砂卵石復合地層盾構(gòu)下穿大直徑供水管線施工技術

石 超

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司 山東青島 266000)

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市軌道交通迅速發(fā)展，盾構(gòu)機下穿管線和建筑物的幾率越來越高，同時面臨管線遷改難度大、周期長、費用高等問題，建設過程遇到的地質(zhì)條件也越來越復雜，在特殊地層中如何安全平穩(wěn)地完成下穿施工尤為重要。

針對砂卵石復合地層施工和下穿管線、建筑物盾構(gòu)施工等問題，已有多人進行了研究和總結(jié)。例如王明年等[1]以成都地鐵1、2號線部分區(qū)間為例，通過建立模型研究卵石土盾構(gòu)隧道開挖面變形及破壞問題的影響因素；馮歡歡等[2]基于成都地鐵4號線一期工程4標卵石地層盾構(gòu)施工情況，著重對于小半徑曲線段掘進、滯后沉降控制等進行分析，并提出應對措施；喬鳳龍[3]以南京地鐵1號線南延線為依托，介紹了盾構(gòu)機通過軟弱地層時對地面建(構(gòu))筑物的沉降控制措施；徐朝輝[4]、周雷[5]、吳向州[6]分別以長沙地鐵1號線、北京地鐵10號線、廣州地鐵為例，介紹盾構(gòu)機穿越建筑物的施工措施；章龍管[7]、康洪信[8]等人分別以成都1號線、南寧地鐵1號線為例總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂卵石層、砂層施工、沉降控制關鍵技術；段浩等[9]介紹盾構(gòu)機穿越砂卵石地層建筑物施工技術；李永剛[10]結(jié)合南寧地鐵1號線介紹富水圓礫地層盾構(gòu)下穿建筑物預注漿加固技術；陳德國[11]介紹成都地鐵5號線盾構(gòu)近距離下穿河底大直徑承壓管道臨遷、置換、注漿施工等關鍵技術；袁東鋒等[12]以廣州地鐵14號線為背景，對富水砂層盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物水平定向鉆孔注漿技術進行了研究，證明該工藝對控制建筑物不均勻沉降效果明顯；裴洪濤[13]結(jié)合西安地鐵2號線南延段提出了采用膨潤土土體改良通過全斷面富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術；楊永強[14]結(jié)合西安地鐵2號線實際，探討總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)全斷面砂層碴土改良和沉降控制等施工關鍵技術；任光輝等[15]通過建立有限元模型，對隧道下穿給水管道貝雷梁懸吊結(jié)構(gòu)保護方法進行了研究。

研究成果表明:基本采用的都是解決地面可觀測的沉降和土壓平衡機土壓模式掘進出現(xiàn)的問題。廣州地鐵18號線地質(zhì)復雜，盾構(gòu)機在砂卵石復合地層推進過程中易結(jié)泥餅、推力和扭矩迅速增加，無法推進。受地形和地質(zhì)限制，管線也無法進行懸吊施工。針對廣州地鐵的特殊地質(zhì)和工程實際情況，提出了輔助氣壓模式推進，同時通過暴露管節(jié)便于觀測沉降、改造機械、使用新材料等手段順利下穿管線。為盾構(gòu)機在特殊地層下穿管線提供了新的思路和方法，以此為類似工程施工提供參考和借鑒。

2 工程背景

2.1 工程簡介

廣州地鐵18號線HP3中間風井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間，全長約為2 912.2 m，HP3中間風井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間2臺φ8.8 m盾構(gòu)機下穿南沙區(qū)黃閣水廠2條φ1.6 m原水供水管線(與盾構(gòu)區(qū)間軸線夾角12°)，左線在ZDK26＋694.23～ZDK26＋755.64(697環(huán)～736環(huán))位置下穿，右線在YDK26＋760.69～YDK26＋810.03.54(738環(huán)～769環(huán))位置下穿，下穿水管隧道埋深約16.2～17.4 m，管線和區(qū)間平面圖見圖1。

圖1 管線和區(qū)間平面圖

黃閣水廠的原水管道建于2007年，設計輸送量44萬m3/d。管道材質(zhì)9采用PCCP管(鋼筒預應力砼管、6 m/節(jié))，雙膠圈承插接口，接口外側(cè)現(xiàn)澆抗?jié)B砂漿保護層，中心間距3.35 m，水壓約0.25 MPa。由于修建年代長，地層沉降極易引起管節(jié)漏水。管道底部埋深4～5 m，底部全線采用直徑600 mm攪拌樁進行過地基處理(該段管底以下樁長9 m，橫向單排6根，凈間距0.6 m，排間凈距0.9 m)，管線和區(qū)間總斷面圖見圖2。

