运营期地铁联络通道融沉注浆治理技术

李增理， 王 炜

(中铁电气化局集团铁路工程公司， 北京 100036)

运营期地铁联络通道融沉注浆治理技术

李增理， 王 炜*

(中铁电气化局集团铁路工程公司， 北京 100036)

为解决南京某地铁冻结法施工联络通道运营期间发生的后融沉问题，从地层特性、施工工艺和外界环境等方面对融沉原因进行分析，地基软弱、工序衔接不当、融沉注浆不足等是联络通道及附近隧道发生融沉与破坏的主要原因。提出融沉治理原则和工艺，采用“多点，均匀，少量，多次”的劈裂-挤密注浆方法对联络通道周围地层加固，并在施工影响范围内布置监测点对注浆效果实时监测。结果表明： 在劈裂-挤密注浆方法的基础上，辅以地层排水能够有效防止地层沉降，确保隧道结构稳定； 在注浆过程中，联络通道沉降可分为快速回落、稳定回落和稳定3阶段，各阶段的沉降速率和排水量都有鲜明的特点； 加固后隧道上行线最大隆起31.2 mm、下行线最大隆起29.8 mm，联络通道342 d沉降监测结果小于1 mm，表明隧道已处于稳定状态,治理效果较好。

地铁； 联络通道； 软土； 冻结法； 融沉； 注浆加固

0 引言

对于地下水丰富的软弱复杂地层，冻结法是一种有效的加固方法[1]，但在解冻及后期运营期间冻土融化发生体积收缩和固结变形(土体强度恢复过程)会导致土体沉降变形[2-5]。如果抗融沉注浆措施不到位，将危害地下结构和地下管线的正常使用，甚至会引起地面沉陷，对地表既有建(构)筑物造成破坏。一些学者对冻结法及其融沉沉降进行了研究。例如： 赵廷红等[6]利用ANSYS软件建立数值模型并进行人工水平冻结地表融沉规律的研究,总结出冻结壁厚度、隧道半径、融沉系数与融沉量的关系，同时提出强制解冻、跟踪注浆、减小冻结壁厚度以及融沉系数等融沉预控措施； 严晗等[7]对砂性土在反复冻融条件下的性能进行试验研究，得出土颗粒之间的黏聚力会随着冻融循环次数的增加而降低； 王效宾等[8]以某盾构区间端头水平冻结加固为例，利用三维有限元分析人工冻土融沉引起的地层位移，总结出地表沉降的4个阶段，并通过调整解冻和注浆加固方式有效控制与处理融沉问题； 李文勇等[9]结合某地铁联络通道的融沉注浆施工实例，指出对冻结土体进行分区强制解冻融沉注浆是控制地表沉降的有效方法； 方江华等[10]对冻结过程中的冻结参数进行设计,确定冻结系统，采用结构壁后充填注浆和融沉补偿注浆对地层融沉进行控制。已有研究多针对施工后的短期融沉问题，由于融沉影响的持续时间较长，对融沉引起的再次固结影响研究不足。本文以南京某地铁联络通道融沉为例，对后融沉现象的原因及治理措施分析，以期为类似问题治理提供参考。

1 工程概况

南京某地铁区间隧道内径为5.5 m，管片厚度为350 mm，区间设置2座联络通道兼泵站，其中2#联络通道兼泵站长18 m，埋深约为17.5 m,断面布置见图1。该联络通道采用复合衬砌，临时支护层和永久结构层之间设防水层，所处地层物理参数见表1。根据区间联络通道的特点及所处地层的特性，先采取冻结法加固土体，然后采用矿山暗挖法施工。

图1 联络通道横断面(单位: mm)

层号土层名称层深/m含水率/%孔隙比液性指数压缩系数/(MPa-1)压缩模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)②-2b4淤泥质粉质黏土1327.60.7740.990.296.888.1319.27②-2a3-4黏土5270.7650.970.257.5710.2821.88

2 联络通道破坏与融沉原因

2.1 破坏与沉降情况

在地铁运营过程中，车辆通过2#联络通道附近时上下震动明显。经检查发现，靠近联络通道处的道床与隧道管片局部存在剥离，部分管片破损，主要为内层保护层剥落，破损位置基本在管片接缝附近，深度不大，未发现露筋现象。经过连续沉降观测，发现联络通道和附近隧道15 d累计沉降值为3.0～4.3 mm，联络通道处正线隧道累计沉降量最大，远离联络通道处正线隧道累计沉降量较小，距离联络通道18 m处隧道未发现沉降。此时，距联络通道抗融沉注浆结束已经9个月。

