WSS深孔注漿工法在礦山法區(qū)間下穿既有盾構區(qū)間中的應用研究

張 瑜

(北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100037)

1 概述

隨著城市地鐵日新月異的發(fā)展,多數(shù)地鐵設計要下穿既有軌道交通、橋梁、樓房或者商鋪等既有建(構)筑物[1～4]。為了在保證既有建(構)筑物安全、正常使用的前提下快速進行地鐵施工,施工前必須采取一定的措施對既有建(構)筑物基礎及其下方土體進行有效的加固,改善其物理力學性能,提高其自穩(wěn)能力,WSS深孔注漿工法以其可靠、經濟、環(huán)保等特點在地基加固中得到了廣泛的應用[5～7]。

本文以北京地鐵6號線礦山法施工平安里站—北海北站區(qū)間下穿既有盾構區(qū)間特級風險源工程為工程背景,介紹了WSS深孔注漿工藝在地層超前加固中的應用,為類似工程能夠提供一定的借鑒經驗。

2 工程背景

2.1 設計概況

北京地鐵6號線一期工程平安里站—北海北站區(qū)間(以下簡稱平—北區(qū)間)線路沿地安門西大街大街敷設,區(qū)間起點位于平安里站東端,終點位于北海北站西端,線路起止里程為右K8+469.725～右K9+599.691,右線長度約1 130 m。起始左、右線間距16 m,之后線路向東延伸，左、右線間距逐漸減小,線路里程在K8+600處,左、右線間距減至最小為12 m。區(qū)間采用礦山法施工,為單線單洞馬蹄形斷面、復合襯砌結構,區(qū)間隧道埋深16.6～20.32 m。

區(qū)間線路從平安里向東,在K8+495、K8+510處下穿地鐵4號線平安里站南端盾構區(qū)間(垂直下穿區(qū)域約21 m,影響區(qū)域約30 m),為特級風險源工程。4號線既有隧道為南北走向,左、右線中線里程分別為K8+495、K8+510,6號線隧道與4號線隧道平面垂直相交(圖1、圖2),6號線區(qū)間隧道拱頂與既有4號線盾構區(qū)間結構仰拱凈距約2.613 m。

圖1 6號線隧道與4號線隧道平面關系示意

圖2 6號線隧道與4號線隧道剖面關系示意(單位：m)

2.2 水文、地質條件

施工范圍地層由上至下依次為：雜填土①1、粉土③、粉質黏土③1、圓礫-卵石⑤、粉質黏土⑥、圓礫-卵石⑦。

6號線區(qū)間隧道位于圓礫-卵石⑦層中,拱頂上方10～50 cm存在一層粉質黏土⑥,厚度約80 cm。4號線區(qū)間隧道位于圓礫-卵石⑤層中。

區(qū)間共有4層地下水,分別為上層滯水、潛水、層間潛水、承壓水,其水位高程分別為：

(1)上層滯水 靜止水位高程39.44～36.87 m, 水位埋深8.40～10.60 m；

(2)潛水 靜止水位高程33.10～30.54 m,水位埋深14.80～17.30 m；

(3)層間潛水 靜止水位高程23.25～22.23 m,水位埋深24.50～26.70 m；

(4)承壓水 靜止水位高程20.27～18.84 m,水位埋深28.00～29.00 m。

2.3 管線條件

區(qū)間下穿既有盾構區(qū)間段無重要市政管線影響施工。

2.4 沉降控制要求

根據(jù)《北京市軌道交通工程建設風險技術管理體系(實行)》,區(qū)間下穿既有軌道交通屬于特級環(huán)境風險源工程,尤其該區(qū)間采用礦山法施工下穿既有盾構區(qū)間在北京屬首例,既有4號線已經進入試運營階段,所以施工控制沉降要求比較嚴格。根據(jù)設計要求,區(qū)間施工期間既有4號線盾構區(qū)間累計沉降容許值為10 mm,沉降速率容許值為1.5 mm/d。