圖2 管線和區(qū)間斷面圖

2.2 工程地質(zhì)

隧道洞身綜合圍巖分級為Ⅴ～Ⅵ，盾構(gòu)穿越地層上斷面為砂卵石，粒徑以30～50 mm為主，厚度大約3.5 m，中斷面為粉質(zhì)黏土，厚度約1.7 m，下斷面為泥質(zhì)粉砂巖，厚度約3.6 m，強度30～40 MPa。砂卵石地層屬于松散土體，自穩(wěn)性較差，盾構(gòu)穿越過程會對地層產(chǎn)生擾動，造成卵石層塌落、坍塌。具體地質(zhì)情況見圖3，本區(qū)域地下水位以上土體腐蝕性指標，pH指標5.4為酸性。

圖3 地質(zhì)斷面圖

3 盾構(gòu)機下穿水管施工工藝

對盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的混凝土管采用開挖監(jiān)測注漿加固措施，將混凝土管線上方的土體進行開挖，開挖深度為管線頂部暴露出來為止，開挖完成后在管節(jié)上布置監(jiān)控量測點，監(jiān)控管節(jié)的沉降情況，及時進行注漿保護。

盾構(gòu)掘進采用氣壓輔助模式推進，加大水的注入量，改善土體和易性，將同步注漿液更換為厚漿，二次注漿量加大，掘進過程中，盾體上方開孔并注厚漿，填塞盾體與土體之間的空隙，盾構(gòu)機脫離管道10環(huán)后，及時對管道下方的土體進行地面注漿加固，該段注漿完成監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行回填，最后進行地面恢復。

3.1 鋼板樁施工

鋼板樁采用H型鋼。開挖長度為79 m，開挖寬度為11.2 m?？拷缆愤吰乱粋?cè)采用鋼板隔離樁防護，隔離樁距離水管邊緣1 m，防護長度為101.2 m，另一側(cè)采用放坡開挖，放坡坡腳距離水管邊緣1 m，放坡坡度為1∶1。沿南沙大道邊坡位置，施作鋼板樁進行開挖支護，在施工中盡量一次打到位置，不能往復地震動或抽拔樁體。

3.2 管節(jié)上方土體開挖

在開挖前，做好開挖區(qū)域坡頂、地面截排水工作。開挖至暴露管節(jié)位置，管頂下20 cm，開挖基坑平面尺寸2 m×5 m。

開挖過程中，有鋼板樁支護區(qū)域可以采用垂直開挖，保證結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性。其余三面直接開挖區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)情況放坡1∶1，保持開挖面的穩(wěn)定。

該段水管頂部距離地面深度為2.6～2.8 m，距水管頂部50 cm范圍的土體采用人工開挖清理，其余部分采用機械開挖。開挖采用由一端向另一端開挖(由小里程向大里程進行開挖)，開挖防護見圖4。挖掘機位于未破除的混凝土路面上，避免機械對水管造成擠壓，路面隨開挖隨破除，機械位于兩側(cè)田地時，機械下方鋪墊鋼板，并且盡量減少機械的來回移動。

圖4 開挖防護橫斷面圖

3.3 布置監(jiān)控量測點

管子上方的土體開挖完成后，直接在每個供水管上布置監(jiān)控量測點，每節(jié)水管布置2個點，兩端各1個，兩個管子土體中間布置1個點，并取得初始值。邊坡設置監(jiān)測點、鋼板樁測斜監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)情況，信息化施工。監(jiān)控點布置見圖5。

圖5 監(jiān)控量測點布置

3.4 過水管盾構(gòu)掘進關鍵施工技術

3.4.1 砂卵石復合地層盾構(gòu)掘進高扭矩的問題

由于盾構(gòu)穿越地層，上斷面為卵石，粒徑以30～50 mm為主，厚度大約3.5 m，中斷面為粉質(zhì)黏土，厚度約1.7 m，下斷面為泥質(zhì)粉砂巖，厚度約3.6 m，無側(cè)限抗壓強度為30～40 MPa。在同地質(zhì)實驗掘進時，全土壓推進，推進速度慢，刀盤推力和扭矩急劇增大，推進經(jīng)常出現(xiàn)跳閘斷電、超挖量大、刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，對刀具的磨損也很大。鐵建重工目前φ8.8 m盾構(gòu)機轉(zhuǎn)速一般在1.5 r/min，扭矩達到17 000 kN·m時，盾構(gòu)機推進系統(tǒng)會自動跳閘斷電。

