克泥效抑制沉降在盾构下穿高铁路基中的应用

亓培先,韩 清,张自光,曹广勇,翟朝娇，黄赵美

(1.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽重点实验室，安徽 合肥 230601；2.中铁四局集团第四工程有限公司， 安徽 合肥 230012)

随着我国经济水平的提高，城市快速发展，地面空间的利用率逐渐趋于饱和，地面交通轨道系统已不能满足人们日常出行的需要，因此大城市逐步形成了以地铁为主的交通格局。盾构施工法具有施工安全与方便、对环境造成的影响小等优点，已经成为地铁轨道交通建设的主流施工方法。同时，盾构施工过程中，如何抑制盾体上方的土体沉降，成为使用盾构施工法必须要解决的问题。熊四清通过对克泥效浆液的配比进行研究得到了盾构施工方案，使得地表建筑物沉降得到有效控住[1]；杜国涛等通过分析盾构下穿重大风险源减少沉降变形的应用案例，阐述克泥效的特点和工艺原理，并分析了其适用范围[2]；吴全立等以深圳地铁9号线梅村—上梅林区间盾构施工为例，针对盾构在近始发端头下穿施工时存在的建压困难等难题，采用了克泥效浆液充填盾体与土体之间的间隙等方法成功实现地铁线路下穿段[3]；马云新通过在盾构壳体外同步进行克泥效注浆这一措施，有效控制了上方土体的下沉量[4]。

1 工程概况

1.1 区间概况

淮安东站盾构工作井区间，上行右线长度563.664 m，下行左线长度561.907 m，隧道为两条单洞单线圆形隧道，隧道直径为6.30 m，采用盾构法施工。刀盘直径为6.47 m，前盾直径为6.44 m，中盾直径为6.43 m，盾尾直径为6.42 m。区间左右线各设一处半径为1 000 m的平曲线，线间距为13.5 m～19 m，纵断面成上坡趋势，坡度为4‰，顶部覆土约为18.5～25.1 m。区间穿越范围内构(建)筑物主要包括制梁场、存梁场桩基、连镇铁路路基、G2京沪高速公路，隧道主要穿越地层为粉砂层，区段内无重要现状管线。其中连镇铁路路基段路面高度约8.27 m，连镇铁路路基段宽度约127.904 m，路基段基础采用φ500CFG桩，桩间距1.8 m，桩长10 m，桩底标高约-1.9 m；连镇铁路未运营，区间隧道左右线均下穿该既有线，最小坚向净距约24.46 m。

1.2 工程水文地质条件

区间场地范围下穿地层由杂填土、素填土、砂质粉土、黏土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂、粉质黏土夹砂质粉土、砂质粉土、粉砂、粉质粘土、粉砂、黏土、中砂、粉砂等构成。沿线地表水主要为盾构工作井东北部水塘内的水，勘察期间水深约0.8 m，地表水与潜水水力联系密切。雨季补给潜水，旱季接收潜水补给。对本工程有影响的承压水为第Ⅰ和第Ⅱ层承压水。第Ⅰ层承压水主要埋藏于砂质粉土和粉砂层中，水量较丰富，无色、无味、透明，主要接受侧向径流补给。水位埋深1.36 m～1.6 m(平均值1.52 m)，水位标高为6.22 m～6.48 m(平均值6.36 m)。第Ⅱ层承压水主要埋藏于中砂和粉砂层中，主要接受侧向径流补给。水位埋深20.00 m左右，水位标高为-12.00 m。

1.3 地表沉降控制指标

当盾构施工下穿地面构筑物时，盾构掘进或注浆压力的大小及用量会引起地层扰动，进而导致地面产生不同程度沉降回弹，这些变化超过一定范围时会对周围地面建筑物造成破坏。为此，必须加强监控量测，及时了解土体结构的变化，以此来调整盾构施工参数。监测控制值根据不同建筑物特点及鉴定情况适当提高监测变形控制值，在盾构施工过程中，使地表不出现沉降是很难做到的，其要点是如何将沉降值控制在安全范围内，可以根据盾构施工下穿构筑物的实际情况来确定地表变形控制指标。依据现场检测数据及现有的设备仪器的检测精度，盾构施工下穿高铁路基地表的变形指标如表1所示，并将控制值的70%作为报警值。

