張志超 李斯 姚建平 楊軼科 賈斌
1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司,北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081
隨著鐵路路網(wǎng)規(guī)模的快速提升,鐵路與市政道路、地鐵相互交叉通過的情況逐年增多。既有鐵路路基的變形直接影響列車的運(yùn)營安全,因此路基的變形監(jiān)測以及確保路基穩(wěn)定至關(guān)重要[1]。在鐵路路基沉降整治精細(xì)化注漿加固和路基沉降變形監(jiān)測領(lǐng)域已有一些研究。姚建平[2]研究了運(yùn)營高速鐵路路基基底注漿加固,給出了施工過程中路基沉降、上拱變形等的控制限值,提出了一套適用于運(yùn)營高速鐵路路基沉降整治的精細(xì)化管控技術(shù)。陳學(xué)喜等[3]通過分析不同鐵路注漿加固技術(shù)的適用性,對(duì)精細(xì)化袖閥管注漿法進(jìn)行詳細(xì)研究,并開展了相關(guān)工程實(shí)踐。付銘川等[4]分析了鐵路過渡段沉降超限原因,采用袖閥管注漿法進(jìn)行沉降超限整治,并通過現(xiàn)場監(jiān)測檢驗(yàn)了注漿整治效果。章敏[5]針對(duì)高速鐵路結(jié)構(gòu)性粉質(zhì)黏土路基的特點(diǎn),提出了可達(dá)到秒級(jí)響應(yīng)的信息化袖閥管注漿加固技術(shù),并在高速鐵路線路上進(jìn)行了成功應(yīng)用。楊興旺[6]提出了一種以北斗自動(dòng)化變形監(jiān)測為主,外加靜力水準(zhǔn)儀對(duì)路基進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測的技術(shù),并在一高速鐵路基礎(chǔ)變形監(jiān)測項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用研究。廖世芳等[7]綜合應(yīng)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、GPRS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等設(shè)計(jì)了一種適合于戈壁地區(qū)的高速鐵路路基沉降自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。
既有研究對(duì)于鐵路路基預(yù)加固及其自動(dòng)化監(jiān)測的研究尚不夠深入。為保證西安地鐵一號(hào)線隧道安全可靠地下穿咸陽西貨場專用線,開展了咸陽西貨場專用線路基段袖閥管注漿加固與變形監(jiān)測分析,為后期西安地鐵一號(hào)線隧道下穿徐蘭高速鐵路路基段提供數(shù)據(jù)支撐。
西安地鐵一號(hào)線隧道下穿咸陽西貨場專用線路基段屬渭河二級(jí)階地,地形相對(duì)平緩。工程地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)填土,上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土,殘積古土壤層,沖積粉質(zhì)黏土、砂土等。地下水主要類型為第四系孔隙潛水,賦存于第四系砂土層中,地下水位埋深12.6~16.4 m。
通過開展既有鐵路路基袖閥管注漿加固與變形監(jiān)測分析,獲取該地層條件下袖閥管鉆孔注漿施工工藝、鉆孔注漿過程中的路基沉降變化特征,為后期開展高速鐵路路基預(yù)加固與盾構(gòu)下穿高速鐵路路基沉降變形控制提供數(shù)據(jù)支撐。
地鐵隧道拱頂距離鐵路軌面豎向凈距離約為20.8 m,位于地下水位以下。隧道穿越粉質(zhì)黏土層,其上有一層約5 m厚的細(xì)砂層,細(xì)砂層富水且具有一定的流動(dòng)性,易受到地鐵盾構(gòu)的擾動(dòng),須要對(duì)該細(xì)砂層進(jìn)行注漿加固處理,路基預(yù)加固縱斷面如圖1所示,加固深度為13.5~19.5 m。為實(shí)現(xiàn)地鐵盾構(gòu)下穿過程中的多次注漿,本次試驗(yàn)采用袖閥管注漿對(duì)路基進(jìn)行預(yù)加固處理,同時(shí)滿足了盾構(gòu)穿越后對(duì)路基跟蹤注漿的要求。
圖1 路基預(yù)加固縱斷面示意
結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)條件,布置兩排共7個(gè)鉆孔注漿位置,編號(hào)為S1-1—S1-3,S2-1—S2-4,如圖2所示。
圖2 路基加固試驗(yàn)鉆孔與監(jiān)測點(diǎn)位平面布置示意
采用潛孔鉆跟管方式進(jìn)行鉆孔,孔徑127 mm,空壓機(jī)工作壓力為0.7~0.9 MPa。袖閥管為外徑76 mm,壁厚6 mm的鋼管。每節(jié)袖閥管長2 m,袖閥管采用承插焊接方式進(jìn)行連接。最前端焊接成錐形并封閉,距前端0.5 m處預(yù)留3個(gè)直徑8 mm溢漿孔,其余每間隔0.5 m預(yù)留3個(gè)直徑8 mm溢漿孔。
雙頭止?jié){塞注漿器長2 m(注漿連接管長35 cm,前端注漿塞長67 cm,注漿通道50 cm,后端注漿塞長48 cm),注漿塞直徑55 mm,注漿器工作壓力控制在0.4~0.6 MPa。
套殼料水、水泥、膨潤土質(zhì)量比為1.6∶1∶0.5,采用P·O 42.5R水泥。采用P·O 42.5R水泥拌制水泥漿,水泥漿水灰比0.6∶1~0.8∶1,先用0.5 MPa壓力注漿,然后采用1.0 MPa壓力注漿,最后采用1.5 MPa壓力注漿。當(dāng)注漿壓力達(dá)1.5 MPa且穩(wěn)定10 min以上或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的2倍時(shí)停止注漿。