解決措施:

(1)盾構(gòu)機推進采用2/3倉位氣壓輔助模式推進，在推進中加大泡沫管氣體的比例往土倉內(nèi)加壓以達到一個平衡的氣壓狀態(tài)，上部壓力增加0.02 MPa。

圖6 注水點位置

(2)對注水系統(tǒng)進行改造，在刀盤腰部往上部位，增加一臺泵膨潤土泵(BW250)從2個孔位(見圖6)向土倉內(nèi)打水，改善渣土的和易性。

(3)采用優(yōu)質(zhì)的泡沫劑和膨潤土，由于膨潤土用量加大，在膨潤土罐上增加一臺CMC制備機快速使膨潤土達到可使用狀態(tài)，每環(huán)推進前，一定將膨潤土和泡沫劑打滿。

(4)刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5 r/min，貫入度控制在35 mm/r以內(nèi)，推力為46 000 kN，扭矩為12 000～14 000 kN·m。

3.4.2 砂卵石復合地層氣壓掘進地面易沉降問題

盾構(gòu)掘進斷面上半斷面為砂卵石層，采用氣壓輔助模式推進會造成超挖，地面容易產(chǎn)生較大沉降，嚴重時還會使掌子面特別是拱頂發(fā)生坍塌。經(jīng)分析原因，主要是以下3個方面引起的沉降，即:刀盤掘進引起的沉降、盾體間隙引起的沉降、脫離盾體引起的沉降。

解決措施:

(1)推進速度不小于40 mm/min。

(2)通過油缸行程、土斗量測及龍門吊稱重等嚴格控制出土量。掘進每環(huán)出土量:

每環(huán)出土量重量:

電瓶車渣斗容量為25 m3，實際每斗容量為24 m3，即推進油缸推進13.5～15 mm時出土0.5斗，推進27～30 mm時出土1斗，空斗重量為14.2 t，裝滿土后66 t左右，盾構(gòu)機可以根據(jù)出土量判斷盾構(gòu)機頭盤附近是否發(fā)生坍塌，以便及時采取措施。

(3)由于刀盤直徑比盾體大4 cm，造成盾體與周圍土體之間產(chǎn)生2 cm的空隙，為填補盾體與土體之間的空隙，掘進過程中，盾體徑向開孔(頂部2個)并向盾體周圍土體注入厚漿，注漿量為1.5～2 m3，厚漿的拓展度為260 mm，厚漿配合比見表1。

表1 厚漿配合比 kg

(4)盾構(gòu)掘進過程中，及時跟進同步注漿，適當增大同步注漿量，注漿系數(shù)值取1.8～2.0，注漿壓力控制在0.25～0.3 MPa；注漿量由13 m3增大到15～17 m3。同步注漿使用厚漿，配比和盾體使用厚漿一致。同一環(huán)同步注漿點位不得少于2個，且必須左右都開孔注漿，注漿孔位在3、9點以上。

(5)管片脫出盾尾5環(huán)后立即進行二次注漿，漿液為水泥、水玻璃雙液漿、注漿壓力0.4～0.6 MPa；同時根據(jù)地層水量及時施作止水環(huán)(注漿點6個點)?？s短漿液的凝固時間，將漿液的凝膠時間調(diào)整至0.45 min；二次注漿不小于3 m3。二次注漿需形成環(huán)箍(注漿點6個點)，必須對每環(huán)注漿效果進行檢查，未達到要求需再次注漿，多層次、多梯度注漿控制地層沉降。

3.4.3 掘進中管節(jié)沉降注漿及后期加固注漿問題

該混凝土管接頭最大下沉量為傾斜5°，一節(jié)管子6 m，最大相對下沉值為tg5°×6＝5.2 cm，考慮到該水管已經(jīng)埋設10年，根據(jù)目前暴露的水管接頭量測水管的相對誤差實際數(shù)值(管節(jié)不平順，最大高程差2 cm)，根據(jù)專家意見，為安全考慮，取(＋5 mm，-20 mm)作為監(jiān)控預警值，具體見表2。

表2 監(jiān)測控制指標

在盾構(gòu)切口到達前1倍洞徑時和盾尾通過后3 d監(jiān)測頻率為1次/2 h；盾尾通過3 d后(約20～50 m內(nèi))，監(jiān)測頻率為4次/d；盾尾通過超過50 m后監(jiān)測1個月，監(jiān)測頻率為2次/d，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止對管線的監(jiān)測。

解決措施:

