张 平

(中铁十八局集团 第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

克泥效是一种绿色环保，无毒无污染的材料，在盾构机施工中，合理应用克泥效工法可实现隧道工程外围的有效填充.与其他材料相比，克泥效具有不溶于水，挡水效果优越，支撑效果好，但自身并无强度，不会致使盾构机发生抱死问题.具体原理为：将高浓度的泥水材料和塑性调整剂按相应比例调合为高黏度塑性胶化体后，由泵泵送，通过径向孔注入混合后的流动塑性胶化体且不易被水稀释，其黏性不会随时间而变化；同步由盾构机的径向孔向盾构机的盾体外注入克泥效，注入点分别为11点钟与1点钟位置的轮流径向孔注入，及时对开挖直径和盾体之间的空隙进行填充可实现同步双液注浆，具有良好的流动性，可在胶结之前充分填充空隙，促使盾构机的壳体全部封闭，安全环保，具有良好的发展前景.故此，本文展开对洵思区间下穿南水北调干渠克泥效工法运用分析.

1 工程概述

郑州机场至许昌市域铁路工程郑州段洵美路站—思存路站区间位于郑州航空港区，区间隧道于雍州路西侧下穿南水北调中线干渠(潮河段).穿渠段隧道顶距离渠底最小净距14.50 m，此段南水北调干渠渠道设计底宽18.5 m，渠口宽约73.32 m，渠深约7 m.盾构区间隧道自思存路站始发，至洵美路接收，区间起点里程右(左)DK33+969.699，终点里程右(左)DK35+753.899，全长约1 782.7 m，采用土压平衡盾构施工，隧道外径6.2 m，内径5.5 m，管片厚度0.35 m，每环1.5 m.南水北调工程可优化水资源配置，有效缓解中国北方水资源严重短缺的情况.下穿前必须做好盾构施工扰动机理及沉降变形控制研究，为施工时的沉降变形控制提供理论依据.洵思区间线路平面如图1所示.

图1 洵思区间线路平面

2 克泥效工法试验段施工分析

克泥效由合成钙基黏土矿物、胶体稳定剂、纤维素衍生剂等物质共同组成，其施工工法为：将高浓度的泥水材料和塑性调整剂按照特定的比例相互混合，充分搅拌之后，形成高黏度塑性胶化体，再通过专业输送泵进行泵送.克泥效正常注入现场如图2所示.

图2 克泥效正常注入现场

图2是一种通过径向孔注入的新型施工工法，充分混合之后的流动属性胶体化不容易被水稀，其黏度不会随着时间的变化而变化.同步注浆利用盾构机的径向孔向盾构机的盾体外注入克泥效，选定11点钟、1点钟的位置为注入点，径向轮流注入，及时对开挖直径和盾体之间的空隙进行填充，试验段内初设的注入率要控制在120%～130%之间[1].

为保证施工质量，在试验段施工之前需要对相关设备、原材料进行充分验证，以确定原材料的填充率在本地层的应用是否科学合理，设备是否存在异常等.本次试验段施工中，混合时间为4.5 s，混合之后黏度在300～500 dPa·s之间，根据4次试验生成4组数据，具体克泥效黏稠度变化曲线如图3所示.

图3 克泥效黏稠度变化曲线

在试验段盾构掘进过程中，克泥效可有效控制沉降，且具有很强的黏性，没有出现注入点快速流失到刀盘之前或者盾尾之后的情况，及时填充了盾体和开挖之间的空隙，大大降低了浆液填充不及时而出现的沉降情况.直到停止使用，未出现卡盾体的情况，而且在整个掘进过程中，增加了同步工序，不会影响盾构机的正常掘进.对平稳下穿南水北调不会造成长时间停机.同时通过沉降检测，在试验段施工中，每环注入克泥效的量在0.9～1.0 m3时，沉降效果最为显著.

