浅析盾构穿越苏抚铁路时管片背后注浆技术

齐新成 高 照

摘要:在富水砂层地质中,通过优化施工工艺,合理选择管片背后注浆的技术参数,减小地表沉降量,保证盾构穿越苏抚铁路时列车的行车安全,将铁路处的沉降量控制在10mm范围之内。文章对盾构穿越苏抚铁路时管片背后注浆技术的施工工艺和技术措施进行了论述。

关键词:沉降量;盾构;背后注浆技术;苏抚铁路

中图分类号:U459文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0016-03

一、工程概况

沈阳地铁二号线一期土建工程第13合同段(会展中心站～世纪广场站)区间盾构隧道工程起点里程DK17+708.163,穿过浑河大街及苏抚铁路,至终点世纪广场站,终点里程为DK18+912.395,区间线路全长1204.232m。盾构掘进地层主要为粉质粘土、中粗砂。根据地下水的赋存条件、水理性质、水力性质和含水层结构特征,单井单位涌水量1816.67～3665.02m3/d·m,盾构区段属水量丰富区。

盾构穿越富水砂层地质,砂性土透水性强,容易出现涌水和流砂现象,从而引起开挖面失稳和地面下沉。在穿越局部含有砾卵石的中粗砂、砾砂层时,容易出现由于被切削头带动而扰动地层造成的超挖和地面下沉。注浆过程中,由于管片背后的水量大,对注浆的难度增加很多,施工中如没有控制好,容易造成管片背后填充不密实,容易出现地表沉降和管片漏水。

盾构穿越的主要地面建筑物为苏抚铁路。苏抚铁路分为上、下行两条铁道,24小时行走列车共23对(货车和客车),车流非常密集。铁路处于会～世区间里程为K18+123.395～K18+135.395 段内,右线排环在647环～657环,该处隧道埋深为16.3米。

二、背后注浆主要施工工艺

(一)管片衬砌背后注浆目的

管片衬砌背后注浆是盾构施工中的一项十分重要的工序,其目的主要有以下三个方面:

1.及时填充盾尾建筑空隙,支撑管片周围岩体,有效地控制地表沉降。

2.凝结的浆液作为盾构施工隧道的第一道防水屏障,增强隧道的防水能力。

3.为管片提供早期的稳定并使管片与周围土体一体化,有利于盾构掘进方向的控制,并能确保盾构隧道的最终稳定。

注浆工艺是实现注浆目的、保证地面建筑物、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要一环,因此必须严格控制,并依据地层特点及监控量测结果及时调整各种参数,确保注浆质量和安全。

(二)管片背后注浆施工工艺流程图

为了使环形间隙能较均匀地充填,并防止衬砌承受不均匀偏压,同时对盾尾预置的4个注浆孔进行压注,在每个注浆孔出口设置分压器,以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制,从而获得对管片背后的对称均匀压注。同步注浆施工工艺流程如图1所示:

(三)二次补强注浆

同步注浆使盾尾建筑空隙得到及时填充,地层变形及地表沉降得到控制,在浆液凝固后,强度得到提高,但可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产生空隙,因此为提高背衬注浆层的防水性及密实度,必要时再补充以二次补强注浆,进一步填充空隙并形成密实的防水层,同时也达到加强隧道衬砌的目的。

二次补强注浆一般在管片与岩壁间的空隙充填密实性差而致使地表沉降得不到有效控制或管片衬砌出现较严重渗漏的情况下才实施。施工时采用地表沉降监测信息反馈,结合洞内超声波探测管片衬砌背后有无空洞的方法,综合判断是否需要进行二次补强注浆。

(四)主要参数

1.注浆压力。同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压力及土压力之和,做到尽量填补同时又不产生劈裂。注浆压力过大,管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降,并易造成跑浆;而注浆压力过小,浆液填充速度过慢,填充不充足,会使地表变形增大,本标段即0.2～0.5MPa,二次注浆压力为0.3～0.6MPa。

2.注浆量。同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙,但同时要考虑盾构推进过程中的纠编、浆液渗透(与地质情况有关)及注浆材料固结收缩等因素。注浆量采用下式进行计算:

Q=Vλ

式中:Q——注浆量(m3)

λ——注浆率(取1.2～1.8,曲线地段及②3b地层段取较大值,其它地段根据实际情况选定);

V——盾尾建筑空隙(m3);

V=π(D2-d2)L/4

式中:D——盾构切削土体直径(即刀盘直径6.27m);

d——管片外径(6m);

L——管片宽度(1.2m);

V=π[(6.272-6.02)×1.2÷4=3.14m3。

根据本标段的地质及线路情况,注浆量一般为理论注浆量的1.2～1.8倍,并应通过地面变形观测来调节。二次补强浆量根据地质情况及注浆记录情况,分析注浆效果,结合监测情况,由注浆压力控制。