(1)淺層注漿:當相鄰管子下降差值接近2 cm或每次變化速率大于2 mm時，立即采用WSS鉆注一體機進行淺層注漿加固填充，注漿鉆孔位置在管節(jié)位置，注漿孔的深度在管頂下方3 m范圍。注漿采用1∶1的水泥、水玻璃雙液漿。以沉降量作為控制指標，當管節(jié)上升到預警值內(nèi)時停止注漿。淺層注漿目的是在盡可能短的時間內(nèi)，在管節(jié)下方形成支撐，延緩土體繼續(xù)下沉，同時隨著快速凝固的漿液體積的加大，將沉降部位頂起，恢復到原來狀態(tài)，是暫時性保護措施。

(2)深層注漿:當盾構(gòu)機通過該段10環(huán)后，對該段地層進行深層注漿加固，注漿采用WSS鉆注一體機進行注漿加固，注漿深度為水管底下9 m，注漿采用1∶1的水泥、水玻璃雙液漿，注漿量由監(jiān)測數(shù)據(jù)進行控制，注漿對管抬升不得超過5 mm。深層注漿目的主要是填充盾構(gòu)機掘進引起的卵石層超挖，形成的空洞或地層下沉。深層注漿加固是永久性加固措施，深層注漿的注漿效果可采用地質(zhì)鉆機探孔取芯來進行檢測。淺層、深層注漿見圖7。

圖7 淺層、深層注漿示意

3.5 回填恢復地表

監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將監(jiān)測點引至地面，具體見圖8，對水管上方進行土體回填，管道頂部50 cm以內(nèi)，采用人工回填，回填優(yōu)質(zhì)黏土或砂土，分層回填碾壓，保證壓實密度達95%?；靥钔瓿珊螅M行地面硬化，恢復交通。

圖8 監(jiān)控量測上引施工

4 砂卵石復合地層盾構(gòu)機穿越水管效果及施工要點

廣州地鐵18號線HP3中間風井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間左線經(jīng)過7 d時間通過管線，右線耗時5 d通過管線。地面最大沉降量為1.8 cm，最終沉降量穩(wěn)定在1 cm以內(nèi)，施工速度快，施工安全可控。

(1)由于盾構(gòu)機上方土質(zhì)較差，管頂土方開挖采用只挖管節(jié)部位，避免長距離開挖，產(chǎn)生土體位移，對一側(cè)的道路造成影響。

(2)嚴格控制出土量，保證不多出土，是控制沉降的關鍵。采用油缸行程、土斗量測及龍門吊稱重等三控體系，準確地計算出土量。如發(fā)現(xiàn)出土超出設計方量10 m3以上，應立即停機，土倉內(nèi)注滿膨潤土，刀盤上方進行地面淺層注漿，然后掘進，通過后進行深層注漿。

(3)多加水和膨潤土，并增加泡沫用量，使用高質(zhì)量泡沫，改善土倉土的和易性，防止刀盤結(jié)泥餅，降低推力和扭矩，加快推進速度。

(4)控制地表沉降主要是控制刀盤推進、盾體間隙、盾尾脫離這3個方面引起的沉降。

(5)時時監(jiān)測，快速掌握數(shù)據(jù)，采用快速的注漿方法注漿填補沉降引起的空洞是保證管節(jié)穩(wěn)定的有效措施。

5 結(jié)論與建議

通過施工過程中的盾構(gòu)機參數(shù)和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)論與建議如下:

(1)由于水管下方施工了攪拌樁加固，盾構(gòu)掘進引起的沉降為滯后沉降，利用鉆注一體機根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行注漿即可滿足要求，因采用氣壓輔助模式掘進，不建議在地表提前打設袖閥管的方式，因為提前設置的袖閥管，會造成氣壓泄露。

(2)厚漿填補縫隙，能夠保證上方土體的穩(wěn)定，但由于厚漿不凝固，長距離使用時，容易造成管片上浮，并產(chǎn)生錯臺、漏水等現(xiàn)象。需要及時進行二次注漿補強。

(3)對于類似地層穿越建筑物和水管，提前對刀具進行開倉檢查，保證刀盤處于良好狀態(tài)。

(4)注厚漿的注漿管在注漿即將結(jié)束時，最后注一些膨潤土，防止厚漿的砂粒在注漿后聚集，堵塞注漿管。

(5)建議長距離穿越管線或敏感地層的施工，選用盾構(gòu)機時，將刀盤和盾體定為同一尺寸。

(6)采用一種新型材料或者對厚漿進行改良，使之在一段時間內(nèi)具有一定的強度，是下一步需要深入研究的內(nèi)容。