中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 430074
引言
地下轨道交通的施工过程中，不可避免的遇到线路之间的交叉，多数地铁设计要下穿既有运营线路。为了在保证既有线路安全、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线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。深圳地铁20号线机场北站~重庆路站盾构区间隧道下穿既有11号线盾构区间为特级风险源工程，采用了WSS深孔注浆工艺在地层超前加固，为类似工程能够提供一定的借鉴经验。
1工程概况
深圳国际会展中心配套市政项目机场北站~吊出井区间为单洞单线区间，左线从机场北站始发直线掘进164m先后下穿既有运营的11号线右线、入场线、出场线、左线，下穿长度117米；右线从机场北站始发直线掘进211m先后下穿既有运营的11号线右线、入场线、出场线、左线，下穿长度100.5米。下穿段均为上软下硬复合地层，岩层强度高达87.7Mpa，最小净距仅2.4米。地铁11号线施工前未预留20号线下穿加固措施，加固施工安全风险大。
项目所处高水位区，地下水丰富，岩层裂隙水多，作为隧道水源的一个天然补给地，给隧道施工构成了极大的威胁，为下穿既有线带来极大的安全隐患。本项目工程地质、水文地质条件极其复杂，盾构区间基岩凸起、上软下硬，8次下穿既有运营地铁11号线，最小净距仅2.4m。既有运营线路最大允许沉降不超过 1cm。
盾构在上软下硬地层掘进过程中，对地层扰动过大，加之既有11号线与机～吊区间隧道的所夹土体为砂质性粘土、全风化花岗岩，在这种复合地质中盾构掘进速度慢，上部土体遇水软化、崩解完全失去自稳能力，从而引起地面沉降甚至坍塌，影响既有隧道正常运营甚至停运。所以极有必要对既有隧道下土体进行超前预注浆加固。
盾构通过后，由于应力松弛影响，地层还会发生固结沉降，为此应根据既有线隧道内自动化监测和地面监测结果进行实时控制，在管片衬砌背后实施跟踪注浆，尤其对拱部120°范围进行地层固结注浆是非常重要的。主要控制参数为注浆量和注浆压力。二次（或多次）压浆是弥补同步注浆不足，减少地表沉降的有效辅助手段，可使盾构在穿越既有线、建筑物、道路、地下管线时，大大降低地面沉降。
2预注浆加固方案分析
2.1加固范围分析
采用Peck法计算的盾构隧道地面沉降量及沉陷槽计算公式如下式；其沉陷槽横向分布见图。
图3 沉降槽横向分布图
式中：
V—地层损失（地表沉降容积）；
i—沉降槽曲线反弯点；
z—隧道中心埋深
根据本标段的地质条件和埋深等，得i=6.9m，由此根据以往的工程实践及经验公式，沉陷槽宽度B≈5i，可得单个隧道盾构推进引起的地表横向沉陷槽宽度约为35m，两条隧道盾构推进引起的地表横向沉陷曲线叠加后其沉陷槽宽度约为50m，并且沉陷槽的主要范围在隧道轴线两侧6m范围内，离轴线3m的沉降量约为最大沉降量的60%～70%，离轴线6m的沉降量约为最大沉降量的25%。
根据peck理论，在盾构掘进时机吊区间两侧斜向45°范围至地面的宽度为沉降影响区。
2.2选择加固方式
2.2.1常规加固方法
注浆法除一般锚杆注浆、预埋管注浆外，还有搅拌注浆、喷射注浆、布袋注浆等到其适用的领域有地基加固以提高土体的承载力强压缩模量，用于控制沉降，地层强化、止水做隔离帷幕，充填空隙等等。但是要实现定向、定量、定压、地层强化、止水、加固等效果，WSS注浆和袖阀管注浆比较好。
2.2.2WSS注浆
WSS深孔注浆工艺是一种定压、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。
图1 WSS工法注浆施工步骤图
2.2.3袖阀管注浆
