克泥效控制沉降工法在盾构穿越棚户区施工中的应用

杨箭亮 张进科 剌宝成

摘 要：盾构长距离、大坡度穿越浅基础、无基础棚户区房屋施工时，如何控制房屋基础及周边地表沉降至关重要。通过在盾构壳体外同步注入克泥效辅助材料，盾构通过时有效的控制建构筑物的沉降量。本文以哈尔滨市轨道交通3号线二期工程出入段线区间盾构长距离（910米）穿越棚户区房屋施工为例，介绍克泥效辅助材料在本项目施工中的应用及控制沉降的效果。

关键词：地铁；盾构；克泥效；注浆；沉降控制

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0085-03

1 工程概况

哈尔滨市轨道交通3号线二期工程出入段线盾构区间隧道设计为单洞单线双线隧道。区间隧道采用中交天和2台土压平衡盾构机施工。盾构由明挖区间端头井始发下穿浅覆土段，下穿既有红黎街道路到达棚户区，长距离穿越棚户区及信义沟河道，穿越既有铁路桥进入安通街，沿安通街道路敷设，最终由盾构1#、2#接收井接收。盾构区间左线起始里程为出DK0+983.945～DK2+684.929，隧道全长1703.065m（含长短链），盾构区间右线起始里程为入DK0+843.950～DK2+685.062，全长1841.112m。

盾构区间从DK1+500-DK2+410段下穿棚户区，共计长度910米。（图1所示）覆土为2.3米～23米。棚户区房屋主要为浅埋条基或无基础搭建，1-3层不等、房屋基础差、房屋修建时代较早，从外观查看房屋不同程度均存在裂缝。共计排查了256间房屋，其中盾构正穿176间，侧穿房屋80间，地下室及高压线支架共計12处。正穿、侧穿下水井及地窖（埋深5米以内）总计9处。

2 水文地质

盾构下穿棚户区以信义沟河道为界进行阐述：里程DK2+019-DK2+410（391米、信义沟河道以东）段区间埋深2.3米-7.5米，详勘资料揭示，隧道穿越地层主要为4-2、5-1可塑性粉质粘土，地表存在约1.7米-2.5米厚，以建筑垃圾为主的1-1杂填土。DK1+500- DK2+019（519米、信义沟河道以西）段区间埋深7.5米-22.5米，详勘资料揭示，隧道穿越地层主要为5-1可塑性粉质粘土，地表存在2.2米-2.7米厚以建筑垃圾为主的1-1杂填土。

3 地表及地表结构物变形控制指标

盾构下穿棚户区房屋过程中，要使地表及房屋基础不出现沉降、变形很难做到，关键在于如何将沉降变形值控制在容许范围内，因此必须根据实际情况确定相应的变形值控制指标，采取相应措施减小沉降速率，控制沉降累计量，避免沉降超过允许范围。

依据设计图纸监控数据要求，盾构穿越棚户区试验段监测数据及常规监测仪器的监测精度，确定了盾构下穿棚户区的变形控制指标（见表1所示），并将控制值的80%作为监控量测预警值。

4 控制盾体上方地表、建筑物基础沉降的方法

盾构掘进过程中，隧道沉降一般分为5个阶段，早期下沉，挖掘面下沉，通过时下沉，盾尾间隙处下沉，后续下沉，如图2所示。

盾构施工过程中，掘进掌子面及掌子面前方地表出现下沉时，在继续掘进的同时，加强地表监测频次，适当提高土仓压力，控制每环出渣量，如有异常及时分析原因，同步注浆、二次注浆及时跟进。盾尾间隙处下沉在掘进过程中可通过同步注浆解决；盾构掘进完成后后续下沉可通过二次注浆或通过成型管片吊装孔采用小导管注浆加固措施控制沉降。而盾构通过时沉降主要是由于地层损失引起的，本项目土压平衡盾构机刀盘直径6.27米，盾体直径6.24米，盾构掘进过程中，盾体与土体之间存在3厘米的空隙（见图3所示），每掘进1环（1.2米管片），盾体周边理论产生空隙为：（6.27×6.27-6.24×6.24）×3.14÷4×1.2=0.35方。

盾构掘进通过过程中，由于自重，下部空隙远远小于上部空隙，及时对此空隙进行填充，有效减小地层沉降，保证地面建筑物安全。项目部邀请专家对下穿棚户区专项方案进行论证，根据专家意见及其它地铁轨道工程类似施工经验，采用新型材料“克泥效”，在盾构通过时解决地层沉降问题。

5 克泥效工法

5.1 克泥效简介

克泥效是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成。克泥效工法是将高浓度的泥水材料与塑强调整剂（即水玻璃）两种液体分别以配管压送到指定位置，再将此两种液体以适当比例混合成高黏度塑性胶化体后，再通过径向孔注入的一种新型工法。混合后的流动塑性胶化体不易受水稀释，且其黏性也不随时间而变化。

