李寅 常渡亮 張瑞海

（1、中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000 2、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

城市軌道交通系統(tǒng)快速推進(jìn)加快了社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并且能夠有效的解決城市擁堵問(wèn)題。相比較于傳統(tǒng)交通系統(tǒng),城市軌道交通系統(tǒng)的載客量高,速度快,減少空氣污染。在修建城市軌道交通系統(tǒng)過(guò)程中,車站的結(jié)構(gòu)沉降是一個(gè)常見的問(wèn)題,目前較多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究,李濤[1]等通過(guò)洞樁法導(dǎo)洞內(nèi)臺(tái)階錯(cuò)距開挖對(duì)地表沉降的影響進(jìn)行研究,分析洞樁法導(dǎo)洞內(nèi)臺(tái)階錯(cuò)距開挖對(duì)地表沉降的影響。王賓賓[2]等將卡爾曼模型方法運(yùn)用在隧道結(jié)構(gòu)性沉降案例中。魏章超[3]等研究了列車振動(dòng)荷載下,隧道結(jié)構(gòu)性沉降的特性。

鑒于此本文對(duì)福州市軌道交通一號(hào)線某一車站的結(jié)構(gòu)性沉降現(xiàn)象進(jìn)行分析研究,提出有效的解決辦法,為以后實(shí)際工程的發(fā)展提供真實(shí)的案例支持。

1 工程概況

福州市軌道交通1 號(hào)線二期4 標(biāo)工程處于福州市倉(cāng)山區(qū)城門鎮(zhèn)下洋村,為福州軌道交通1 號(hào)線二期終點(diǎn)。三江口站為地下1 層側(cè)式站臺(tái)車站,采用明挖順作法施工,采用放坡開挖和噴錨支護(hù)。東明挖區(qū)間采用放坡開挖噴錨支護(hù),西側(cè)明挖區(qū)間采用φ850mm@650mmSMW 工法樁[4]加內(nèi)支撐支護(hù)形式。下洋站～三江口站盾構(gòu)區(qū)間上行線設(shè)計(jì)長(zhǎng)495.718m,下行線設(shè)計(jì)長(zhǎng)度505.536m,管片內(nèi)徑為5500mm,外徑6200mm,厚350mm,寬1200mm,楔形量為40mm,混凝土采用C50,抗?jié)B等級(jí)P10,管片采用錯(cuò)縫拼裝。總平面布置見圖1。

圖1 工程總平面示意圖

1.1 下洋站～三江口站盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況

三江口站及兩端明挖基坑開挖深度6m～10.6m,開挖深度范圍內(nèi)主要有粉質(zhì)粘土、淤泥夾砂、中砂、含泥中砂、淤泥夾砂。車站采用1:1.5 放坡開挖,天然地基基礎(chǔ), 基底位于中砂層及含泥中砂層。西明挖區(qū)間采用SMW 工法樁進(jìn)行圍護(hù),天然地基基礎(chǔ), 基底位于中砂層[5]。

1.2 三江口站(包含東、西明挖區(qū)間)地質(zhì)情況

下洋站～三江口盾構(gòu)區(qū)間下行線長(zhǎng)度495.718m, 上行線長(zhǎng)度505.536m, 管片內(nèi)徑φ5500mm,管片厚度350mm,管片寬度1200mm。盾構(gòu)穿越地層主要為:淤泥夾砂、粉砂、淤泥夾砂,隧道基底位于粉砂與淤泥夾砂層[6]。

2 隧道沉降分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、管片類型、基底地層及處理難易程度等多種因素,將紅色報(bào)警范圍分為3 種類型,即S 類-沉降最大,難處理;A 類-沉降較大,較難處理;B 類-沉降預(yù)警,相對(duì)容易處理。

盾構(gòu)區(qū)間A 類:沉降量10mm～20mm,管片類型為P1(管片無(wú)預(yù)留注漿孔),隧道底部為中砂層。

盾構(gòu)區(qū)間B 類:沉降量0mm～10m,管片類型為P1Z(管片有預(yù)留注漿孔),隧道底部為淤泥夾砂層。

西明挖區(qū)間S 類:沉降量>20mm,結(jié)構(gòu)基底為中砂層。

3 隧道沉降處理工程實(shí)例

盾構(gòu)區(qū)間注漿施工前, 為防止道床混凝土與管片仰拱受注漿影響脫開,需對(duì)道床脫空情況進(jìn)行檢查,必要時(shí)首先進(jìn)行道床加固處理后再注漿加固隧底地層;西明挖區(qū)間地面注漿為防止注漿壓力過(guò)大,漿液沿施工縫、誘導(dǎo)縫等縫隙滲入結(jié)構(gòu),施工前需進(jìn)行檢查,必要時(shí)進(jìn)行加固處理。