表1 淮安东站盾构区间高铁路基地表沉降控制指标

2 地表沉降来源分析

(1)盾构施工的过程中，不可避免的会引起土层发生变化，地表发生沉降。地表沉降一般分为5个阶段，即早期下陷(或隆起)、开挖下陷(或隆起)、通过时下陷(或隆起)、盾尾间隙处下陷和后续下陷。根据有关数据分析[2]，通过时下陷占总沉降量的15%～30%，其主要原因是在盾构机施工过程中，刀盘对土体的切割使得土体强度发生变化，破坏了土体结构强度，另外，盾构过程中盾构机的非水平的开挖掘进姿态也加剧了地层发生变化，出现沉降。

(2)在盾构掘进的过程中，虽然采用了同步注浆措施，使盾体外壳与管片之间的空隙得到填充，但是由于国内与国外在盾构机构造上存在限制，只能通过盾构机尾部后方注入，注浆填充时间滞后盾构掘进时间，无法抑制盾体周围土体变形。

(3)由于盾构机刀盘的前盾、中盾、后盾直径不同，在盾构施工的过程中盾体与土体之间存在30 mm～50 mm的间隙，每掘进一环(1.2 m)，前盾周围会产生约0.35 m3的空隙，在盾构下穿高铁路基施工中，地表变形比较严格的情况下，如果将此构造间隙及时填充，将会有效减小地表下沉。

3 克泥效工法原理

由于粉砂地层特性，施工过程盾构机带来的土体扰动使得地面容易较快的产生土体自然下陷，填补开挖面与盾体间隙，带来的沉降会直接影响地面的高铁路基。因此需要在盾构施工掘进同时采用克泥效工法，在同步注浆到达前填充间隙，减少上方软弱地层受扰动后的自然下沉，并渗透上方土体，形成泥膜稳定地层。克泥效工法是将浓度高的泥水材料与塑性强的调整剂两种液体分别通过配管压送到盾体径向孔处，再将此两种液体按一定的比例混合，形成高黏度塑性胶化体后，在盾构施工下穿高铁路基掘进的过程中同步注入到盾体外，填充盾体与土体之间的间隙，达到有效控制盾构推进时所引起的第三阶段沉降，辅助控制第四阶段沉降。根据布置在地表的检测点监测的实时数据来修正变频器参数，控制注入量。克泥效注浆点在前盾肩部，其施工流程如图1所示。

4 工程实践

4.1 盾构掘进及注浆参数

克泥效是从日本引进的一种施工技术，克泥效浆液由A、B液组成，其中A液为泥水材料，B液为水玻璃液，其配比如表2所示。本次使用克泥效工法是以及时填充间隙饱满为主，采用两台可调节注入量的泵在前盾肩部注入，在注入的过程中，通过Y型注浆头将该两种液体以体积比为20∶1的比例混合，采用400 kg配比注入，注入点为11点钟和1点钟位置的径向孔单点连续注入，其余点位需多点注入，B液注入体积占总体的4%～6%，在40 s内达到初凝状态。根据粉砂地层的孔隙率，克泥效按130%～140%的注入率使用。在下穿前10环，开始注入克泥效浆液，记录克泥效注入后各项盾构施工掘进数据。下穿高铁路基结束后，克泥效继续注入10环。

图1 克泥效同步注入施工工艺流程图

表2 克泥效浆液配比

4.2 工程实施效果分析

总共15个监测点位于高铁路基穿越区，结果如表3所示，隆起值最大为1.5 mm左右，下沉值最大为2 mm左右，说明将克泥效浆液填充盾体与土体的间隙，达到了抑制了高铁路基地表的沉降变形的目的。由于注入克泥效浆液的压力过大，注浆的体积超过土体与盾体间隙的体积，造成地表微微隆起。本工程采用的克泥效注浆工法解决了盾构施工下穿高铁路基地表沉降变形的问题，达到了盾构下穿时地表沉降报警值(隆起7 mm，下沉14 mm)的范围内。

表3 地表沉降 mm

5 结 语

本工程在盾构下穿淮安东站高铁路基过程中，同步注入克泥效浆液，通过盾构施工时监测点的沉降观测，达到了预期的效果和抑制高铁路基地表沉降的目的，验证了盾构穿越高铁路基时，采用克泥效注浆工艺可以有效抑制高铁路基地表的沉降，对以后类似工程具有重要的借鉴的意义。