城市地铁暗挖在结构顶部较近处(约2～5m),穿越现有地下管线或地质条件较差的部位,往往采用超前支护方法增强地层的自稳能力以控制沉降和止水。常用的超前支护方法有小导管注浆超前支护、大管棚超前支护等,但实际施工中,这些措施在通过渗漏严重的雨、污水管线时由于加固体抗渗性较差,往往起不到良好的支护效果。
二重管双液注浆是一种以改良地层为目的的地基处理技术,其优点在于既可以增加地层的强度又可以达到止水的效果。据有关资料表明,二重管注浆加固后的地层强度:卵石层达到2.5～3.0MPa、细中砂层达到1.5～2.0MPa、粘土层达到1.5～2.0MPa。加固后地层的透水系数:可达到k=10-7～10-8cm/s。这种地基处理技术,如果能方便地用于地下工程超前支护,将弥补以上工法的不足。
基于以上思路,通过对TXU型钻机进行改型使其具有全方位钻进功能,采用二重管作为钻杆使浆液在钻杆端头完全混合再注入地层,从而实现加固开挖面前方一定范围内的地层。北京地铁十号线光华路车站东南风道穿越D1800雨水管线时,为确保管线和结构施工的安全,将以上思路付诸于实践,首次采用二重管注浆作为浅埋暗挖工法穿越雨、污水管线的超前支护,取得了很好的效果。
1工程概况
光华路车站位于东三环与规划商务中心交叉口,东侧为中央电视台新址工地,西侧为财富中心。东南风道总长115.434m,东三环路下部分与道路正交。D1800雨水管位于结构第二次抬高过渡段上方,抬高前风道拱顶埋深9.905m,抬高后埋深6.535m,抬高高度为3.4m,坡度约35°,雨水管与结构最小距离为0.85m。为降低施工难度,减小施工风险,过渡段由原设计位置向西平移1.3m,雨水管与结构最小距离为1.6m,如图1所示。风道开挖断面,宽×高=11m×(15～17m),初支结构施工采用CRD工法,分4～5层、8～10洞开挖。
据资料显示,D1800雨水管修建于1979年,采用顶管施工,管段之间连接采用麻辫,缝隙填打石棉灰; 顶管坑内管道采用混凝土管基,钢丝网水泥砂浆抹段接口。施工时雨水管中水深1.0m,水流湍急,管线渗漏水的可能性很大。距D1800雨水管仅5.0m处是1800mm×2300mm污水方沟,大约修建于1982年,是东三环路的主要污水干管,沟内水深1.5m,流速较大。D1800雨水管与风道结构之间土质(由上至下)为粉质粘土、砂质粉土和细砂。因此,穿越雨水管的施工风险很大,为确保施工安全,必须采取可靠的超前支护措施。
2支护方案比选
2.1工程特点
(1)雨水管距结构开挖面最小处仅为1.6m,结构在该位置大角度(35°)挑高,增大了施工难度和风险;
(2)雨水管采用顶管法施工,年久失修,水流急、水量大,出现渗漏水的可能性很大;
(3)风道开挖断面大,采用CRD工法多层、多导洞施工,对地层的扰动次数多,沉降量较大,与雨水管相互影响显著。
(4)雨水管位于CBD核心的东三环主路下方,所处地段非常敏感,施工必须保证万无一失。
2.2方案比选
提出3种超前支护方案进行比选,分别为密排小管棚注浆超前支护、大管棚超前支护和二重管注浆+钢插管超前支护。
通过以上分析比较,采用方案3进行超前支护。
3二重管注浆超前支护
3.1注浆设备
TXU改型钻机:旋转二重管及排水处理装备;
SYB-60/50型注浆泵:注浆液混合器及测定器具;
SJY-双层立体式搅拌机:喷头及凝胶时间测定仪,逆止阀,消音器。
3.2施工工艺流程
二重管注浆超前支护采用TXU改型钻机施工。