3 WSS工法加固方案

3.1 加固方案

平—北區(qū)間采用上、下導洞臺階法施工,上導洞上臺階開挖預留核心土,區(qū)間正線拱頂為黏土地層,上半斷面處于圓礫-卵石地層,該地層卵石含量約60%,卵石直徑1～6 cm,呈亞圓形,中粗砂填充,級配良好。為了保證開挖時既有4號線下方土體穩(wěn)定，從而有效控制既有線結構的沉降,根據(jù)設計文件要求,區(qū)間正線開挖前采用WSS工法對區(qū)間正線上半斷面土體進行深孔注漿加固,深孔加固一次性施作深度30 m,自橫通道水平施作,注漿加固范圍及孔位布置如圖3所示。

圖3 區(qū)間斷面深孔注漿加固范圍及孔位布置(單位：mm)

3.2 加固工藝原理、特點及現(xiàn)場結合情況

WSS深孔注漿工藝[8]是一種定壓、定量、定向的地基基礎處理工法,在不改變地層組成的情況下,將土層顆粒間存在的水強迫擠出,使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固結,達到改良土層性狀的目的,注漿工藝流程如圖4所示。注漿中,注漿達到一定壓力后,在注漿孔周圍會產生一定大小的泡體,隨著壓力的不斷增加,漿液泡體上方的土體會產生一個圓柱體,從而改良土體的物理指標。該工法具有如下特點。

圖4 WSS深孔注漿工藝流程

(1)采用特殊的端點監(jiān)控器和二重管噴射方式,使注入系統(tǒng)設備簡單,具有很高的可靠性、經濟性。針對本區(qū)間砂卵石地層,施工過程中,通過端點監(jiān)控器實時控制鉆孔角度,并結合二重管雙液漿注漿加固地層。

(2)可以進行一次、二次噴射切換,回路變換裝置容易實行,所以能實行復合噴射?，F(xiàn)場實施過程中,成孔后一次噴射采用改性水玻璃單液漿,待漿液自孔口流出后,然后采用雙液漿進行二次噴射。

(3)瞬結性一次噴射和浸透性二次噴射的復合比率,在土層改良時可以自由地設定,從黏性土、砂質土到地下水非常多的砂礫層,以及更加復雜的復合地層都可以適用。本次深孔注漿主要針對圓礫-卵石地層,注漿漿液采用雙液漿。

(4)二次噴射材料是低黏性且凝膠時間長的浸透性漿材,可以用壓力噴射到均勻的土質顆料之間,這樣的操作方法可以減少對周圍建筑的影響。本次深孔注漿目的主要是加固6號線區(qū)間拱頂至既有4號線底板下范圍內的土體,通過該技術可有效控制漿液擴散范圍,減少對既有4號線結構的影響。

(5)由于一次噴射是限制噴射,二次噴入是滲透噴射,漿材不會向噴入范圍外溢出,從而有利保護地下環(huán)境而不被污染,同時對噴射量能得到有效控制。

3.3 現(xiàn)場加固施工

深孔注漿采用WSS工法分段后退式注漿工藝,注漿施工工藝籌劃流程如下：搭設作業(yè)平臺→設置排水設施→鉆機就位→水平鉆孔→注漿→下循環(huán)鉆孔、注漿→注漿完畢→拆除腳手架、清理現(xiàn)場。注漿漿液采用雙液漿[9],即A液和B(C)液的混合物。A液為稀釋后的水玻璃,B液由硫酸等化學外加劑和水組成。化學外加劑主要是調節(jié)漿液的可灌性和混合液的凝結時間,因此在施工現(xiàn)場中,外加劑的添加應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行適當?shù)恼{整。B液各成分放入攪拌機的順序依次為：水、化學外加劑,兩種漿液在注入之前必須攪拌均勻,并經常檢查混合后的漿液凝固時間是否適應現(xiàn)場施工環(huán)境,C液為水泥漿。A、B漿液和A、C漿液配比均為1∶1,詳見表1。

表1 化學漿注漿材料配比

(1)布設注漿孔位：在保證深孔注漿效果、確保區(qū)間正線開挖時既有4號線安全的前提下,本著經濟合理的原則進行注漿孔的布置,環(huán)向間距約1 m,水平打設,梅花形布設,孔位布置見圖3。

(2)搭設作業(yè)平臺：深孔注漿施工前須在施工橫通道搭設深孔注漿施工作業(yè)平臺,作業(yè)平臺的搭設采用A42鋼管、扣件及40 mm厚木板,腳手架設置斜撐和剪刀撐,如圖5所示。

