张 瑜

(北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100037)

1 概述

随着城市地铁日新月异的发展,多数地铁设计要下穿既有轨道交通、桥梁、楼房或者商铺等既有建(构)筑物[1～4]。为了在保证既有建(构)筑物安全、正常使用的前提下快速进行地铁施工,施工前必须采取一定的措施对既有建(构)筑物基础及其下方土体进行有效的加固,改善其物理力学性能,提高其自稳能力,WSS深孔注浆工法以其可靠、经济、环保等特点在地基加固中得到了广泛的应用[5～7]。

本文以北京地铁6号线矿山法施工平安里站—北海北站区间下穿既有盾构区间特级风险源工程为工程背景,介绍了WSS深孔注浆工艺在地层超前加固中的应用,为类似工程能够提供一定的借鉴经验。

2 工程背景

2.1 设计概况

北京地铁6号线一期工程平安里站—北海北站区间(以下简称平—北区间)线路沿地安门西大街大街敷设,区间起点位于平安里站东端,终点位于北海北站西端,线路起止里程为右K8+469.725～右K9+599.691,右线长度约1 130 m。起始左、右线间距16 m,之后线路向东延伸，左、右线间距逐渐减小,线路里程在K8+600处,左、右线间距减至最小为12 m。区间采用矿山法施工,为单线单洞马蹄形断面、复合衬砌结构,区间隧道埋深16.6～20.32 m。

区间线路从平安里向东,在K8+495、K8+510处下穿地铁4号线平安里站南端盾构区间(垂直下穿区域约21 m,影响区域约30 m),为特级风险源工程。4号线既有隧道为南北走向,左、右线中线里程分别为K8+495、K8+510,6号线隧道与4号线隧道平面垂直相交(图1、图2),6号线区间隧道拱顶与既有4号线盾构区间结构仰拱净距约2.613 m。

图1 6号线隧道与4号线隧道平面关系示意

图2 6号线隧道与4号线隧道剖面关系示意(单位：m)

2.2 水文、地质条件

施工范围地层由上至下依次为：杂填土①1、粉土③、粉质黏土③1、圆砾-卵石⑤、粉质黏土⑥、圆砾-卵石⑦。

6号线区间隧道位于圆砾-卵石⑦层中,拱顶上方10～50 cm存在一层粉质黏土⑥,厚度约80 cm。4号线区间隧道位于圆砾-卵石⑤层中。

区间共有4层地下水,分别为上层滞水、潜水、层间潜水、承压水,其水位高程分别为：

(1)上层滞水 静止水位高程39.44～36.87 m, 水位埋深8.40～10.60 m；

(2)潜水 静止水位高程33.10～30.54 m,水位埋深14.80～17.30 m；

(3)层间潜水 静止水位高程23.25～22.23 m,水位埋深24.50～26.70 m；

(4)承压水 静止水位高程20.27～18.84 m,水位埋深28.00～29.00 m。

2.3 管线条件

区间下穿既有盾构区间段无重要市政管线影响施工。

2.4 沉降控制要求

根据《北京市轨道交通工程建设风险技术管理体系(实行)》,区间下穿既有轨道交通属于特级环境风险源工程,尤其该区间采用矿山法施工下穿既有盾构区间在北京属首例,既有4号线已经进入试运营阶段,所以施工控制沉降要求比较严格。根据设计要求,区间施工期间既有4号线盾构区间累计沉降容许值为10 mm,沉降速率容许值为1.5 mm/d。

3 WSS工法加固方案

3.1 加固方案

平—北区间采用上、下导洞台阶法施工,上导洞上台阶开挖预留核心土,区间正线拱顶为黏土地层,上半断面处于圆砾-卵石地层,该地层卵石含量约60%,卵石直径1～6 cm,呈亚圆形,中粗砂填充,级配良好。为了保证开挖时既有4号线下方土体稳定，从而有效控制既有线结构的沉降,根据设计文件要求,区间正线开挖前采用WSS工法对区间正线上半断面土体进行深孔注浆加固,深孔加固一次性施作深度30 m,自横通道水平施作,注浆加固范围及孔位布置如图3所示。

图3 区间断面深孔注浆加固范围及孔位布置(单位：mm)