3.注浆速度及时间。注浆速度结合注浆泵性能及单环注浆量综合确定,应与掘进速度相适应,如注浆过快易造成盾尾漏浆,如注浆过慢则注浆充填效果不易达到。盾构机推进开始注浆,推进完毕注浆结束。

4.注浆顺序。同步注浆通过盾尾预留注浆孔在盾构机推进的同时压注,在每个注浆孔出口设置压力传感器,以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制,从而实现对管片背后的对称均匀压注。为防止注浆使管片受力不均产生偏压导致管片错位造成错台及坡损,同步注浆时必须对称均匀的注入。补强注浆应先压注可能存在较大空隙的一侧。

5.同步注浆结束标准及注浆效果检查。(1)注浆结束标准以注浆压力与注浆量进行双重控制,正常情况下要求每环注浆量不得小于5.2m3,以下情况应例外:1)在砂土地层,注浆压力很小而注浆量较大时,增加注浆量直至注浆压力达到注浆压力的下限;2)盾构机位于曲线段,考虑超挖,适当增加注浆量;3)自稳能力差的粘土地层,注浆量很小而注浆压力较大时,可能是由于盾壳周围岩土发生坍塌,影响了浆液的流动。在注浆压力达到注浆压力的上限时停止注浆,随后应进行二次补强注浆。(2)根据监测情况判断是否需要继续注浆。注浆效果检查主要采用分析法,即根据P-Q-t曲线,结合洞内超声波探测管片衬砌背后有无空洞、地表及周围建筑物变形监测结果进行综合分析判断,对未满足要求的,及时进行二次补强注浆。

三、盾构穿越苏抚铁路时管片背后注浆的技术措施

(一)同步注浆压力及浆液组成

由于管片背后的水量大,容易造成管片背后填充不密实。将同步注浆压力调整为规范底线0.2MPa,并在浆液中适度增加微膨胀剂,减少同步注浆浆液凝固后的收缩。注浆压力设定在0.2MPa,则每环的注浆量达到5.1～5.2m3,达到设计的162%。

同步注浆的浆液组成成份、理论配合比见下表:

(二)二次注浆压力及浆液组成

前期施工时,二次注浆的浆液为单液浆,组成成分为水泥、水。在注浆后,该单液浆初凝速度较慢,受地下水影响,流失较多。因此,在盾构穿越苏抚铁路时,采用双液浆,很好的固结同步注浆浆液,减少二次注浆浆液的流失。实行在同步注浆24小时后立即进行二次注浆。

前、后二次注浆的浆液组成成份、理论配合比对比见下表:

四、盾构穿越苏抚铁路时监测措施

右线区间盾构于2008年11月3日顺利穿越苏抚铁路。在该里程范围内共设了3个监测断面,每个断面设7个观测点,监测频率为1次/2小时,直到监测数据稳定。地表累计沉降量最大的断面观测趋势图如图2所示:

说明:观测每日为累积沉降数据,单位以mm计。

五、结论

根据趋势图1的数据显示,盾构穿越苏抚铁路时的累计沉降量最大值为4.13mm。沈阳这种富水砂层中采用盾构法施工,通过优化施工工艺,合理选择管片背后注浆的技术参数,减小了地表沉降量,沉降量控制在设计的10mm范围之内,保证了铁路的行车安全。沈阳地铁二号线13标工程通过科学研究,顺利、快速完成会～世区间的掘进,施工质量优良,监测信息准确,数据分析科学及时,2008年12月8日实现了盾构双线隧道贯通。通过本次研究,取得以下几点经验:

1.盾构在同步注浆后,在合适的时间使用双液浆进行二次注浆是完全有必要的,既能快速的固化壁后注浆的浆液,填充空隙,又能很好的起到防水作用,而且可避免管片的蛇行运动,促进管片的快速稳定。因此,必须根据地面沉降数据作好洞内二次注浆准备。每块管片上均有1个注浆孔,可以根据监测信息进行注浆,控制地表沉降。

2.针对地质的特殊性,需要制定一定的特殊措施,及时解决相应问题。若不考虑地质的特殊性,死搬硬套,很多问题就会出现,甚至负面影响巨大。

3.盾构穿越铁路施工时,不能只靠控制沉降来确保行车安全,在穿越铁路之前,通过走访调查铁道养护工人了解该处的前期地表状况、对盾构机所有设备进行检修、在施工过程中跟踪注浆情况、在地面进行沉降监测等都是必须的,绝不能麻痹大意。

4.同步注浆要做到真正的与掘进同时,严禁在没有同步注浆的情况下掘进。同步注浆浆液配比不仅要有一定的强度,并且凝结时间需控制在5～6小时。同步注浆的量控制在理论注浆量的1.5～1.8倍,同步注浆压力控制比地层水土压力大0.01～0.02MPa。

参考文献

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2]地盘工学会著,牛清山,等译.盾构法的调查·设计·施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]地下铁道工程施工及验收规范(GB50299-1999)[S].

作者简介:齐新成(1966-),男,江西婺源人,中国中铁四局集团第五工程有限公司工程师,研究方向:土木建筑工程。