大盾構(gòu)近距離下穿運營地鐵洞內(nèi)定向預(yù)注漿加固及掘進技術(shù)

胡 勇

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

國內(nèi)盾構(gòu)下穿鐵路和地鐵線路等風(fēng)險實例較多，但工況不一，地質(zhì)不同，埋深不同，風(fēng)險程度不同。廣州地鐵22號線番祈中間風(fēng)井～番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間下穿運營地鐵3號線，為盾構(gòu)法施工，下穿豎向凈距離僅有5.5 m，不到一倍洞徑，且下穿典型的上軟下硬地層。下穿存在超挖風(fēng)險，高峰期運營地鐵通行頻次達列/(4～5 min)，嚴重時可能造成3號線隧道塌方等風(fēng)險，出現(xiàn)3號線位移超限，導(dǎo)致列車脫軌、停運。

為進一步提高安全性，在施工前對方案、設(shè)備、應(yīng)急等方面開展研究，采用了水平定向鉆孔注漿和洞內(nèi)定向鉆孔注漿兩個加固措施，分別對22號線左線和右線上方地層進行加固，通過實踐完成下穿。

1 工程概況

1.1 施工環(huán)境和工況

廣州市軌道交通22號線番祈中間風(fēng)井～番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間位于番禺區(qū)市橋東環(huán)路，區(qū)間長2.5 km，區(qū)間采用2臺鐵建重工生產(chǎn)的直徑?8.8 m土壓平衡盾構(gòu)機施工。在光明北路與東環(huán)路十字路口下穿運營地鐵3號線漢溪長隆～市橋站區(qū)間，盾構(gòu)下穿長度20.8 m。22號線隧頂埋深26.5 m，3號線隧頂埋深15.1 m。下穿關(guān)系如圖1所示。

3號線隧道處于砂質(zhì)粘性土5Z-2和全風(fēng)化混合花崗巖6Z地層中，為盾構(gòu)法隧道，管片外徑6 m，

圖1 下穿關(guān)系示意圖

環(huán)寬1.5 m。22號線土壓盾構(gòu)機刀盤開挖直徑8.840 m，管片外徑8.5 m，環(huán)寬1.6 m。

1.2 下穿段地質(zhì)、水文情況

下穿段開挖面上部為全風(fēng)化混合花崗巖6Z和強風(fēng)化混合花崗巖7Z，下部為中風(fēng)化混合花崗巖8Z，且基巖裂隙水豐富，地層自穩(wěn)性差，為典型的上軟下硬地層。

1.2.1 地層特性

該段8Z地層飽和抗壓強度最小值65 MPa、最大值108 MPa，隧道下部較硬，完整性RQD值10%～12%，裂隙比較發(fā)育。

6Z、7Z地層風(fēng)化含砂量較高，含砂量達90%，含泥量10%，6Z地層取芯較散不成型，7Z地層取芯手擰易碎，自穩(wěn)性差。地質(zhì)芯樣實物如圖2所示。

1.2.2 水文情況

地下水主要為裂隙水，水位在地表以下3～5 m，水位距隧頂約23 m，地下水豐富。

2 洞內(nèi)定向鉆孔注漿

左線先下穿，右線后下穿，待左線下穿時，從下

圖2 地質(zhì)芯樣實物

穿段左線洞內(nèi)左上方設(shè)計拼裝鋼管片，鋼管片上預(yù)留孔口，設(shè)計8環(huán)鋼管片，每環(huán)管片布設(shè)2個孔口，孔間距0.8 m，共16孔，見圖3。鋼閥管從預(yù)留孔鉆入，穿過22號線右線拱頂上方，主要針對3號線右線下方與22號線右線拱頂之間的全風(fēng)化地層注漿加固；同時，鋼閥管留在地層中起到超前支護作用，鋼閥管結(jié)合注漿可共同形成支護體系[1]，提高地層的自穩(wěn)能力防止土層坍塌。

圖3 鋼管片排列和預(yù)留孔設(shè)計

通過鋼閥管定向注漿加固后，加固作用明顯：一是增強了地層氣密性，二是提高了裂隙地層抗?jié)B漏性，三是增強了3號線下方地層承載力和臨時穩(wěn)定性。有利于盾構(gòu)機采用氣壓輔助模式掘進，降低刀盤扭矩、防止結(jié)泥餅、有助于快速通過等。

2.1 注漿加固范圍

2.1.1 平面加固范圍

水平注漿范圍與注漿孔布置：以3號線右線和22號線隧道交叉區(qū)域為基礎(chǔ)，3號線右線邊線兩側(cè)外擴約2.0～5.8 m；沿22號線右線邊線兩側(cè)擴展2 m。平面加固范圍為14.0 m×12.5 m，見圖4。

2.1.2 豎向加固范圍

22號線右線掘進方向左側(cè)，鋼閥管末端距離3號線隧底3.48 m，右側(cè)距離3號線隧底約6.01 m，距離22號線盾構(gòu)機開挖直徑往外0.5 m，管水平夾角約11.5°，管總長19.58 m，加固段長度為12.96 m，擴散直徑1.5 m。豎向加固范圍見圖5。

