双液注浆法在盾构下穿建筑物基础时的应用效果研究

寇卫锋

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

城市地下空间建筑物基础密布，地铁规划建设中难免遇到盾构隧道下穿高层、桥梁等建筑物基础。盾构隧道下穿建筑物基础成为城市轨道建设中一个难题，国内众多学者已对此开展了研究。文献[1]通过数值模拟得出盾构施工对高架桥桩基的影响主要体现在桩体的竖向和水平方向位移上，且桩体水平方向的位移要大于竖向；文献[2]以天津地铁2号线盾构隧道下穿多层建筑物为例，将有限元计算结果与现场实测数据进行了对比，得出在精细化分析软土地区盾构掘进对上方建筑物的影响时应考虑土体小应变的影响。文献[3]基于沉降预测理论及数值分析软件，以广州地铁区间隧道下穿某7层框架结构建筑为例，研究了不同工况下隧道施工引起的地层沉降对该建筑物的影响。文献[4]结合南宁地铁1号线盾构下穿友爱居民小区工程，提出下穿时应以开挖仓压力为控制指标，提高转速、降低泥浆黏度是减少参数波动的有效措施。文献[5-9]从注浆方式、注浆液配合比等方面，对不同地层中盾构下穿建筑物注浆技术进行了分析。

以上工程实例中针对盾构隧道下穿建筑物基础多采用注浆、托换技术或两者同时实施。但对基础埋置较深且盾构隧道从地下水位以下穿越的工程，在基础底部注浆难以达到较理想的效果，基础托换耗时长，相应工程造价较高，而采用双液注浆法可克服上述缺点。

工程实际应用中双液注浆法又被称为克泥效工法。文献[10-11]介绍了克泥效工法在盾构隧道近距离下穿地铁既有线路工程中的应用，结果显示采用克泥效工法不仅解决了盾体通过时的地层变形问题，而且可减少二次注浆的频次，降低施工风险。但有关双液注浆法在盾构隧道下穿建筑物基础中的应用还未见相关文献。基于此，本文以郑州市轨道交通5号线盾构隧道施工为例，对盾构隧道下穿建筑物基础时双液注浆法的应用效果进行探究。

1 工程概况

郑州市轨道交通5号线农业东路站—心怡路站区间盾构隧道在ZDK13+662.558—ZDK13+711.322(684—715环，长度约48.764 m)和YDK13+694.410—YDK13+714.582(706—719环，长度约20.172 m)斜交下穿郑河小区1号楼、侧穿2号楼，如图1所示。

图1 盾构隧道下穿郑河小区平面示意(单位：m)

1号、2号楼为7层砖砌体结构，房高18.8 m，采用钢筋混凝土条形基础，埋深4.3 m，无地下室，地基为φ500 mm@450 mm水泥深层搅拌桩。桩顶距地面3.8 m，复合地基承载力特征值不小于160 kPa。结合郑州市地质情况，穿越段采用复合式土压平衡盾构机进行施工。盾构机将截断原有建筑物水泥土搅拌桩2.6～3.7 m，盾构截断搅拌桩左线约224根，右线约114根。右线距离2号楼最近处为2.1 m。下穿郑河小区1号楼盾构区间隧道顶覆土厚11.7～13.5 m，建筑物基础下方地基剖面示意如图2。

图2 建筑物基础下方地基剖面示意

隧址区由上至下岩土层物理力学参数见表1。

表1 岩土层物理力学参数

隧址区地下水类型主要有第四系松散层孔隙潜水和微承压水。潜水埋深5.1～10.3 m。微承压水静止水位位于地面下8.0～14.0 m，承压水水头3.0～5.0 m。

2 建筑物变形及地表沉降控制标准

为使盾构安全、顺利地下穿该建筑物基础，根据GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》相关规定以及房屋鉴定报告，综合分析确定地表沉降及建筑物竖向位移控制标准，见表2。

表2 地表沉降及建筑物竖向位移控制标准

3 建筑物变形及地表沉降控制措施

3.1 盾构隧道施工过程中各阶段沉降控制措施

超挖、盾构与衬砌间的间隙等问题使实际挖土量比用隧道断面面积计算出的挖土量大，这是引起地层损失的主要原因[12]。可将盾构隧道施工引起的沉降过程分为5个阶段，如图3所示。

