克泥效抑制沉降技術(shù)在盾構(gòu)下穿鐵路路基中的應(yīng)用

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)在穿越復(fù)雜地質(zhì)條件和既有建構(gòu)筑物時(shí)面臨著地表沉降控制的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是在下穿鐵路路基等敏感區(qū)域時(shí)，地表沉降的控制尤為重要。克泥效抑制沉降技術(shù)作為一種有效的地層加固和沉降控制手段，近年來在盾構(gòu)施工中得到了廣泛應(yīng)用。

1工程概況及水文地質(zhì)情況

1.1 工程概況

天津市軌道交通Z4線一期地下土建工程濱海文化中心站至泰達(dá)站，雙線設(shè)計(jì)起訖里程為 YDK12+457.575～ YDK12+879.027 ，長(zhǎng)度為421. 452m 。該區(qū)間從最低點(diǎn)局部采用反坡設(shè)計(jì)，以便將積水引入濱海文化中心站進(jìn)行排水。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土管片錯(cuò)縫拼裝形成環(huán)結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)徑為 5900mm ，外徑為6600mm ，厚度為 350mm ，寬度為1.5m。盾構(gòu)機(jī)從濱海文化中心站出發(fā)，沿著規(guī)劃的洞庭路盾構(gòu)，依次穿越了德仁道、規(guī)劃的德馨道、洞庭路的U型槽，側(cè)穿濱海立交橋，隨后繼續(xù)下穿頂管保護(hù)涵、天津港進(jìn)港二線鐵路和北塘新港聯(lián)絡(luò)線鐵路，最終到達(dá)泰達(dá)站小里程端的盾構(gòu)井。

1.2水文地質(zhì)情況

1.2.1 淺層潛水

該盾構(gòu)區(qū)間地下水系統(tǒng)分為淺層潛水與微承壓水兩部分。淺層潛水主要存在于地表至較淺深度，其埋深范圍在 0.20～5.50m 之間。這些潛水主要賦存于四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系全新統(tǒng)上組河床-河漫灘相沖積層、第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積層等多種土壤互層中，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉砂是主要含水層。含水層的滲透性在水平和垂直方向差異較大，當(dāng)粉土中含有較多砂粒時(shí)，其富水性和滲透性會(huì)增強(qiáng)。

潛水主要受到大氣降水和地表水的補(bǔ)給，其水位隨季節(jié)變化，豐水期上升，枯水期下降，多年平均變化幅度為 0.8m 。由于含水介質(zhì)顆粒較細(xì)，水力坡度小，地下水流動(dòng)緩慢。潛水主要通過蒸發(fā)、人工開采以及向下補(bǔ)給微承壓水等方式排泄[]。

1.2.2 微承壓水

該盾構(gòu)區(qū)間微承壓水位于潛水之下，以第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積層淤泥質(zhì)土及黏性土為隔水頂板，主要賦存于下部地層的砂質(zhì)粉土中。這些微承壓水被粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等隔水層所限制，并存在于第四系全新統(tǒng)上組河床-河漫灘相沖積層及第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積層的多種土壤層中，黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉砂等是主要含水層。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)可知，這些含水層的最大厚度可達(dá)18.5m，且基本呈層狀分布。 Z4-2Zx-09GS4 水文孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，微承壓水的穩(wěn)定水位埋深為7.26m（高程為 -5.30m ）。

2地表沉降的控制

2.1 地表沉降原因

在盾構(gòu)施工作業(yè)中，地表沉降是一個(gè)不可忽視的問題，伴隨著土層的變化而發(fā)生，并通常經(jīng)歷早期沉降、開挖面沉降、盾構(gòu)機(jī)通過沉降、盾尾空隙沉降及后續(xù)沉降這5個(gè)階段。其中，盾構(gòu)機(jī)通過沉降尤為顯著，占總沉降量的 15%～30% 。

出現(xiàn)沉降的主要原因在于盾構(gòu)機(jī)刀盤切割土體時(shí)，造成結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，同時(shí)掘進(jìn)過程中的非水平姿態(tài)也加劇了地層的變化。盡管為了填補(bǔ)盾體外殼與管片間的空隙采取了同步注漿措施，但注漿作業(yè)往往在盾構(gòu)機(jī)尾部后方進(jìn)行，使得注漿時(shí)間滯后于掘進(jìn)過程，無法及時(shí)遏制盾體周邊土體形變。加上盾構(gòu)機(jī)刀盤、前盾、中盾、后盾直徑不同，使得盾體與土體間存在3～5cm 的間隙。每當(dāng)掘進(jìn)一環(huán)（約1.5m）時(shí)，前盾周圍就會(huì)形成一個(gè)約 0.35m³ 的空腔。特別是在盾構(gòu)機(jī)穿越對(duì)地表變形有嚴(yán)格要求的鐵路路基時(shí)，空腔的存在對(duì)地表沉降的影響尤為顯著。