3.1 盾構(gòu)區(qū)間沉降原因

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間沉降位置分布情況, 結(jié)合上方道路荷載集中的情況,初步分析,盾構(gòu)區(qū)間沉降較大的范圍共兩處。第一處位于下洋站出站后100m 范圍, 該范圍隧道基底處于淤泥夾砂層,該區(qū)段進(jìn)行了隧底加固,通過(guò)壓力注漿,難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求效果。周邊臨近馬航洲河道開挖卸載土體荷載及運(yùn)營(yíng)荷載影響的情況下,地層本身存在易蠕動(dòng)與易變形的特征,另外, 區(qū)間下臥地層分部有承壓含水層, 會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響,綜合較多不利因素,導(dǎo)致發(fā)生沉降。第二處位于接近西明挖區(qū)間始發(fā)端頭范圍,該范圍隧道基底處于粉砂層,該范圍未進(jìn)行隧底加固,地層本身屬于可液化土層,建設(shè)環(huán)境屬于抗震不利地段,考慮是否因運(yùn)營(yíng)震動(dòng)及潮汐水位變化引起的砂層液化,導(dǎo)致發(fā)生沉降[7]。

3.1.1 盾構(gòu)區(qū)間A 類注漿加固方案

盾構(gòu)區(qū)間A 類(管片無(wú)預(yù)留注漿孔,沉降量10mm～20mm):下行線1 環(huán)～29 環(huán)、上行線1 環(huán)～33 環(huán)位置,管片類型為P1(管片無(wú)預(yù)留注漿孔),隧道底部為2 粉砂層,底部設(shè)計(jì)無(wú)加固。盾構(gòu)區(qū)間A 類段在管片拼裝點(diǎn)位10 點(diǎn)和6 點(diǎn)位附近水溝位置垂直開孔,沿徑向隔環(huán)對(duì)稱開孔,向下進(jìn)行注漿加固[8],加固深度隧道底部以下3～4.5m。見圖2。在盾構(gòu)隧道內(nèi)排水溝兩側(cè)對(duì)稱管片開孔,向下進(jìn)行注漿加固,注漿深度隧道底部以下3m。施工工藝流程如下:(1)管片開孔:開孔選用J-200 型金剛石鉆機(jī)進(jìn)行開孔,孔徑50mm,孔深300mm(管片厚度350mm,留50mm 保護(hù)層),成孔后插入50mm 無(wú)縫鋼管,四周插入3 根鋁管,灌入環(huán)氧孔口采用環(huán)氧砂漿封堵密實(shí),孔口管上安裝球閥。(2)注漿:從孔口管采用直徑40mm 鉆頭鉆孔,插入注漿管,前進(jìn)式注漿,第一次注1.5 米后打開閥門觀察,不滲漏后再打孔注1.5 米;漿液采用單液漿,參數(shù)暫定水灰比0.6～1:1,注漿壓力0.3～0.4MPa,不大于0.5Mpa,單孔注漿擴(kuò)散半徑不小于2m,具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。前后次注漿,加固體應(yīng)垂直搭接,保證加固體的整體性。(3)封孔:注漿完成后,如需要進(jìn)行多次注漿,清洗注漿管后,關(guān)閉球閥;完成所有注漿工作后,割除外漏注漿管,用EAA 環(huán)氧砂漿封堵注漿孔,保證不出現(xiàn)滲漏。

圖2 管片開孔注漿平面圖

3.1.2 盾構(gòu)區(qū)間B 類注漿加固方案

盾構(gòu)區(qū)間B 類(管片預(yù)留注漿孔,沉降量0mm～10m):下行線301 環(huán)～397 環(huán),上行線321 環(huán)～353 環(huán),該范圍管片類型為P1Z 管片,設(shè)計(jì)有預(yù)留注漿孔,利用原預(yù)留注漿孔和吊裝孔徑性二次補(bǔ)注漿。該范圍設(shè)計(jì)有隧底120°范圍注漿加固,注漿范圍包含6、7、8、9、10 共5 個(gè)注漿孔位(其中7、8、9 為道床底部注漿孔已被覆蓋,6、10 道床水溝邊注漿孔部分保留),通過(guò)管片預(yù)留注漿孔和吊裝孔,逐孔對(duì)成型隧道基底120°范圍進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿加固,注漿深度3～4.5m,見圖3。通過(guò)管片預(yù)留注漿孔和吊裝孔,逐孔對(duì)成型隧道基底120°范圍二次補(bǔ)強(qiáng)加固,注漿深度3～4.5m。