2.2 原因分析

通过现场踏勘和对沉降数据分析，总结出以下沉降原因： 1)该联络通道位于软塑、流塑状态的淤泥质粉质黏土中，地层条件较差。2)由于工期紧张，联络通道融沉未处理完全即施工道床，造成道床施工和运营期间融沉仍在继续。3)由于联络通道位于隧道线路标高最低处，隧道管片壁后又存在渗流通道，地下水沿该通道汇集于联络通道及泵房结构外围，使其周围地层含水率较大，联络通道及泵房结构壁后存在少量水囊，形成“蓄水池效应”。在注浆开孔过程中，花管发生大量喷涌，表明水压力较高，也验证了该推测。4) 该种地层抗融沉注浆是一个长期的过程，冻结后的土体恢复原状土周期长，这在长江漫滩区域是共性问题。5) 因冷冻施工经验不足，融沉注浆与复杂的冻融过程存在不协调性，注浆量无法及时补偿冻土全部融化后产生的体积变化，土体固结后沉降过大导致联络通道处道床与隧道管片剥离及部分管片破损。

3 治理原则及内容

3.1 治理原则及工艺流程

为解决该联络通道的融沉问题，对联络通道现场实际情况、融沉注浆机制及可注性进行分析，提出以下治理原则： 1)在管片背后进行填充式注浆，对隧道腰部壁后松散土体进行加固，确保主线隧道标高基本稳定。对联络通道中心左右各15环进行壁后充填注浆，浆液为水泥-水玻璃双液浆。2)对泵房和联络通道基底进行劈裂式注浆，提高其地基承载力，并适当抬升联络通道以补偿融沉量。3)施工过程中进行动态实时监测，总结分析隧道隆降和管片收敛情况，根据隆降数据调整注浆参数和工艺。

注浆施工流程见图2。

图2 注浆工艺流程

3.2 施工工艺及参数

注浆遵循“多点，均匀，少量，多次”的原则，注浆完成后对管路进行冲洗，可用于反复注浆； 不注浆时，可以自由排水。起始注浆压力控制在0.4 MPa以内，正常注浆压力为0.3 MPa(覆土压力)，最大注浆压力为0.4 MPa。单孔注浆以最大注浆压力和设计单次注浆量作为注浆结束标准，即达到设计注浆量或达到最大注浆压力后，立即暂停注浆。注浆施工选择在地铁停运期间，即23:00至次日04:00。

3.3 浆液配置

采用双液浆，水泥浆与水玻璃溶液体积比为1∶1，水泥浆水灰比为0.8～1.0，水玻璃溶液采用(35～40)°Bé水玻璃加水稀释，水泥采用42.5水泥，水玻璃模数为 3.2。双液浆的初凝时间应根据施工需要调整，初凝时间太长，浆液在土中扩散范围大； 初凝时间太短，浆液在土中扩散范围小。初凝时间为15～20 s时，扩散范围理想，影响区域半径为8 m。

3.4 注浆孔布置及注浆原则

综合地质水文因素及联络通道现场勘查情况，在联络通道中心左右各15环及联络通道范围内进行注浆，注浆点位为道床以上、腰部以下管片吊装孔及联络通道内，联络通道内注浆孔布置见图3。若单孔注浆量过大，容易造成隧道局部发生较大的变形，使相邻管片之间产生较大的相对位移，进而引发混凝土开裂等形式的破坏。在注浆过程中，应均匀布置注浆孔，并采用隔孔左右对称压注法。根据监测情况对同一注浆孔进行多次补充注浆，每孔单次注浆量不宜超过 1 m3，以避免发生较大错台和混凝土结构破坏。

3.5 监测点布置

在注浆过程中，对施工影响范围内的隧道实时垂直线型、断面净空收敛和轨面标高进行监测。注浆结束后，对隧道进行长期观测。沉降监测点布置于隧道拱顶、腰部及道床两侧，见图4。根据南京河西地区软土地基沉降经验和惯例，运营地铁隧道15 d的累计沉降值小于1.0 mm即判定隧道稳定。

图3 联络通道内注浆孔布置(单位： mm)

图4 沉降监测点布置平面图

4 注浆隆降分析

本次注浆加固治理施工时间为74 d，注浆总量约100 m3。通过壁后注浆，联络通道及附近管片普遍发生抬升，其中隧道上行线最大隆起31.2 mm、下行线最大隆起29.8 mm，注浆效果显著。联络通道处正线隧道抬升量最大，随着与联络通道距离的增加，隧道抬升量逐渐减小，呈现出如图5所示的抛物线形状。