現(xiàn)場試驗(yàn)段路面監(jiān)測點(diǎn)共四個(gè),間距3 m,測點(diǎn)位置參見圖2。
現(xiàn)場試驗(yàn)段路基分層監(jiān)測布置四個(gè)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)F1、F2、F3分別布置在路基面下15、10、5 m,監(jiān)測點(diǎn)F4布置在路基面(參見圖2),路基分層監(jiān)測測點(diǎn)間距1 m。
現(xiàn)場試驗(yàn)段路基面沉降監(jiān)測布置G1、G2、G3、G4四個(gè)測點(diǎn)(參見圖2),路基面沉降監(jiān)測點(diǎn)間距3 m。與路基分層沉降監(jiān)測點(diǎn)F4間隔3 m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)G3;與監(jiān)測點(diǎn)G3間隔3 m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)G4;與路基分層沉降監(jiān)測點(diǎn)F1間隔3 m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)G2;監(jiān)測點(diǎn)G2間隔3 m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)G1。
路基預(yù)加固施工工藝流程如圖3所示。
圖3 路基預(yù)加固施工工藝流程
鉆孔采用CSJ-40型鉆機(jī),鉆機(jī)及腳手架總質(zhì)量約0.8 t,作業(yè)架最大高度為3.0 m,鉆孔孔徑為127 mm??諌簷C(jī)工作壓力為0.7~0.9 MPa。先用三角鉆頭(孔徑110 cm)鉆進(jìn)至砂層,拔出鉆桿,將三角鉆頭更換為低壓偏心鉆頭(孔徑127 cm),跟管跟進(jìn)鉆孔,最終成孔。沿豎直方向鉆進(jìn),孔位偏差≤3 cm。經(jīng)過試驗(yàn),采用三角鉆與低壓偏心鉆相結(jié)合的施工工藝能縮短鉆孔時(shí)間,解決了鐵路天窗點(diǎn)袖閥管注漿施工時(shí)間緊張的問題。
袖閥管安裝完畢后應(yīng)立即向跟管內(nèi)注入套殼料,然后通過液壓千斤頂拔出跟管,再多次注入套殼料。
注漿施工分為帷幕注漿施工與加固注漿施工兩個(gè)階段。首先對(duì)最外側(cè)注漿孔進(jìn)行帷幕注漿,在整個(gè)注漿加固區(qū)域外圍形成一道帷幕屏障,再對(duì)帷幕內(nèi)側(cè)區(qū)域進(jìn)行加固注漿。
3.3.1 配合比參數(shù)
1)帷幕注漿采用水玻璃+水泥漿雙組分漿液,雙液漿凝結(jié)時(shí)間30~50 min,水玻璃摻量宜為5%,水玻璃摻量根據(jù)凝結(jié)時(shí)間及現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,水泥漿液采用P·O 42.5R水泥。
2)加固注漿采用單組分水泥漿液,P·O 42.5R水泥。
3)拌和水應(yīng)符合混凝土拌和用水要求。
4)漿液水灰比為0.6∶1。
3.3.2 注漿參數(shù)
1)漿液制備:水泥須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),拌和水應(yīng)符合混凝土拌和用水要求。水泥漿的攪拌時(shí)間,普通攪拌機(jī)不得少于3 min,高速攪拌機(jī)不得少于30 s。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合混凝土拌制標(biāo)準(zhǔn)。
2)注漿壓力:先用0.5 MPa壓力注漿,然后采用1.0 MPa壓力注漿,最后維持1.5 MPa壓力注漿直至注漿結(jié)束。
3.3.3 注漿終止條件
為保證施工作業(yè)的正常進(jìn)行,注漿過程中必須注意注漿終止條件和注漿次序。發(fā)生如下情況之一,須立即停止注漿。
1)注漿壓力達(dá)1.5 MPa穩(wěn)定10 min。
2)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量2倍。
3)地面發(fā)生隆起或監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。
4)發(fā)現(xiàn)路基邊坡滲漿或地表滲漿。
2021年3月28日至8月2日期間(共127 d)咸陽西貨場專用線不同監(jiān)測點(diǎn)的沉降見表1??芍孩僭诒O(jiān)測期間累計(jì)沉降為2.85~1.91 mm,沉降速率為0.022 4~0.015 0 mm/d。②累計(jì)沉降較明顯區(qū)域?yàn)榉謱訙y點(diǎn)F3、F4,累計(jì)沉降依次為2.85、2.74 mm。③監(jiān)測期間內(nèi),最大沉降較明顯區(qū)域?yàn)闇y點(diǎn)F3、F4、G1、G2,沉降依次為3.75、3.35、3.37、3.36 mm。④對(duì)于不同深度的測點(diǎn),測點(diǎn)F3的沉降最為明顯,說明鉆孔注漿對(duì)土體擾動(dòng)后,深度5 m附近的土層出現(xiàn)了最為明顯的沉降。⑤測點(diǎn)G2沉降>測點(diǎn)G3沉降=測點(diǎn)G1沉降>測點(diǎn)G4沉降,說明鉆孔注漿造成了路基出現(xiàn)沉降,遠(yuǎn)離鉆孔注漿的位置擾動(dòng)逐漸降低。⑥最大沉降點(diǎn)的平均沉降量為2.16 mm,隨著距離的增加沉降不斷減小,最大有效影響范圍為6 m。
表1 2021年3月28日至8月2日不同監(jiān)測點(diǎn)的沉降
通過現(xiàn)場試驗(yàn),提出了一整套適用于鐵路路基預(yù)加固施工的袖閥管施工工藝及控制措施。鉆孔注漿范圍內(nèi)發(fā)生了沉降,但變形值不大于控制值(5 mm),沉降變形可控??蔀楹笃谖靼驳罔F一號(hào)線隧道工程盾構(gòu)下穿徐蘭高速鐵路路基段提供施工參數(shù)。