圖3 盾構(gòu)區(qū)間B 類注漿平面圖

施工工藝流程如下:(1)開孔:開孔時(shí)使用水鉆將管片注漿孔鉆穿,然后再使用大錘將注漿管打至加固深度,然后安裝閥門,防止淤泥或地下水滲出,同時(shí)用堵漏王將注漿管與管片間隙封堵。(2)注漿:漿液采用單液漿,參數(shù)暫定水灰比0.8:1,注漿壓力不大于0.5MPa,具體注漿量及注漿壓力、初凝時(shí)間等由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。注漿過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn):單次變形(包括水平位移、豎向位移及收斂變形) 不超過(guò)1mm 控制, 累計(jì)變形不超過(guò)5mm 控制。(3)封孔:注漿完成后,如需要進(jìn)行多次注漿,清洗注漿管后,關(guān)閉球閥;完成所有注漿工作后,割除外漏注漿管,用EAA 環(huán)氧砂漿封堵注漿孔,保證不出現(xiàn)滲漏。

3.2 西明挖區(qū)間沉降原因

根據(jù)西明挖區(qū)間沉降位置分部情況,初步分析,西明挖區(qū)間沉降表現(xiàn)為端頭井至車站分界方向(由西向東約90m),沉降由大到小變化,該范圍內(nèi)基底地層為中砂層,下臥層為淤泥夾砂層,該地層標(biāo)貫值為2.0,由西向東約80 米分布,厚度規(guī)律由西向東18m～10m, 整體表現(xiàn)下臥層淤泥夾砂越厚的位置,沉降越大,下臥層處于中砂的位置,未發(fā)現(xiàn)明顯沉降。由于對(duì)下臥層淤泥夾砂層認(rèn)識(shí)不足,未考慮淤泥壓縮性,下臥層出現(xiàn)明顯壓縮流變,分布厚度及沉降數(shù)據(jù)反映一致,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉降變形。

西明挖區(qū)間加固方案：

西明挖區(qū)間S 類范圍(沉降量>20mm)采用地面斜向袖閥管加固,盾構(gòu)區(qū)間與明挖區(qū)間結(jié)合部位應(yīng)同時(shí)處理,控制差異沉降,避免次生災(zāi)害發(fā)生。地面袖閥管注漿施工前,對(duì)地面道路進(jìn)行臨時(shí)圍蔽, 布孔應(yīng)避開地面周邊建構(gòu)筑物及地面管線。為了保證注漿加固施工質(zhì)量,驗(yàn)證地面袖閥管注漿加固對(duì)沉降治理的效果, 確定最佳的注漿施工參數(shù), 施工前設(shè)置20m 試驗(yàn)段。試驗(yàn)段設(shè)置在西明挖沉降最大處,在結(jié)構(gòu)兩側(cè)15 米范圍施作袖閥管注漿對(duì)結(jié)構(gòu)底板以下地層進(jìn)行加固,加固范圍為結(jié)構(gòu)底板以下17.4～22.9m, 孔位縱向間距1m 梅花型布置,擴(kuò)散半徑1m,具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整。見圖4。在西明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)兩側(cè)采用地面袖閥管注漿,工藝流程如下:(1)鉆孔:①鉆機(jī)安裝:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況,鉆機(jī)就位后,使用RTK 測(cè)出實(shí)際坐標(biāo)與高程,計(jì)算出鉆孔角度和深度。②成孔和鉆進(jìn):成孔選用MXL-150D 型鉆機(jī),砂層及淤泥夾砂地層鉆孔采用套管鉆進(jìn),鉆進(jìn)時(shí)水壓不超過(guò)0.5Mpa;若遇到硬土層或混凝土塊采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊鉆進(jìn)。③鉆孔護(hù)壁:鉆孔時(shí)采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁,防止鉆孔時(shí)塌孔。待孔內(nèi)注入套殼料并下入袖閥管后,將φ108mm 套管提出孔外。④注意事項(xiàng):鉆孔布置注意避開管線,并不得破壞既有的基礎(chǔ)。(2)安裝袖閥管、澆注套殼料及固管止?jié){:①鉆孔至設(shè)計(jì)深度并采用清水洗孔后,立即將套殼料通過(guò)鉆桿泵送至孔底,自下而上灌注套殼料至孔口溢出符合濃度要求的原漿液為止。②依次下入按注漿段配備的袖閥花管和芯管,下管時(shí)及時(shí)向管內(nèi)加入清水,克服孔內(nèi)浮力,順暢下入至孔底。③灌入封閉泥漿(即套殼料)。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)通過(guò)多組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),選取封閉泥漿的最佳配比。根據(jù)工程中的要求, 套殼料凝固時(shí)間和強(qiáng)度增長(zhǎng)速率控制在2～5d內(nèi)可灌漿。④套管拔出:套殼料灌入完成后,及時(shí)將套管拔出,為防止卡套管,在拔除過(guò)程中套管邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊拔除。⑤固管止?jié){:在袖閥管外花管與孔壁之間的環(huán)狀間隙處下入注漿管,在孔口上部2 米孔段壓入止?jié){固管料, 直至孔口返止?jié)鉂{為止。(3)待凝:要待孔口段止?jié){料凝固后才能灌漿。待凝時(shí)間控制在2～5 天以內(nèi)。(4)開環(huán):灌漿的前期階段,使用稀漿(或清水)加壓開環(huán)。開環(huán)壓力為2Mpa 左右,具體數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整。在加壓過(guò)程中,一旦出現(xiàn)壓力突降,進(jìn)漿量劇增,表示已經(jīng)“開環(huán)”。開環(huán)后即按設(shè)計(jì)配比開始正式注漿。(5)灌漿:采用雙栓塞芯管進(jìn)行灌漿。根據(jù)各組注漿參數(shù)表要求,從孔底自下而上進(jìn)行注漿,每排孔眼作為一個(gè)灌漿段,其段長(zhǎng)為50cm。注漿采用單液漿,注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。初步確定注漿壓力為0.5～0.8Mpa,注漿壓力控制在1MPa 以內(nèi),并由下而上逐漸減小,具體數(shù)值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整。注漿次序:先注最外側(cè),由外至內(nèi)依次進(jìn)行;單孔采取跳孔注漿,防止串漿;明挖結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱注漿。間歇注漿:全孔段注漿完成后,間歇一段時(shí)間再進(jìn)行第二次注漿,間歇時(shí)間控制在10～30min 之內(nèi)。(6)清孔:每孔注完漿后,用φ20 水管插入袖閥管內(nèi),泵入清水把袖閥管內(nèi)殘留水泥漿沖洗干凈,注漿管口采用膠布封口,以備復(fù)注。(7)封孔:試驗(yàn)段注漿結(jié)束后,根據(jù)監(jiān)測(cè)情況,若沉降穩(wěn)定,達(dá)到注漿效果,則停止注漿進(jìn)行封孔, 在孔口周圍的地面到地面以下1m 的距離范圍內(nèi)采用速凝水泥砂漿封堵。