袖阀管注浆施工工艺是目前处理地基一种的比较先进的方法。它能进行定深、定量、分度、分段、间歇、重复注浆，集中了劈裂注浆法、压（挤）密注浆法和渗入注浆法的优点。适用于地质条件复杂，断层破碎地带，富水地层地段，场地狭窄情况下的地基加固。由于具有许多优点，灌浆效果好，因此在被广泛采用。注浆时在不改变地层组成的情况下，通过注浆，使土体的空隙充满浆液并使其固化，达到改良土体作用，由没有承载力变为有承载力性状的目的。其注浆特性是使地层强度增加。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，在浆液泡体上方的土体会产生一个倒圆锥形的剪切面。
袖阀管注浆工法同其它注浆工法相比，具有以下特点：
（一）灌浆过程具有可控性。具有上下两个止浆塞形成止浆系统，能将浆液限定在注浆区域的任一段范围内进行注浆，达到分段注浆的目的。
（二）止浆系统在光滑的袖阀管内可以自由移动，可根据需要在注浆区域内某一段反复注浆。
（三）根据地层特点，可在一根注浆管内采用不同的注浆材料，选用不同的注浆压力进行注浆施工。
（四）适用范围较广，即适于渗透性较好的土层，又适于渗透性较差的土体。
（五）由于骨架效应的存在，浆脉在土体中形成了复合结构，更由于袖阀管在土体中的存在，使这种复合结构犹如加筋土一般，效果更加明显。
（六）在场地狭窄（2×3m）净空高度小（2.2m）的情况下仍可进行作业。
2.2.4注浆方案选择
WSS注浆适用于各种土层条件，浆材混合液和注浆的方向性可随时调节，浆材的凝胶时间可以从瞬结到缓结，以及使用电子监控技术能够实现定向、定量、定压注浆施工，浆液分布较锚杆均匀，能有效地提高土体的整体强度止水效果，下穿既有线加固过程中需用到斜孔注浆，在袖阀管注浆工艺中很难实现斜孔施工，所以综上所述，采用WSS注浆进行加固。
2.2.5WSS注浆方案
在隧道掘进前沿隧道前进方向，在较长范围内进行超前深孔预注浆。通过压力将浆液压入到既有线隧道下，开挖影响范围土体中，经渗透及劈裂作用，使地层中的水或空气被强行排挤出加固范围之外，并经过凝胶作用后，充填和堵塞地层中的缝隙，降低注浆地层的渗水系数，减少隧道掘进时的渗水量，固结土体，提高地层的自稳能力，即减少开挖过程中的既有线沉降量又保证了盾构施工安全。利用既有地铁11号线成型隧道的管片吊装孔兼注浆孔对隧道间进行注浆加固。在深圳地铁公司同意的情况下，提前穿越范围进行注浆加固，进一步做到顺利安全地穿越既有的地铁营运线路。
（1）盾构机下穿11 号线隧道前，因11号线出场线与入场线下在地面难以实现斜孔注浆，在出入线洞内对11号线隧道下方土体进行注浆加固。隧道加固范围为：既有地铁11号线隧道底部至强风化花岗岩岩面，若强风化花岗岩岩面位于机～吊区间隧道拱顶以下，则加固至机～吊区间隧道顶；
（2）11号线左右线则在地面上使用WSS斜孔注浆对下穿11号线正线影响区进行使用WSS注浆进行预加固处理。
2.2.6注浆材料性能及方案比选
注浆材料的选取主要应根据浆液的可行性、可注性、环保及经济性进行综合 分析，另外，还应结合其地质特征和注浆加固方案要求，从堵水性、耐久性（耐 腐蚀性）和工艺可操作性综合考虑进行注浆材料选择。根据室内试验初步结论，综合以上特性进行比较分析，并结合相关地质条件，建议隧道全断面超前预注浆以普通水泥－水玻璃双液浆为主要浆材，普通水泥单液浆为辅助浆材。各类浆液的水灰比、体积比及凝胶时间范围如下表所示，各注浆材料具体配合比应在后面的现场试验和推广应用中不断优化和完善，并最终确定下来。
建议双液浆配合比如下：
2.2.7关键施工技术
①注浆孔间距：根据现场预留注浆孔实际确定，约1.5m。
②注浆管的设置：钻孔机将注浆管设于预定深度注入清水并从浆液混合器端部流出；
③喷射注浆、注浆管设置完毕，浆端点关闭、进行喷射切换，一般为15L/min。同时根据工程实际进行调整
④回抽注浆：施加压力注浆时，必须精心操作控制压力。对浆液施加适当压力，也可进行水平注浆施工。
⑤注浆结束注浆完毕将注浆管冲洗干净全部收回，对注浆孔进行密封，恢复原毕状。