3 克泥效工法运用的要点分析

3.1 孔隙处注入克泥效

在孔隙处注入克泥效时，按照试验段确定的施工参数和标准，同步沿盾构机的径向孔，将克泥效按11点钟和1点钟的方向，轮流向盾构机外注入.按照试验段施工的要求和标准，确定出每环克泥效的量和压力，来指导洵思区间下穿南水北调干渠克泥效工法的运用，同时同步监测地面的沉降，如果施工效果欠佳，要及时调整施工参数.本工程孔隙处注入克泥效如图4所示.

图4 孔隙处注入克泥效

在盾构机掘进施工中，可通过中盾上带有阀门的预留径向注浆孔每环注入0.9～1.0 m3的混合液体.本工程刀盘直径6.48 m，左线盾构机盾尾直径6.42 m，右线盾构机盾尾直径6.43 m，理论上会在盾体周围产生0.607 m3/m(左)、0.506 m3/m(右)的空隙，实现对盾体和土体间隙的有效填充[2].盾构机参数和盾构下穿风险源相关参数如表1～2所示.

表1 盾构机参数

表2 盾构下穿风险源相关参数

在进行同步注浆浆液凝固之前，需要对地层的沉降情况进行有效控制，且克泥效工法的填充材料需要同时具有以下几个特点：

1) 操作要尽量简单有效，以保证从盾构机预留出超前注浆孔，便于稳定注入.

2) 克泥效需要具有一定的黏度，避免因为快速注入克泥效而导致其流失到刀盘之前或者盾尾之后.

3) 所配制的克泥效需要具有一定的抗稀疏能力，以免注入之后被地下水快速稀释，无法起到填充效果，避免后方地下水流动刀盘之前，出现大量地下水流失问题，引发螺旋机喷涌.

通过使用克泥效工法，有效抑制了盾构施工在第3阶段时产生的沉降，并且在其他工程项目中使用克泥效辅助穿越重难点施工总结中也证实了这一点.采用克泥效工法后，控制了沉降，从而能够起到保护干渠安全的效果[3].在具体应用过程过程中，由于盾构机的设计上都有差异，所以选常规盾构作为参考样板计算其理论用量.

例如：刀盘开挖直径6 280 mm，前盾外径6 25 0 mm，前盾长度2 000 mm，中盾外径6 240 mm，中盾长度3 000 mm，尾盾外径6230mm，尾盾长度3 000 mm.通过计算，每延米开挖直径与盾体外表面的间隙为0.4 m3，间隙中注入的克泥效只需要覆盖盾体上部1/3的面积即可，即每延米的注入量为0.132 m3.以长度1.2 m管片为例，1环用量为0.16 m3.具体情况如图5所示.

图5 克泥效注入范围

3.2 第2和第3阶段沉降控制

在洵思区间下穿南水北调干渠克泥效工法运用过程中，为有效控制沉降问题，在第2和第3阶段施工中，施工参数为：克泥效用量：0.9～1.0 m3/环；掘进模式：满仓模式掘进；渣土改良方式：以泡沫改良为主；开挖仓压力：0.16～0.20 MPa；刀盘转速1.5 r/min；总推力：11～15 MN；掘进速度30～60 mm/min；出土量57～60 m3/1.5 m；同步注浆量：6～7 m3;同步注浆压力：0.22～0.38 MPa.为更好地控制沉降问题，采取了如下方法取得了良好效果，值得类似工程参考借鉴.

1) 严格控制切口水压波动的范围，加强对泥浆质量的控制，以提升掌子面的稳定性.

2) 科学合理的盾构推进速度，尽量稳定运输推进.尤其是在开始推进和结束推进中，推进的速度要适当提升或者减少.

3) 在具体施工中，要严格控制出土量，尽量按安全理论出土量进行出土施工，为保证土体的稳定性，避免发生不均匀沉降，允许适当欠挖，以提升土体密实度[4].

4) 同步监测刀盘正上方和前方地面沉降和隆起情况，及时调整切口水压和出土量，以实现第2阶段施工的零沉降，本标段地面隆起的危害要大于地面下沉造成的危害，需要严格控制.

5) 同步由盾构机的径向孔向盾体外部注入克泥效，以便及时对盾体和开挖直径间的空隙进行填充，严格把控注入压力及注入量，对地面沉降及时监测，发现超标问题及时停止施工，待相关问题全部处理和解决之后，再继续施工[5].

