盾构隧道二次深孔注浆技术对周边建筑物保护的研究与应用

2015-12-19任益飞

西部探矿工程 2015年3期

关键词：构筑物管片号线

任益飞

（中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊065201）

盾构隧道二次深孔注浆技术对周边建筑物保护的研究与应用

任益飞*

（中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊065201）

接要：以北京地下直径线工程为例，介绍了盾构在穿越沿线建构筑物过程中，通过管片预留注浆孔进行二次深孔注浆实现对建筑物、地层变形的控制进而实现对建构筑物保护，对于今后类似工程可提供相关参考。

盾构；二次注浆；建筑物；保护

1 概述

由于城市化进程对交通的需求和地面空间的限制，使得近年来国内城市地下交通的进展与建设不断加速。盾构工法因为其施工效率度高、施工安全可靠性高、对地层扰动小等优点，在城市地下空间修建的过程中应用所占比重不断提升[1]。但在城市中心修筑地下隧道不可避免临近或穿越不同建构筑物施工，由于各类建构筑物的现状、结构以及与隧道关系的差异化，也造成其可允许沉降或变形存在较大差异，一般的盾构施工所采用的保护方法主要有地面隔离桩保护、地面同步注浆或地面深孔注浆加固建筑物基础等方法，但当地面建构筑物与隧道因平面关系限制、地下管线影响或受制于地面交通占地等条件限制时，上述方法很难实现。北京地下直径线由于地处北京市中心城区，沿线各类建构筑物近200多处，在施工中除利用复合式泥水平衡盾构自身的特点外，通过管片预留二次注浆孔进行二次深孔注浆实现了沿线建筑物的变形控制在允许范围之内，有效地保护了周边建筑物，本文就相关施工技术予以介绍。

2 工程概况

2.1 项目简介

北京地下直径线线路全长9151m，其中隧道全长7230m，盾构隧道长度5175m，管片外径11.6m，采用复合式泥水平衡盾构施工，刀盘开挖直径12.04m。线路自北京站起，在崇文门大街十字路口东侧进入地下，沿前三门大街向西行经前门、和平门、宣武门、西便门、天宁寺，最后于小马厂出地面到达北京西站。线路平面图见图1。

图1 线路平面图

2.2 工程地质及水文地质

隧道穿越地层东西两端差异性大。西端（天宁寺至和平门）主要穿越的地层为卵石层、圆砾层，局部为粉质粘土层、粉土层和粉质粘土层等土层，一般粒径20～60mm，大于20mm的颗粒含量约占总重的65%，亚圆形，中粗砂充填，并且存在最大强度约30MPa的砂层与卵石层的胶结层。东端（和平门至崇文门）穿越的地层主要为粉质粘土层、粉土层和砂层等土层。地下水主要为层间潜水，渗透系数K＝150m/d，涌水量Q= 37200m3/d。

2.3 周边主要建构物及允许变形

隧道沿线两侧地面建构筑物密集，煤气、热力、电力、污水等大型地下管线繁多；下穿西便门桥、天宁寺桥、护城河和4号线宣武门站等构筑物；近邻箭楼、正阳门等重要文物；与地铁2号线平行近4km，其中最近距离不足2m。其中沿线主要建筑物允许变形统计见表1。

表1 隧道沿线主要建筑物允许变形值统计表

3 盾构施工沉降机理分析及主要影响因素

隧道施工所引起地表沉降及周围建构筑物变形主要是由于地层损失、排水固结、土体压缩变形、结构整体下沉及结构本身变形引起[2]。而对于盾构隧道而言，其中地层损失、土体压缩变形是其中的关健。而对地层损失而言，根据以往施工经验统计，各部分所占比重见表2[3]。

表2 盾构掘进地层损失比重统计表

4 盾构二次加强注浆保护技术

4.1 方案确定思路

根据隧道施工沉降机理分析及盾构掘进地层损失统计，由于盾构掘进过程对地层扰动以及同步注浆浆液的凝固收缩所形成空隙而产生的固结，导致即使在盾构隧道通过建筑物后仍因为这部分地层损失而产生大的位移，因此为确保施工对周边环境的保护，须对该阶段的空隙以及扰动的土体变形予以补偿。由于北京地下直径线地处北京市中心城区，受施工占地、隧道上方管线影响，很难全部在地面通过隔离桩、注浆加固地基等措施实现对环境风险的保护。因此经综合考虑，在管片上预留二次注浆孔在浆液凝固后进行二次补偿回填及建构筑地基进行相关加固。

4.2 管片二次加强注浆设计

在管片设计中，管片上预留有注浆孔，注浆孔预埋件如图2所示。在特级风险点地段，每环管片上预留25个注浆孔（除K块预留1个注浆孔外，其余预留3个注浆孔）；其他地段，每环管片预留9个注浆孔（每块管片预留1个注浆孔）。

图2 二次注浆孔预埋件示意图

在盾构下（侧）穿风险点地段时，利用管片上预留的注浆孔，向管片背后的地层中钻孔并插入注浆管进行深孔注浆，即二次深孔加强注浆，具体如图3所示。根据隧道与各建（构）筑物的位置关系，确定各部位的注浆深度。注浆管采用Ø42mm袖阀管，壁后3.5mm；注浆材料采用普通水泥浆，水灰比1∶1。

图3 二次加强注浆施工示意图

4.3 二次加强注浆实施

4.3.1 钻孔及注浆管的安装

盾构管片预留孔开孔时，易出现卡钻、塌孔或地下水涌入等问题。施工时主要采取下述措施应对：

（1）在地层条件较好的情况下，钻孔作业可以取消，凿穿二次注浆孔后直接将注浆花管用风镐顶进地层当中，可应对塌孔对注浆管安装的影响。

（2）为防止二次注浆孔凿穿后地层中的地下水涌入隧道，二次注浆孔套管内设计有可安装的逆止阀，该逆止阀的功能与单向阀功能相似，可封堵地层中的地下水，但钻杆和注浆管能够正常穿过，浆液也可通过逆止阀最直接注入地层当中。逆止阀结构形式及安装形式如图4、图5所示。

图4 逆止阀结构示意图（单位：mm）

图5 逆止阀安装示意图（单位：mm）

（3）注浆管安装完成口立即在孔口安装一个带有球阀的孔口管，孔口管采用丝扣连接在二次注浆孔上，便于快速按拆，关闭球阀后再进行注浆管连接，注浆前打开球阀，可有效封底地下水。

4.3.2 注浆工艺参数及注浆实施

浆液采用普通水泥浆，水灰比0.8∶1。

注浆管采用Ø36mm的钢管，加工形式如图6所示，管片注浆孔内外露10～20cm即可，外露端设球阀。

图6 二次加强注浆管加工示意图

注浆压力：根据隧道埋深计算注浆处静止水压及土压力之和，一般情况二次加强注浆压力比此数值大0.3～0.5MPa。

注浆量：据地质情况及注浆记录情况，分析注浆效果，结合监测情况，由注浆压力控制二次加强注浆量。

5 实施效果分析

通过盾构管片上预留注浆孔进行二次深孔注浆，北京地下直径线顺利穿越了护城河、天宁寺桥、西便门桥、北京地铁2号线环线及长椿街至前门4车站、4号线宣武门车站、前门箭楼、正阳门火车站等沿线14个特级风险点，43项其它各类一、二级风险点。地面最大沉降仅15mm，其中2号线运营地铁结构最大沉降2.3mm，小于评估确定的允许沉降3mm；4号线地铁结构最大沉降1.62mm，小于评估确定的允许沉降2mm。