3.2 加固工艺原理、特点及现场结合情况

WSS深孔注浆工艺[8]是一种定压、定量、定向的地基基础处理工法,在不改变地层组成的情况下,将土层颗粒间存在的水强迫挤出,使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结,达到改良土层性状的目的,注浆工艺流程如图4所示。注浆中,注浆达到一定压力后,在注浆孔周围会产生一定大小的泡体,随着压力的不断增加,浆液泡体上方的土体会产生一个圆柱体,从而改良土体的物理指标。该工法具有如下特点。

图4 WSS深孔注浆工艺流程

(1)采用特殊的端点监控器和二重管喷射方式,使注入系统设备简单,具有很高的可靠性、经济性。针对本区间砂卵石地层,施工过程中,通过端点监控器实时控制钻孔角度,并结合二重管双液浆注浆加固地层。

(2)可以进行一次、二次喷射切换,回路变换装置容易实行,所以能实行复合喷射。现场实施过程中,成孔后一次喷射采用改性水玻璃单液浆,待浆液自孔口流出后,然后采用双液浆进行二次喷射。

(3)瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射的复合比率,在土层改良时可以自由地设定,从黏性土、砂质土到地下水非常多的砂砾层,以及更加复杂的复合地层都可以适用。本次深孔注浆主要针对圆砾-卵石地层,注浆浆液采用双液浆。

(4)二次喷射材料是低黏性且凝胶时间长的浸透性浆材,可以用压力喷射到均匀的土质颗料之间,这样的操作方法可以减少对周围建筑的影响。本次深孔注浆目的主要是加固6号线区间拱顶至既有4号线底板下范围内的土体,通过该技术可有效控制浆液扩散范围,减少对既有4号线结构的影响。

(5)由于一次喷射是限制喷射,二次喷入是渗透喷射,浆材不会向喷入范围外溢出,从而有利保护地下环境而不被污染,同时对喷射量能得到有效控制。

3.3 现场加固施工

深孔注浆采用WSS工法分段后退式注浆工艺,注浆施工工艺筹划流程如下：搭设作业平台→设置排水设施→钻机就位→水平钻孔→注浆→下循环钻孔、注浆→注浆完毕→拆除脚手架、清理现场。注浆浆液采用双液浆[9],即A液和B(C)液的混合物。A液为稀释后的水玻璃,B液由硫酸等化学外加剂和水组成。化学外加剂主要是调节浆液的可灌性和混合液的凝结时间,因此在施工现场中,外加剂的添加应根据现场的实际情况进行适当的调整。B液各成分放入搅拌机的顺序依次为：水、化学外加剂,两种浆液在注入之前必须搅拌均匀,并经常检查混合后的浆液凝固时间是否适应现场施工环境,C液为水泥浆。A、B浆液和A、C浆液配比均为1∶1,详见表1。

表1 化学浆注浆材料配比

(1)布设注浆孔位：在保证深孔注浆效果、确保区间正线开挖时既有4号线安全的前提下,本着经济合理的原则进行注浆孔的布置,环向间距约1 m,水平打设,梅花形布设,孔位布置见图3。

(2)搭设作业平台：深孔注浆施工前须在施工横通道搭设深孔注浆施工作业平台,作业平台的搭设采用A42钢管、扣件及40 mm厚木板,脚手架设置斜撑和剪刀撑,如图5所示。

图5 作业平台立面

(3)设置排水沟：为了做到文明施工,确保在钻孔时孔中流出的水和注浆中溢出的液体有序排到地面,沿着横通道东墙在临时仰拱上用砖砌一道排水沟,宽度1 m,高30 cm,在东侧出渣料斗平台设置储水桶,并将施工排出来的水用PVC管引流到储水桶。储水桶中设一30 m扬程水泵,由专人看守并及时将水抽入井上至洗车槽,避免横通道被水浸泡。

(4)钻机就位水平钻孔：注浆孔采用水平钻机打设,钻机钻杆可360°调整角度,钻杆采用φ42 mm钢管,本次深孔注浆施工一次性施作深度达30 m,为了避免由于钻杆本身的自重造成在钻孔过程中孔位的偏移,钻机左右调整好位置后,钻孔前每个孔位水平向上调整3°，以确保成孔的水平度。