2.2 鋼閥管鉆孔施工

2.2.1 工藝流程

圖4 右線加固平面圖

圖5 左線洞內(nèi)往右線鉆孔預(yù)注漿加固(單位：m)

鋼閥管鉆孔工藝流程見圖6。

圖6 鋼閥管鉆孔工藝流程

2.2.2 鉆孔設(shè)備和注漿設(shè)備

(1)鋼閥管鉆機：采用MX-120型分體式鋼閥管鉆機，洞內(nèi)操作空間有限，該設(shè)備體積小，擺放方便?，F(xiàn)場工作狀況見圖7。

(2)注漿機：采用雙液注漿機(ZBSB148-23/4-15)，見圖8，額定壓力4 MPa，最大排量148 L/min，電機功率15 kW，額定電壓380 V。

(3)空壓機：采用GDV75螺桿式空壓機，容積容量10 m3/min，排氣壓力1.0 MPa。

圖7 鉆孔注漿加固 圖8 雙液注漿泵

(4)測量器具：水準儀、角度尺。

(5)其它機具和材料：施工平臺架、卡鉗、電葫蘆、?108 mm鋼閥管、導(dǎo)向管、鉆頭、管靴、鉆桿、高壓管、制漿桶；超細水泥、水玻璃、磷酸等。

2.3 鋼閥管注漿

2.3.1 注漿工藝

通過鉆孔埋入鋼閥管，采取分段式后退注漿，采用水力止?jié){塞定點注漿，步距為1 m，見圖9、圖10。這樣可以有效地減少地層不均一性對注漿效果的影響，定點定量注漿，有利于對上方3號線隧道結(jié)構(gòu)變形的控制。

圖9 鋼閥管和分段注漿示意圖

圖10 水力止?jié){塞

水力止?jié){塞作用原理：將止?jié){塞插入鋼閥管內(nèi)，通過高壓水壓力作用，使膠筒產(chǎn)生橫向膨脹與鋼管內(nèi)壁擠緊，起到止?jié){作用，操作快捷、適應(yīng)各種方向鉆孔、可靠性高[1]。

2.3.2 漿液類型

(1)采用超細水泥+水玻璃雙液漿，水灰比為1∶1，水玻璃(玻美度40 °be′)，水泥漿∶水玻璃體積比1∶1，漿液凝結(jié)時間 60 s。

(2)采用磷酸+水玻璃漿液迅速凝膠堵水，前進式將水封堵，防止后退拔桿時塌孔。

磷酸+水玻璃漿液止水原理：水玻璃是硅酸鈉，磷酸是弱酸，水玻璃為主劑，磷酸為固化劑，兩種液體反應(yīng)能在數(shù)秒鐘內(nèi)生成固態(tài)膠體，可以填充到富水孔隙中，達到迅速堵水效果。水玻璃與磷酸的反應(yīng)式為： Na2·mSiO2+H3PO4→mSiO2+Na3PO4+H2O。隨磷酸用量增加，凝膠時間縮短；水玻璃模數(shù)升高，凝膠時間縮短；水玻璃濃度增加，凝膠時間延長。

2.3.3 注漿壓力控制

注漿施工作業(yè)中，漿液注入量和壓力是兩個最為關(guān)鍵的控制因素。根據(jù)顯示的孔口壓力變化可以判斷注漿施工的基本發(fā)展?fàn)顩r，并及時采取相應(yīng)措施。

根據(jù)地層滲透性和漿液濃度，注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa，并根據(jù)上方3號線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整注漿壓力。

2.3.4 注漿量和終孔標準

(1)注漿壓力達到設(shè)計的終壓1.0 MPa，并穩(wěn)定20 min。

(2)單孔注漿量達到設(shè)計注漿量的80%以上。注漿量的計算公式如下：Q=AVηβ/m。式中：Q為注漿總量；A為漿液擴散消耗系數(shù)，一般取2.5；V為注漿目標區(qū)域體積；η為土體綜合孔隙率，取25%；β為漿液充填系數(shù)，取0.95；m為漿液結(jié)石率，取0.85。則注漿量Q=189.2 m3。

3 盾構(gòu)下穿掘進控制技術(shù)

3.1 盾構(gòu)機掘進模式和掘進參數(shù)

下穿期間采用氣壓輔助模式掘進[2]，土倉渣位控制在1/2倉，土壓力平穩(wěn)，地層氣密性較好，通過膨潤土漿和泡沫劑對渣土改良，改良效果良好，刀具磨損正常。

下穿期間上部土壓2.6～2.7 bar(1 bar=0.1 MPa)，下部土壓3.0～3.1 bar，上下壓差約0.4 bar，掘進速度20～35 mm/min，總推力28 000～35 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.5～1.8 rpm，刀盤扭矩6 600～7 800 kN·m，參數(shù)正常。每環(huán)出渣量控制在150 m3以內(nèi)，未出現(xiàn)超方。注漿量不低于12 m3/環(huán)，二次注漿及時跟進填充空隙。

