线及周边环境的影响,经过计算及实验,选用收缩率小于5%的浆液配比,具体如下:甲液为水∶水泥∶粉煤灰∶膨润土=100ｋｇ∶100ｋｇ∶100ｋｇ∶5～8ｋｇ;乙液为35°水玻璃30～50ｋｇ。
如注浆孔需多次打开重复注浆,双液注浆施工结束后,在洞口区域注入适量的封闭浆以保证再次注浆时注浆孔能顺利被打开。
(4) 施工技术参数:
注浆压力:≤0.5ＭＰａ;
注浆流量:10～15Ｌ/ｍｉｎ;
注浆量:200～400Ｌ/孔(同步注浆、置换注浆);
双液浆初凝时间:30～45ｓ。
(5) 浆液形成、运输与注浆过程,同步注浆、跟踪注浆及二次置换注浆,注浆设备跟在盾构机后,材料用电瓶车运入隧道,根据需要,随时进行注浆。
穿越区域土体加固注浆施工时盾构推进已结束,对象为下行穿越地铁2#线的轨道交通4#线内预留孔向外进行,由于地铁隧道内空间有限,仅在地铁车站两端头口与地面相通,给运输施工设备与材料带来困难,针对具体情况,采取如下措施:
①地面拌浆:设置地面拌浆,依据浆液具体配比分别配成甲液、乙液,储于地面储浆桶内。
②输浆管输送浆液:将配成的甲、乙浆液分别通过输浆管输送入隧道。
③隧道内混合:将通过输浆管输送来的甲、乙两液按一定比例混合后立即用注浆泵注入孔内。
④注浆顺序:为减少浆液渗漏,降低注浆压力,采取分段施工形式,以每50环为一个施工段,每段实施施工一环跳三环的跳环形式施工,每环一次施工受力均衡的2～3只孔。置换注浆实施一环隔三环施工。同时,根据监测情况调整注浆量和压力,注浆结束后,拔除注浆管,封闭孔口。
(6)注浆压力及流量控制:注浆压力控制在0.5ＭＰａ以下,注浆流量控制在10～15Ｌ/ｍｉｎ。
(7)注浆量控制:同步注浆根据监测数据,注浆量在200～400Ｌ/孔范围内调节,注浆以少量多次为原则,结合监测数据,按照规定抬升量进行控制。置换注浆注浆量为400Ｌ/孔,2400Ｌ/环;同时结合注浆压力进行控制。跟踪注浆注浆量按实际要求而定。双液注浆注浆量根据每段加固土体方量以及所要加固的土体进行调整,④、⑤—1层土要求加固体的Ｐｓ值增加约1倍,根据施工经验,注入浆量为加固土体方量的20%(即水泥掺入量约5.5%),同时结合注浆压力进行控制。每只孔分为6个注浆段,每次施工一个注浆段,各个注浆加固段注入浆量分别为：
①5.6～6.1ｍ:0.276ｍ3; ②5.1～5.6ｍ:0.252ｍ3; ③4.6～5.1ｍ: 0.229ｍ3;④4.1~4.6m:0.205ｍ3;⑤3.6～4.1ｍ:0.181ｍ3;⑥3.1～3.6ｍ:0.158ｍ3;每只孔总计注入浆液方量为1.301ｍ3。⑤-2层土因原状土Ｐｓ较高，注浆时浆量适当减少。
(8)注浆时间的选择:除2#线隧道发生较大变形需及时纠偏外,注浆时间选择在地铁2#线停运的23:00至次日凌晨6:00,以保证注入的双液浆有一定的凝固时间,提高加固效果。
(9)工程施工中遇到的问题和解决办法:
①防喷:隧道外地下水十分丰富,局部较深处甚至有承压水,在疏通预留孔及放置注浆管时,采用特制防喷装置,防止地下水渗漏和喷射,确保隧道安全;同时在注浆过程中,确保注入浆液初凝时间满足配比要求,使浆液尽快凝固,减少地下水和浆液渗漏。
②漏浆:具体施工中可能由于注浆管插入预留注浆孔后,在注浆的同时可能会造成沿注浆管外侧返浆、冒浆及临近孔冒浆现象。采用特制的防喷装置,进行防喷和堵漏,施工结束时,待双液浆初凝后将注浆管拔出,清洗孔口,用专用盖封闭,并将现场清洗干净。
③顶壁邻接块预留孔距地面较高不利于施工的解决办法:针对离开隧道底部有一定距离的标准块、邻接块高空斜向成孔和注浆,采用现场搭建可移动工作平台解决施工困难。
4施工监测
在4#线隧道及地面布置测点对注浆全过程进行跟踪监测和注浆后的延时监测;在地铁2#线隧道内布置电子水平尺进行24ｈ实时监测;以尽量减小注浆对4#线隧道、地铁2#线和周边环境的影响,并根据测量数据及时调整施工参数和施工顺序,做到信息化施工。
5 结束语
在上海地铁建设施工中盾构法推进穿越已建成并投入运营的地铁隧道,此前仅人民广场站地铁2#线穿越地铁1#线有过一次。但上次穿越区域紧邻车站,且穿越形式为直交穿越,其对1#线的影响程度较小,紧邻车站又为其纠偏和加固等提供了十分便利的条件。而本次穿越区域在远离车站的隧道区间中间,埋深大,土质差,且穿越形式为小角度弧形斜交穿越。对被穿越隧道影响距离长,弧形段的施工土方超挖更加剧了对土体的扰动,对被穿越隧道而言是很大的威胁。
经反复验算及多方反复论证,我们最终确定了上述加固保护方案,经模拟实验段验证有效可行。上海地铁监护公司提出的地铁保护要求是:施工期间隧道累计变形量不超过±3ｍｍ,施工结束后1年的累计变形量不超过±5ｍｍ。在实施过程中,在我方的努力及相关各方的大力协助下,施工期间隧道累计变形量均控制在±2ｍｍ以内,施工结束后1年测量的累计变形量最大处为-2.3ｍｍ,大大好于保护要求,工程取得了圆满成功。