(5)深孔注浆：注浆采用二重管喷射式注浆,喷入管同样采用φ42 mm钢管,用注浆泵将A、B无收缩双液浆[10]分别压入外管和内管,并在二重管的端头混合室内混合,通过滤网在水平方向实行喷射,使浆材能浸透到地层中,注浆过程中严格控制注浆压力不大于1.2 MPa并加强对既有4号线结构的监控量测,做到信息化施工。

(6)注浆参数控制与实际注浆：本次深孔注浆主要在卵石地层进行,注浆加固范围为区间正线上半断面,加固体体积约510 m3(单线),按0.6的孔隙率,设计注浆量约306 m3,设计注浆压力小于1.5 MPa。现场实际终压1.0～1.3 MPa,注浆量约350～359 m3,注浆损失约14%,加固区域注浆参数与实际对照见表2。

表2 加固区域注浆参数与实际对照

注浆效果检测：注浆施工结束后,通过在注浆体内钻孔,用压水、注水或抽水等方法测定地基的流量及渗透系数,不合格的需进行补充注浆。检查孔的数目约为总注浆孔数的5%～10%。

完成注浆施工后将钻机移至下一孔位，循环进行下一孔位的钻孔和注浆施工。

3.4 加固效果

区间正线下穿既有线段开挖施工以来,既有线结构累计沉降值为7.54 mm,最大沉降速率为0.7 mm/d,双控指标均没有超过设计容许值,有效地保证了区间隧道开挖施工时既有线的安全及正常使用。深孔注浆效果如图6所示。

图6 深孔注浆效果

本次深孔注浆在2009年7月20日～8月1日进行,根据图7沉降曲线可以看出,在该段时间内沉降值为负值,既有线侧墙结构为隆起状态,可见深孔注浆对既有线结构起到了较好的抬升作用,为后期开挖的沉降控制创造了良好的条件。

图7 下穿既有线施工沉降区间趋势

4 结语

以城市地铁矿山法施工区间隧道下穿既有轨道交通盾构区间特级风险源工程为背景，介绍了WSS深孔注浆工法在地层超前加固中的应用,矿山法区间近距离下穿既有盾构区间施工在北京尚属首例,施工过程中通过采取深孔注浆加固工艺,有效加固了土体,有效地控制了地层沉降和由于沉降带来的对既有4号线的结构安全的破坏,保证了既有4号线结构安全和正常使用,同时也很好地保证了6号线区间暗挖施工过程中的安全。该工艺可有效改良土体,提高土体刚度和自稳能力,对于保证暗挖施工,控制沉降作用效果显著,且具有可靠、经济、环保、方法简捷、操作简单等特点,具有较好的发展前景,为今后的类似工程提供了宝贵的借鉴经验。

[1] 毕俊丽,王伟峰.新建地铁车站零距离下穿既有线区间影响分析[J].现代隧道技术,2010(5):65-70.

[2] 王起才,赵 侃,展宏跃.新建隧道施工对邻近既有隧道结构安全性影响分析[J].铁道建筑技术,2010(3):80-82.

[3] 李寿福,赵 侃,陈德国.新宝塔山隧道邻近既有线施工技术[J].现代隧道技术,2010(3):109-112.

[4] 赵克生.浅埋暗挖法地铁区间隧道零距离下穿既有线施工技术[J].铁道标准设计,2008(12):72-75.

[5] 杨建新.北京地铁下穿小月河深孔注浆技术[C]∥2007年隧道与地下工程施工新技术研讨会暨铁道基建科技信息网年会论文汇编.北京：2007.

[6] 王圣涛,石 雷,孙成山.深孔注浆技术在盾构始发井端头土体加固施工中的应用[J].广东科技,2009(6).

[7] 周秀普,孟学文,李志强. 注浆技术在盾构施工中的应用[C]∥北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集.北京：2005.

[8] 郭 嘉,黄明利.浅埋暗挖施工超前深孔注浆技术[C]∥北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集,2005.

[9] 钱 新,黄雪梅.盾构下穿建(构)筑物控制沉降注浆技术研究与应用[J].现代隧道技术,2010(4):85-89.

[10] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社,2004:553-568.