3.2 下穿前刀具檢查及設(shè)備維保

因下穿段掘進中風(fēng)化花崗巖8Z地層距離較長，進入3號線前，在附近位置開倉換刀，確保刀具完好性，換刀后連續(xù)下穿通過，并對所有設(shè)備進行全方位檢查和維保。

3.3 膨潤土漿渣土改良和應(yīng)急保壓

在始發(fā)井口中板備置2個30 m3膨潤土膨化池，預(yù)先拌漿膨化，在中板增加輸送泵和專用管道接入盾構(gòu)機內(nèi)，能快捷實時地根據(jù)需要輸送膨潤土漿。膨潤土漿液配合比：水∶膨潤土為6∶1，膨潤土漿液稠度控制到約60 s，并根據(jù)現(xiàn)場試驗?zāi)酀{稠度確定，加入量為出土量的10%～20%。

渣土改良：采用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土漿對渣土進行改良，能有效改良含砂量較大的渣土流動性和潤滑性，防止渣土沉積。

應(yīng)急保壓：為避免氣壓模式下突然失壓超挖，迅速往土倉內(nèi)注滿膨潤土漿保實土壓[1]，同時盾構(gòu)機往前掘進但不排渣，留渣在土倉內(nèi)，快速防止塌方進一步擴大。

3.4 泡沫劑渣土改良

下穿段使用優(yōu)質(zhì)分散型泡沫劑進行渣土改良，泡沫有良好的潤滑作用，提高開挖土的流動性，降低刀盤扭矩, 能有效防止刀盤和土倉結(jié)泥餅。

3.5 二次注漿

在盾構(gòu)機內(nèi)配備2臺二次注漿系統(tǒng)，跟進二次注漿。主要分為兩個階段：第1階段，管片脫出盾尾5環(huán)位置，注漿在管片兩側(cè)和上部點位注入水泥+水玻璃雙液漿，及時補充同步注漿固結(jié)后的空隙，促使?jié){液及早凝固，減少管片脫出盾尾階段的沉降；第2階段，在管片脫出盾尾15環(huán)位置，注漿形成止水環(huán)，封堵盾體后方來水。

3.6 洞內(nèi)自動化監(jiān)測和視頻監(jiān)控

在運營3號線洞內(nèi)布置監(jiān)測點、自動化監(jiān)測儀和視頻監(jiān)控，數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)狡脚_分析，盾構(gòu)操作司機能及時掌握沉降情況。

監(jiān)測斷面布設(shè)(見圖11)：下穿1倍洞徑范圍內(nèi)強烈影響區(qū)域每5 m布設(shè)一個斷面，1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內(nèi)一般影響區(qū)域每10 m布設(shè)一個斷面。每個斷面在道床上布設(shè)2個監(jiān)測點，中上部4個點，共6個監(jiān)測點。

圖11 洞內(nèi)自動化監(jiān)測布點

4 3號線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

區(qū)間22號線右線，自加固后復(fù)推至掘進下穿完成，歷經(jīng)13 d，盾構(gòu)機全部出3號線影響區(qū)，共計44環(huán)。

3號線監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖12)：注漿預(yù)加固過程中，3號線右線道床監(jiān)測點局部隆起值+1.36～+7.93 mm。盾構(gòu)下穿后，3號線右線道床主要影響區(qū)監(jiān)測點變化值+5.71 mm，局部-2.05 mm，累計最大值+11.20 mm和-0.08 mm；軌道高差最大值為1.8 mm。

圖12 3號線右線沉降槽曲線圖

根據(jù)《廣州市城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)標準及規(guī)定》結(jié)構(gòu)安全控制指標值，隧道位移預(yù)警值<10 mm，控制值<15 mm；軌道高差預(yù)警值<2 mm，控制值<4 mm，監(jiān)測值均未超出控制值，未出現(xiàn)險情，安全下穿3號線，結(jié)構(gòu)安全保護良好。

5 結(jié)束語

(1)大斷面土壓平衡盾構(gòu)機下穿運營地鐵或鐵路等特殊風(fēng)險源時，可綜合考慮從線路設(shè)計調(diào)低線路標高，避開在上軟下硬地層中下穿，規(guī)避風(fēng)險。

(2)針對既有運營地鐵注漿加固，采用低壓力控制和滲透性較好的漿液類型，避免注漿壓力過大，造成運營地鐵隆起過大，通過實踐證實，鋼閥管定向定點定量注漿可行。

(3)大斷面土壓平衡盾構(gòu)機，在上軟下硬地層中，采用氣壓輔助模式比實土壓模式掘進，可大大減小倉內(nèi)結(jié)泥餅風(fēng)險，減小刀具異常損壞，掘進功效更高。

(4)氣壓輔助模式掘進，需結(jié)合實際情況配備相關(guān)應(yīng)急措施，比如地層氣密性較差、地層松散不穩(wěn)定時，須能快速填倉轉(zhuǎn)換為實土壓模式等。