TXU改型钻机体型较小,适合在较小空间施工,能在360°范围内进行钻进,如图3所示。二重管钻杆直径一般为?42,端头安装管内混合器。钻进采用清水作为循环液,达到设计深度或位置时,封闭端点进行横向喷射切换。然后用注浆泵分别将两种浆液压入外管和内管,浆液在二重管的端头混合器内混合,通过滤网在水平方向实行喷射,将浆液注入地层中。注浆采用后退式,一般20～50cm为一个注浆段。
3.3注浆浆液和注浆参数
施工时根据地层情况配制溶液型或悬浊型浆液;通过调节浆液配比和注浆压力来控制浆液的凝结时间和注入范围。溶液型或悬浊型浆液均采用双液,其配比如表2所示,其中A、B双液组成溶液型浆液,A,C双液组成悬浊型浆液。悬浊型浆液以水泥为主,掺加注入性强的添加剂,适用于软弱粘性土、松散砂层、砂砾石层的前处理、裂隙等的填充。溶液型浆液以水玻璃为主,掺加注入性强的添加剂,适用于密实的砂层、砂砾石层改良的后处理等。浆液中的添加剂一方面改良浆液,增强浆液的注入性,另一方面降低浆液凝固后的收缩性,确保注浆和止水效果。针对不同的地层,注浆时可先进行限制性注浆,浆液凝结速度快,可根据凝结时间确定注浆范围;然后进行渗透注浆,使浆液在地层中分布均匀。限制性注浆和渗透注浆可以自由切换,从而适用于各种复杂的地层。
根据不同地层和工程情况,一般条件下注浆深度在14m以内,注浆孔直径46mm;浆液扩散半径1m;浆液凝结时间20s～30min;注浆压力0.3～1.5MPa。
4实施情况
4.1加固范围
综合考虑各方面的因素,纵向加固范围为第二次抬高过渡段,立面加固范围为上层导洞结构内0.5m到雨水管底之间的土体,两侧部位加固厚度为结构外3.0m。
4.2土体加固施工
(1)1号导洞施工至距抬高段起始点2.0m时,采用150mm厚C25喷射混凝土封闭开挖面,下台阶梅花状打入2m长22钢筋加筋改良土体,保证开挖面的稳定性。
(2)进行二重管注浆,加固1号导洞拱顶及侧部土体,中隔墙部位向3号洞内加固,范围不小于3.0m。采用洞内放射型注浆方式,从外围到中心进行施工。
(3)注浆完成后,距结构开挖线250mm处沿外轮廓以抬高坡度为角度,采用TXU钻机成孔,然后顶入9.0m长、内径32的钢插管并注浆。
(4)1号导洞开挖,进行初支结构施工。开挖过程中发现注浆效果良好,土体明显改良,没有出现渗漏水。
(5)3号导洞施工至距抬高段起始点2.0m时,加固方法同1号导洞。由于1号导洞已完成初支结构,注浆时必须严格控制注浆压力,靠近注浆一侧需在结构上设卸压或卸水孔,并加强巡视,确保结构的安全。
从开挖情况看,注浆起到了良好的加固和止水作用,浆液在粉细砂层中扩散性较好,加固体强度高,没有出现任何坍塌现象。在粘性土中,为劈裂注浆,浆液呈脉状扩散,在层理好的地段沿层理扩散。
5结论
二重管注浆超前支护注浆,在隧道拱顶形成一定厚度的水泥固结体,该固结体具有较高的强度和良好的止水效果。从地铁光华路车站东南风道穿越D1800雨水管施工实践看,二重管注浆超前支护技术具有如下优势:
(1)TXU改型钻机机械轻小,施工灵活,能适应隧道施工的窄小环境;
(2)注浆原材料主要为水泥、水玻璃,材料来源广,经济且无污染;
(3)浆液切换灵活,能根据不同地层条件随时更换浆液类型,可实现复合式注浆,适应各种复杂地层;
(4)浆液在二重管端头可完全混合,后退式注浆可确保浆液均匀地注入土层中,在特殊地段(如渗漏水严重地段)还可采用前进式注浆,连续可靠;
(5)加固体强度较高、密实度好,具有良好的止水效果;在沉降控制严格地段,还可插入钢插管或注浆后再打设大管棚以提高土层的整体刚度。
二重管注浆超前支护作为一种新的支护方法,首次应用于地铁浅埋暗挖穿越大直径地下管线的施工,并取得了良好的加固土体和止水效果,值得进一步推广应用。