圖5 作業(yè)平臺立面

(3)設置排水溝：為了做到文明施工,確保在鉆孔時孔中流出的水和注漿中溢出的液體有序排到地面,沿著橫通道東墻在臨時仰拱上用磚砌一道排水溝,寬度1 m,高30 cm,在東側出渣料斗平臺設置儲水桶,并將施工排出來的水用PVC管引流到儲水桶。儲水桶中設一30 m揚程水泵,由專人看守并及時將水抽入井上至洗車槽,避免橫通道被水浸泡。

(4)鉆機就位水平鉆孔：注漿孔采用水平鉆機打設,鉆機鉆桿可360°調整角度,鉆桿采用φ42 mm鋼管,本次深孔注漿施工一次性施作深度達30 m,為了避免由于鉆桿本身的自重造成在鉆孔過程中孔位的偏移,鉆機左右調整好位置后,鉆孔前每個孔位水平向上調整3°，以確保成孔的水平度。

(5)深孔注漿：注漿采用二重管噴射式注漿,噴入管同樣采用φ42 mm鋼管,用注漿泵將A、B無收縮雙液漿[10]分別壓入外管和內管,并在二重管的端頭混合室內混合,通過濾網在水平方向實行噴射,使?jié){材能浸透到地層中,注漿過程中嚴格控制注漿壓力不大于1.2 MPa并加強對既有4號線結構的監(jiān)控量測,做到信息化施工。

(6)注漿參數(shù)控制與實際注漿：本次深孔注漿主要在卵石地層進行,注漿加固范圍為區(qū)間正線上半斷面,加固體體積約510 m3(單線),按0.6的孔隙率,設計注漿量約306 m3,設計注漿壓力小于1.5 MPa?，F(xiàn)場實際終壓1.0～1.3 MPa,注漿量約350～359 m3,注漿損失約14%,加固區(qū)域注漿參數(shù)與實際對照見表2。

表2 加固區(qū)域注漿參數(shù)與實際對照

注漿效果檢測：注漿施工結束后,通過在注漿體內鉆孔,用壓水、注水或抽水等方法測定地基的流量及滲透系數(shù),不合格的需進行補充注漿。檢查孔的數(shù)目約為總注漿孔數(shù)的5%～10%。

完成注漿施工后將鉆機移至下一孔位，循環(huán)進行下一孔位的鉆孔和注漿施工。

3.4 加固效果

區(qū)間正線下穿既有線段開挖施工以來,既有線結構累計沉降值為7.54 mm,最大沉降速率為0.7 mm/d,雙控指標均沒有超過設計容許值,有效地保證了區(qū)間隧道開挖施工時既有線的安全及正常使用。深孔注漿效果如圖6所示。

圖6 深孔注漿效果

本次深孔注漿在2009年7月20日～8月1日進行,根據(jù)圖7沉降曲線可以看出,在該段時間內沉降值為負值,既有線側墻結構為隆起狀態(tài),可見深孔注漿對既有線結構起到了較好的抬升作用,為后期開挖的沉降控制創(chuàng)造了良好的條件。

圖7 下穿既有線施工沉降區(qū)間趨勢

4 結語

以城市地鐵礦山法施工區(qū)間隧道下穿既有軌道交通盾構區(qū)間特級風險源工程為背景，介紹了WSS深孔注漿工法在地層超前加固中的應用,礦山法區(qū)間近距離下穿既有盾構區(qū)間施工在北京尚屬首例,施工過程中通過采取深孔注漿加固工藝,有效加固了土體,有效地控制了地層沉降和由于沉降帶來的對既有4號線的結構安全的破壞,保證了既有4號線結構安全和正常使用,同時也很好地保證了6號線區(qū)間暗挖施工過程中的安全。該工藝可有效改良土體,提高土體剛度和自穩(wěn)能力,對于保證暗挖施工,控制沉降作用效果顯著,且具有可靠、經濟、環(huán)保、方法簡捷、操作簡單等特點,具有較好的發(fā)展前景,為今后的類似工程提供了寶貴的借鑒經驗。

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