圖4 西明挖袖閥管注漿布孔平面圖

3.3 施工注意事項(xiàng)

按照“低壓、少量、多次、多點(diǎn)、均勻”的注漿原則,結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化施工,減少對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的擾動(dòng)和達(dá)到防沉目的。注漿施工時(shí)由監(jiān)測(cè)單位對(duì)隧道的收斂、隆沉進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)位移或變形接近或達(dá)到報(bào)警值(隧道抬升量大于1mm/次時(shí)),立即停止注漿,以防止注漿對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。對(duì)注漿范圍內(nèi)本隧道及相鄰隧道內(nèi)管片收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注漿施工結(jié)束后對(duì)隧道的整體線形進(jìn)行測(cè)量,提供數(shù)據(jù)分析及安排下輪注漿。明挖段底板和管片開孔位置應(yīng)盡可能避開結(jié)構(gòu)主筋。

3.4 其他病害處理

在本次洞內(nèi)注漿加固方案實(shí)施過(guò)程中, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)隧道有滲漏、管片裂縫、局部破損等問(wèn)題時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲漏、管片裂縫、局部破損等問(wèn)題的實(shí)際情況,按照原有的缺陷處理方案,在本次洞內(nèi)加固實(shí)施過(guò)程中,一并處理。

4 討論

隧道工程中的結(jié)構(gòu)沉降現(xiàn)象,處理難度大,對(duì)實(shí)際工程的安全運(yùn)行造成巨大影響,給城市修建地鐵工程帶來(lái)了的巨大的挑戰(zhàn)。福州市軌道交通1 號(hào)線二期對(duì)結(jié)構(gòu)沉降區(qū)根據(jù)不同沉降量進(jìn)行分類, 并采取有針對(duì)性的處理措施, 達(dá)到預(yù)期效果。在施工過(guò)程中通過(guò)解決結(jié)構(gòu)沉降問(wèn)題,得出以下啟示:

4.1 根據(jù)隧道下方軟弱地層的分布情況確定注漿加固范圍和注漿目的層,重點(diǎn)對(duì)隧底下方的軟弱層進(jìn)行加固,制定針對(duì)性的沉降處理措施,能夠有效的解決問(wèn)題。

4.2 隧道工程前期勘察過(guò)程中,加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作,預(yù)判施工過(guò)程中的涌水、涌泥現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)階段進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算,合理的設(shè)計(jì)施工方案;并對(duì)沉降區(qū)域的沉降量范圍進(jìn)行預(yù)測(cè),根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘以及施工提示,提前做好沉降處理方案。