2.2地表沉降的危害

在盾構(gòu)機(jī)穿越地面建筑物施工過程中，掘進(jìn)操作和注漿作業(yè)的壓力及注漿量的多少，都會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)，從而引發(fā)地面沉降或回彈現(xiàn)象。這些變化一旦超出安全范圍，就可能對(duì)周圍建筑物構(gòu)成安全威脅，甚至造成結(jié)構(gòu)損害。因此加強(qiáng)盾構(gòu)施工的監(jiān)控和測(cè)量工作，對(duì)于確保施工安全和保護(hù)周邊環(huán)境非常重要。

2.3地表沉降控制方法

2.3.1科學(xué)制定控制指標(biāo)

在地面布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控土體結(jié)構(gòu)變化，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)靈活調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，從而最大限度減少地層擾動(dòng)和地面變形。在設(shè)定控制指標(biāo)時(shí)，必須充分考慮不同建筑物的特性和鑒定結(jié)果，確保施工活動(dòng)對(duì)周圍建筑物的影響最小化。然而在實(shí)際施工過程中，完全避免地表沉降十分困難，關(guān)鍵在于如何將沉降控制在安全范圍內(nèi)[2]。為此，需要根據(jù)盾構(gòu)穿越具體構(gòu)筑物的情況，科學(xué)制定地表變形控制指標(biāo)。

2.3.2設(shè)定預(yù)警值

地表變形控制指標(biāo)應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有設(shè)備儀器的檢測(cè)精度。該盾構(gòu)區(qū)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，制定了詳細(xì)的地表變形控制指標(biāo)。與此同時(shí)，為了提高施工安全性，將控制值的 70% 設(shè)定為預(yù)警值。一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接近或達(dá)到預(yù)警值，應(yīng)當(dāng)立即采取措施，調(diào)整施工參數(shù)或采取額外加固措施，以確保盾構(gòu)施工的安全和周邊建筑物的穩(wěn)定。該盾構(gòu)區(qū)間地面沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，其地表沉降控制指標(biāo)如表1所示。

表1該盾構(gòu)區(qū)間地表沉降控制指標(biāo)

3克泥效抑制沉降技術(shù)

3.1克泥效抑制沉降原理

克泥效是一種新型抑制沉降材料，其抑制沉降的原理在于其與土體分子之間的物理化學(xué)作用。克泥效材料主要由納米級(jí)無機(jī)粉體和無機(jī)硅酸鹽結(jié)合物等組成，這些成分在與土體接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)。其中，克泥效中的硅酸鹽成分可與土體中的水分和離子發(fā)生反應(yīng)，形成新的硅酸鹽礦物。這些礦物具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)了土體的整體強(qiáng)度。

克泥效材料的納米級(jí)無機(jī)粉體可以填充土體中的微小孔隙，形成更加緊密的土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了土體的承載力和抗沉降能力。克泥效材料還具有一定的化學(xué)固化作用，在添加固化劑和催化劑等化學(xué)物質(zhì)后，可以改變土壤和巖石中含水層的離子濃度和結(jié)構(gòu)，使其固化成為堅(jiān)硬的固體，可增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，提高其抗?jié)B性和耐久性。

3.2克泥效抑制沉降的作用

在盾構(gòu)下穿鐵路路基施工過程中，特別引入了隧道工程用外周填充材料克泥效，用來抑制的地層沉降。盾體和土體之間的空隙如果不能得到及時(shí)填充，就會(huì)導(dǎo)致地下水涌入。而克泥效材料正是通過填充這些空隙實(shí)現(xiàn)抑制沉降。克泥效材料具有極高的黏性和流動(dòng)性，通過盾構(gòu)機(jī)盾尾上預(yù)留的超前注漿孔，注入到盾體和土體之間的空隙中。在注漿過程中，克泥效材料會(huì)快速地?cái)U(kuò)散并填充空隙，形成一層密實(shí)的防護(hù)層，防止地下水涌入，有效減少地層沉降。

3.3克泥效抑制沉降施工流程

該盾構(gòu)區(qū)間的粉砂地層黏性差、透水性強(qiáng)，盾構(gòu)施工過程中的土體擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土體自然下沉，對(duì)鐵路路基的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。為解決這一問題，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需同時(shí)應(yīng)用克泥效抑制沉降技術(shù)。該技術(shù)先于同步注漿前，利用配管系統(tǒng)分別將高濃度泥水材料與強(qiáng)塑性調(diào)整劑輸送至盾體徑向孔，再將兩者按比例混合，生成高黏度塑性膠化體。在盾構(gòu)穿越鐵路路基的掘進(jìn)過程中，