施工过程中，由于注浆的间断性和软弱地层沉降的共同作用，造成隧道沉降与起伏。为更好地研究注浆、排水与隧道隆降关系，选取典型监测点L1进行观测。结合现场监测数据，绘制该监测点沉降累计变化曲线(见图6)，并总结出联络通道沉降期的3个阶段： 1)第1阶段为快速回落阶段，该阶段为注浆过程产生的沉降累计变化。回落幅度占总沉降量的88%，持续时间为13 d。该阶段沉降的主要原因是浆液凝固收缩和土体压缩变形，土中自由水快速排出，流速为150 mL/min，孔隙水压力快速消散。2)第2阶段为稳定回落阶段，本阶段为自然沉降累计变化。回落幅度占总沉降量的12%，持续时间约为10 d。该阶段沉降的主要原因是土体颗粒在自重应力、上覆荷载及列车运营荷载等作用下重新排列固结，流速为20 mL/min，残余孔隙水压力缓慢消散。3)第3阶段为稳定阶段，本阶段为自然沉降累计变化。该阶段的沉降量非常小，短时间内几乎无变化。土体进入长期的固结状态中，附加孔隙水压力基本消散完全，这是一个漫长的过程，并且对联络通道的沉降影响微乎其微，可以看作稳定阶段。

图5 注浆期间上行线隧道沉降变化曲线

图6 联络通道典型测点累计沉降变化曲线(2015年)

Fig. 6 Curve of accumulated settlement of typical monitoring points in 2015

5 治理成果

注浆加固改善了联络通道和泵房周围土体物理状态，钻孔取出的土样为可塑-硬塑状态，土层中有清晰的浆脉，消除了联络通道附近的“蓄水池效应”，探孔没有自由水继续流出； 联络通道及附近融沉影响内隧道整体隆起； 典型监测点342 d的持续监测结果显示，上行线L1沉降量为0.4 mm,下行线L2沉隆量为0.7 mm，后期运营过程中隧道未发生异常情况，表明联络通道已处于稳定状态。

6 结论与讨论

1)采用水泥-水玻璃双液浆材料，以挤密-劈裂式注浆加固能够有效阻止地层沉降，此注浆方法在软弱的淤泥质粉质黏土中可以使隧道抬升30 mm以上。

2)沉降量快速回落阶段是孔隙水排出量最大的阶段，注浆加固辅助排水方法能加快土体固结速度。注浆加固与排水综合治理冷冻融沉效果明显，能快速提高隧道地基承载力，联络通道342 d的沉降监测结果小于1 mm，表明联络通道已处于稳定状态。

3)在软弱淤泥质粉质黏土中采用冷冻法施工时，需要进一步研究冷冻前隧道地基加固设计的必要性。此外，地层排水方法在注浆与排水综合治理融沉中的贡献量也有待进一步研究。

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Grouting Technology for Thaw Settlement of Metro Cross Passage during Operation Period

LI Zengli, WANG Wei*

(ChinaRailwayElectrificationBureauGroupRailwayEngineeringCompany,Beijing100036,China)

The thaw settlement occurs in cross passage of a metro in Nanjing constructed by freezing method during operation period. The causes for the thaw settlement, i. e. soft ground, irrational procedure connection and insufficient thaw settlement grouting, are analyzed in terms of ground characteristics, construction technology and environment factors. The thaw treating principle and technology of splitting-compaction grouting are adopted to reinforce the surrounding ground of cross passage, and grouting effect monitoring points are arranged within construction influencing scope. The results show that: 1) The thaw settlement can be effectively controlled by supplemented ground drainage on the basis of splitting-compaction grouting. 2) The settlement of cross passage during grouting can be divided into 3 phases, i. e. fast slowing down period, low slowing down period and stable period; the settlement rates and drainage volumes of every period are distinctive. 3)The maximum rising height of upline and downline of separated tunnels is 31.2 mm and 29.8 mm respectively; and the settlement of cross passage 342 days after grouting is less than 1 mm which indicates the rationality and feasibility of the grouting method.

metro; cross passage; soft soil; freezing method; thaw settlement; grouting reinforcement

2017-04-14;

2017-07-09

李增理(1964—)，男，陕西宝鸡人，1988年毕业于兰州铁道学院，铁道工程专业，本科，高级工程师，主要从事地铁工程、铁路工程的施工管理与技术管理工作。E-mail: LK710605930@163.com。*通信作者： 王炜， E-mail: Huoer_go@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.018

U 455.49

B

1672-741X(2017)08-1032-05