3.3 不同路段的应用

3.3.1 路段1

在郑州轨道交通2号线向阳路站—南四环站下穿南水北调中线主干渠的运用中，该路段采用中铁隧道装备制造有限公司生产的2台CTE6250复合式土压平衡盾构机进行掘进施工.于SH(3)188+908～SH(3)189+035里程下穿南水北调中线总干渠，涉及渠道长度约127 m.根据实际观测成果，隧道施工对地面的沉降控制较好，通过在试验段内使用克泥效工法，并优化各项施工参数、严格控制施工过程等常规措施，经监测最大沉降量为-11.7 mm，满足控制要求.为保证克泥效工法的应用效果，需要通过以下公式来计算出克泥效的用量.

每米间隙为

(1)

式中：K为每米间隙；d1为开口直径；d2为盾尾直径.

就案例而言，通过计算可知在采用克泥效工法时，每米间隙为0.506 m3/m.

每米注入量为

Q0=η×K，

(2)

式中：η为注入率；K为每米间隙.

通过计算可知，本工程每米注入量为0.608 m3/m.

每米克泥效用量为

Q=λ×Q0，

(3)

式中：Q为每米克泥效用量；λ为克泥效的浓度.

通过计算可知，本工程每米克泥效用量为968.78 kg.

3.3.2 路段2

在郑州市南四环至郑州南站城郊铁路工程穿越南水北调中线干线主干渠的运用中，该路段采用土压平衡盾构机进行掘进施工，隧道顶至干渠底净距为14.731 m，穿越长度为91 m，穿越段土质为粉质黏土.通过在试验段内使用克泥效工法，并优化各项施工参数、严格控制施工过程等常规措施[6]，经监测最大沉降量为-4.89 mm，满足控制要求，具体的监测断面时程曲线如图6所示.

图6 南四环至郑州南站城郊铁路工程监测 断面时程曲线

3.3.3 路段3

在郑州市民文化服务区地下交通市政工程穿越南水北调中线干线郑州1段工程的运用中，在该路段施工中采用了土压平衡盾构机进行掘进施工，隧道顶至干渠底净距为12.5 m，穿越长度为115 m，穿越段土质为粉质黏土.通过在试验段内使用克泥效工法，并优化各项施工参数、严格控制施工过程等常规措施，经监测最大沉降量为-11.94 mm，满足控制要求.因此使用克泥效工法辅助穿越风险源是可行的办法[7].

4 施工效果分析

本项目结合新郑机场至许昌市域铁路(郑州段)洵美路—思存路站盾构区间隧道下穿南水北调干渠工程实例，在穿越南水北调干渠前设置200 m长试验段，对地表沉降、分层沉降、孔隙水压力和深层水平位移进行现场监测，并在南水北调干渠两岸河堤布设自动化与人工对照监测点位，对干渠的变形进行实时监测[8].使用监测成果对数值模拟模型和参数进行验证，进而研究盾构隧道施工引发的地表沉降以及分层沉降规律，最终对盾构施工参数进行了优化.保证了盾构顺利下穿南水北调渠；同时，基于该项目提出的施工参数，使得穿越工期大大缩减，并保证了工程的安全可靠.基于郑州地区地质条件的相似性，先后在郑州地铁4号线穿越郑州如意湖、穿越东西运河等项目实践应用，取得了很好的社会、经济和环境效益.

5 结语

综上所述，本文结合工程实例及理论实践，分析了洵思区间下穿南水北调干渠克泥效工法运用，将其应用到隧道工程盾构施工中，可有效填充盾构和土体之间的空隙，提升土体结构的稳定性，降低地下水对盾构施工造成的不良影响，保证上部结构的安全性.而且克泥效具有多种用途，如：盾构机长期停机时土压的保持；在软土地层(如淤泥层)出现盾构机头部或者尾部下沉的时候调整盾构机姿态；在盾构机姿态持续向下推进时，在盾体和土体间注入本产品，可以防止砂浆因为重力向前流入土仓，防止土仓因为砂浆而结泥饼.值得大范围推广应用.