此膠化體會(huì)被同步注入盾體外圍，填充盾體與土體間的空隙，有效遏制盾構(gòu)推進(jìn)引發(fā)的第三階段沉降，并對(duì)第四階段沉降起到輔助控制作用。通過地表設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，可調(diào)整變頻器參數(shù)，確保注漿量精準(zhǔn)控制。克泥效抑制沉降作業(yè)點(diǎn)設(shè)于前盾肩部，其施工流程如圖2所示。

圖1地面沉降觀測(cè)點(diǎn)布置

圖2克泥效抑制沉降施工流程

4克泥效抑制沉降技術(shù)的應(yīng)用

4.1漿液比例及注漿方法

4.1.1 漿液比例

克泥效抑制沉降技術(shù)的核心，在于通過特定比例混合的A液（泥水材料）與B液（水玻璃液）來迅速且充分地填充空隙，以控制盾構(gòu)施工中的土體沉降。該盾構(gòu)區(qū)間采用了2臺(tái)可調(diào)控注漿泵，在前盾肩部實(shí)施注漿作業(yè)。

注漿時(shí)，A液和B液通過Y型注漿頭以20：1的體積比例混合，每次混合量為 400kg ，其中B液的占比控制在總注漿體積的 4%～6% 之間，以確保漿液能在40s內(nèi)初步凝固。克泥效漿液配比如表2所示。

表2克泥效漿液配比

4.1.2一般注漿方法

注漿點(diǎn)主要集中在前盾肩部的11點(diǎn)和1點(diǎn)方向的徑向孔，采用單點(diǎn)連續(xù)注漿方式，其余點(diǎn)則采用多點(diǎn)分散注漿。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)期間，同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾體外注入克泥效漿液，及時(shí)填充開挖直徑和盾體之間的空隙。注漿率根據(jù)粉砂地層的孔隙特性進(jìn)行調(diào)整，維持在 130%～140% 范圍內(nèi)[3]，每延長(zhǎng)米注入克泥效約0.3～0.5m³ 。在此過程中，地面監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)同步監(jiān)測(cè)地面沉降情況，以便及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。

4.1.3下穿鐵路路基時(shí)的注漿方法

在盾構(gòu)機(jī)即將下穿鐵路路基的前10環(huán)，開始注入克泥效漿液，并詳細(xì)記錄注漿后的盾構(gòu)施工掘進(jìn)數(shù)據(jù)。待盾構(gòu)機(jī)完全穿越鐵路路基后，再繼續(xù)注漿10環(huán)，以確保施工質(zhì)量和效果。克泥效抑制沉降技術(shù)的應(yīng)用，有效控制了盾構(gòu)施工中的土體沉降，減小了對(duì)周圍土體的擾動(dòng)及對(duì)周邊建筑物的影響。

4.2應(yīng)用效果與分析

4.2.1地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線一期工程濱海文化中心站至泰達(dá)站盾構(gòu)區(qū)間，共部署了15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來監(jiān)控地表沉降情況。地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。表3中正值為隆起量，負(fù)值為沉降量。

表3地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mm

4.2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由表3所列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：地表的最大隆起量為1.45mm，最大下沉量為 -1.90mm 。這表明，利用克泥效漿液填充盾體與土體間的空隙，有效遏制了鐵路路基地表的沉降變形。需要注意的是，由于注漿時(shí)克泥效漿液的壓力過高，注漿量超出盾體與土體空隙的實(shí)際容量，導(dǎo)致地表出現(xiàn)了輕微的隆起。盡管如此，本盾構(gòu)區(qū)間所采用的克泥效抑制沉降技術(shù)，仍然成功地解決了盾構(gòu)機(jī)穿越鐵路路基時(shí)可能引發(fā)的地表沉降變形問題，最終的地表變形均被嚴(yán)格控制在隆起不超過 7mm 、下沉不超過14mm 的地表沉降報(bào)警閾值之內(nèi)[4]。

5結(jié)束語

在天津市濱海新區(qū)軌道交通Z4線一期工程濱海文化中心站至泰達(dá)站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)下穿鐵路路基工程中，克泥效抑制沉降技術(shù)發(fā)揮出了關(guān)鍵性作用。通過合理設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)及注漿參數(shù)和克泥效抑制沉降技術(shù)的實(shí)施，成功地將盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)頂部與既有鐵路路基之間地層沉降控制在安全范圍內(nèi)，有效減少了盾構(gòu)施工對(duì)鐵路路基的影響，確保了施工期間鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，取得了顯著成效。

參考文獻(xiàn)

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