5.2 克泥效配合比

（1）原材料。克泥效：福建中天交通工程技术服务有限公司；水玻璃：哈尔滨鲁泰新材料有限公司。（2）指标要求。详见表2所示。（3）试验配合比。克泥效工法采用A、B液，A液为克泥效与水混合的混合液，B液为水玻璃。根据克泥效、水、水玻璃三种掺入量不同做三组试验，通过对不同配比混合液搅拌时间进行记录，对同重量岩石在不同配比混合液中的沉陷量进行分析总结（见图4，图5所示），结合岩石沉降量、抗水试验、经济效益配合比选择，确定选用混合液配合比为克泥效（kg）：水（L）：水玻璃（L）=400：846：50。

5.3 克泥效设备配置

中交天和盾构机在前盾及中盾部位上部设置有4个径向注浆孔，下部设置2个径向注浆孔，主要用于克泥效及其它新型材料注入，达到控制盾体上方土体沉降的目的。根据克泥效注入要求，盾构机配备一套变频控制的软管挤压泵，克泥效、水混合液搅拌器、水玻璃存储器、电子流量计配套安装，整部设备安装在盾构6号台车，通过注浆软管在盾构机掘进过程中对盾体部位空隙同步注入克泥效浆液，填充空隙。为使注入效果达到最佳，本项目克泥效注入孔位选择中盾上部11点位和1点位两个径向注浆孔。如图6图例所示。

5.4 克泥效施工工艺

5.4.1 克泥效施工工艺流程

克泥效施工工艺流程图7所示。

5.4.2 克泥效施工注意事项

（1）根据理论计算，每环注入克泥效浆液为0.35m3，考虑土体渗透及注入过程中损失，考虑1.35倍的注入系数，实际注浆量为0.47m3。（2）克泥效注入时间要与盾构机掘进时间相匹配，同步实施，根据盾构掘进时间统计分析，正常情况下完成1环掘进时间约为35分钟，因此克泥效注入时间应与掘进时间同步实施。（3）在盾构穿越棚户区施工过程中，每4小时测量一次，地面监控量测数据要及时分析上传，根据数据分析确定是否调整克泥效浆液注入压力及注入量。（4）克泥效施工工法虽然以注入量控制为主，但根据现场实际情况，多次施工经验总结，克泥效注入压力宜控制在0.2～0.3MPa之间，注入压力过大，盾构机处于大下坡位置掘进施工，易流入刀盘位置，造成材料损耗过大。注入压力过小，逐渐设备位于6号台车，距离注入径向孔约70米，克泥效浆液注入效果不佳。

6 克泥效在本项目使用效果分析

以右线区间监测点位JGC-32、JGC-32-1、JGC-36为例说明（见图8所示）：盾构通过过程中，盾构区间右线440～451环掘进过程中，正穿棚户区房屋，在未使用克泥效的情况下，地层沉降变化速率、预警值均超出限值，最大沉降达到9.47mm，房屋老旧裂缝出现扩大趋势。通过监测数据红色预警会分析，沉降为盾体通过时空隙未及时填充引起。

在右线盾构后续掘进过程中，同步注入克泥效浆液，以460环～470环三个监测点位JGC-48、JGC-48-1、JGC-52为例进行说明（见图9所示）。

盾构掘进过程中，及时注入克泥效浆液，填充了盾体与土体之间的空隙，根据监测数据分析，三个监测点位的沉降均控制在了2mm之内，有效控制了盾体上方土体沉降变形，为后续管片壁后注浆加固赢得时间。对地表房屋进行监测，老旧裂缝无扩张现象，房屋倾斜度无明显变化。同时将监控量测数据也控制在预警值范围内。使用克泥效材料控制盾体上方沉降效果显著。（见图10所示）。

7 结语

通过哈尔滨市轨道交通3号线出入段线盾构机穿越棚户区施工，对采用克泥效施工段及未采用克泥效施工段沉降数据进行分析对比，使用克泥效浆液能够有效控制盾构机通过时盾体上方土体沉降，在盾构穿越棚户区复杂情况下起到了至关重要的作用，目前左右线均在进行盾构机穿越棚户区施工，进展顺利，为下一步盾构机穿越铁路桥一级风险源沉降控制提供了参考依据。另外根据克泥效的特点针对盾构机小半径曲线（曲线半径300m）掘进对超挖部分如何填充进行研究，在盾構区间小半径（曲线半径300m）掘进时同步注入克泥效浆液使小半径曲线盾构掘进能够顺利进行。此次克泥效工法在本项目成功运用，对后续地铁建设中的类似盾构穿越建、构筑物施工具有非常重要的借鉴意义。