⑥浆液强度、硬化时间、渗透性能可根据工程实际需要调整。
⑦浆液不流失、固结后不收缩、硬化剂无毒、对周围环境及地下水资源不造成污染。
2.2.8实际效果及分析
超前注浆后开挖面水量明显减少，土体中浆液脉络清晰可见，起到了超前加固地层，提高土体自稳能力和减小沉降风险的作用，有效解决了富水软弱地层隧道易垮塌的现象。利用自动化监测指导注浆施工，本项目监测方法分为自动化监测和人工观测，以隧道内自动化监测为主，地面人工监测为辅，贯穿与在整个下穿施工中。截止 2017 年10月23日，20号线隧道左线掌子面已出11号线机福区间隧道 50 米，施工已经不影响地铁11号线。根据自动化监测数据显，右线最大累计沉降值为-4.4mm，最大累计位移值为-2.3mm；左线最大累计沉降值为-5.2mm，最大累计位移值为+3.9mm，处于可控范围。
跟踪注浆
（一）沉降案例
出场线CL09~CL12断面多个监测点4：00~6：00、6：00~15：30两个时间段变形速率超出红色报警值（2mm/d）。入场线CR11~CR13断面多个监测点13：00~15：30变形速率超出红色报警值（2mm/d），且CR11-2、CR12-2累计变形值超出黄色预警值（±6mm），数据超标的主要原因是在146环处盾构掘进超方后发生沉降黄色预警，在普通的同步注浆之后还是发生了沉降，后期在143、145、147、153、158环处采取跟踪注浆消除沉降，由于自动化监测频率不足、跟踪注浆控制不及时导致沉降数据红色预警（后已消除），具体数据见图7。
图7 沉降数据图
（二）跟踪注浆方案
为保证盾构施工过程中穿越后既有运营的地铁11号线安全，需进行二次深孔加强注浆加固，以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。在管片纵向螺栓的位置每22.5°增加一个注浆孔，即在每个邻接块和标准块各增加两个注浆孔，每环管片注浆孔增加到16个。通过预留注浆孔对既有运营的地铁11号线左线DK41+622.21～DK41+719.97及DK41+622.21～DK41+751.13右线段进行洞内注浆加固。注浆范围为隧道两侧120°，注浆厚度为既有11号线隧道与机～吊区间隧道净距H-1m，如图2所示。
图 管片背后二次深孔加强注浆图
管片背后二次深孔加强注浆采用WSS注浆工艺，液采用水泥-水玻璃双液浆，注浆时需要在注浆口上安装逆止阀，防止地下水通过注浆管流入隧道。根据实际施工情况及既有隧道内监测情况对单孔注入量进行调整。
（三）跟踪注浆参数选择
（四）注浆效果分析
机吊区间通过WSS注浆顺利通过了地铁11号线，既有线结构累计沉降控制在-4.3mm，最大沉降速率为0.9mm/d，双控指标均没有超过设计容许值，有效的保证了区间隧道开挖施工时既有线的安全运营。并且做到了没有出现一例透水、坍塌事故，同时也大大缩短了工期，为整个工程创下了良好的经济效益和社会效益。
3结论与展望
以城市地铁盾构法施工区间隧道下穿既有线盾构区间特技风险源工程为背景，介绍了WSS深孔注浆工法在地层超前加固中的应用，盾构法区间上软下硬复合地层长距离小净距下穿既有地铁线在国内罕见，施工过程中通过采取深孔注浆加固工艺，有效加固了土体，有效的控制了地层沉降和由于沉降带来的对既有11号线的结构安全的破坏，保证了既有11号线结构安全和正常使用，同时也很好的保证了20号线区间盾构施工过程中的安全。改工艺可有效改良土体，提高土体刚度和自稳能力，对于保证盾构施工，控制沉降作用效果显著，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。
论文作者:陈月龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/1/4
标签：注浆论文; 隧道论文; 盾构论文; 地层论文; 浆液论文; 区间论文; 管片论文; 《基层建设》2018年第35期论文;