图3 盾构隧道施工引起的沉降过程

第1阶段早期沉降占总沉降的比例小；第2阶段盾构到达前沉降可结合现场沉降监测结果合理调整掘进参数(如盾构推进速度、推力等)降低其值；第3阶段盾构通过时沉降、第4阶段盾尾通过后沉降可采取同步注浆、二次注浆控制。此外，盾构下穿前后径向注浆、渣土改良、纠偏、严格控制管片拼装质量等也是盾构隧道下穿建筑物时采取的常规措施。

在盾构隧道下穿建筑物基础时，为确保盾构安全推进，一般是在建筑物基础底部采用注浆或基础托换技术。本次盾构隧道在地下水位以下，注浆效果难以控制。根据以往工程经验，将双液注浆法引入本工程。

3.2 双液注浆法

双液注浆法是一种两液型注入材料，它是用特制的黏土泥浆(A液)与强塑剂(水玻璃，B液)以一定的比例混合，形成的一种可塑性黏土材料。盾构施工时，利用盾体预留的径向注浆孔在盾体与其外侧土体之间的间隙同步进行注浆，并根据地面实时监测的沉降情况，及时调整注浆压力和注入量。

4 沉降控制效果分析

4.1 工程现场实测结果

采用双液注浆法加固。监测点(JC-01，JC-02，JC-03)布置参见图2。选取其中出现最大位移的监测点JC-02数据分析盾构隧道下穿时建筑物的沉降，见图4。可知：盾构到达建筑物基础前，建筑物有少量竖向起伏；随着盾构逐渐接近，建筑物沉降明显，约有1.2 mm；在盾构通过时，建筑物先继续下沉而后隆起；盾构通过后，由于盾尾间隙建筑物继续下沉，并逐渐趋于稳定。最终，建筑物沉降稳定在3.6 mm左右，满足表2中关于建筑物沉降的要求。

图4 盾构下穿时建筑物沉降曲线(2017年7月)

4.2 数值模拟结果

盾构隧道下穿郑河小区数值分析模型(见图5)尺寸为120 m(长)×80 m(宽)×60 m(高)，划分为 35 022 个单元。土体采用实体单元模拟，盾构管片采用板单元模拟，强度准则采用摩尔-库伦准则。按JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》中的规定对复合地基进行等强度计算。

图5 盾构隧道下穿郑河小区数值分析模型

对于双液注浆法，采用在盾构管片周围设置圆形不透水环的方法来模拟，不透水环在性质上类似土体，但是渗透系数大大降低，可有效减少盾构隧道施工过程中的渗水量。由此得到建筑物沉降曲线，参见图4。数值模拟所得建筑物沉降云图见图6。将该模型中的不透水环去除，即改为一般土体，模拟采用常规措施时盾构隧道下穿建筑物，沉降曲线参见图4。

图6 采用双液注浆法时数值模拟所得建筑物沉降云图(单位：m)

对比图4和图6可知：数值模拟所得建筑物沉降曲线与实测曲线变化趋势一致，且数值模拟所得最终沉降稳定在3.43 mm，与实测值3.6 mm较为接近，证明数值模拟参数取值合理。而采用常规措施时数值模拟得到的建筑物沉降为5.9 mm，不符合楼房沉降控制要求。采用双液注浆法时建筑物沉降模拟值比采用常规措施时减少2.47 mm，降幅达42%。可见盾构隧道下穿建筑物时采用双液注浆法能有效减小建筑物的沉降。

5 结论

本文根据现场监测数据结合数值分析，对在地下水位以下盾构隧道下穿建筑物时采用双液注浆法的应用效果进行了研究，得出以下结论：

1)采用常规措施时建筑物沉降数值模拟值为5.9 mm，不满足建筑物沉降控制要求。采用双液注浆法时盾构隧道下穿引起的建筑物沉降实测值为3.6 mm，与采用常规措施时相比降幅达39.0%。

2)该工法能够在盾构机周围形成一道可靠的不透水环，该不透水环具有良好抗渗性能，使注浆效果不会因下穿施工位于地下水位以下而受影响，从而有效减少施工过程中渗水量，提高施工安全系数。