富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營隧道施工技術(shù)

任躍勤，石 軍

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川 溫江 611130)

0 引言

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，新建地鐵線路穿越既有運(yùn)營線路越來越多，對(duì)于下穿既有隧道的工程，主要施工方法有淺埋暗挖和盾構(gòu)法兩種，而在富水砂卵石地層，采用盾構(gòu)法下穿既有線相對(duì)暗挖工程速度快，時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)小[1]。對(duì)于盾構(gòu)下穿隧道的工程，甘曉露等[2]、張毫毫等[3]、宋建學(xué)等[4]分別通過工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模型、模型試驗(yàn)驗(yàn)證了新建盾構(gòu)隧道下穿會(huì)對(duì)上部既有隧道周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而使土體產(chǎn)生自由位移，使既有管線縱向產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重威脅既有管線的正常使用安全[5]。為保證既有結(jié)構(gòu)安全，避免既有結(jié)構(gòu)因沉降過大產(chǎn)生危險(xiǎn)，在近接施工過程中，要采取措施控制既有結(jié)構(gòu)的沉降[6]。常用的輔助加固措施主要有3個(gè)方面：通過超前加固減小地層變形、通過大管幕或者大管棚阻隔地層變形向既有隧道傳遞、通過注漿抬升或千斤頂頂升補(bǔ)償變形[7]。賈培文等[8]通過現(xiàn)場施工監(jiān)測驗(yàn)證了在砂卵石地層中，普通的加固方法不適用，控制變形不能單純依靠管棚加固，還要進(jìn)行洞內(nèi)外注漿。曹瑞瑯等[9]通過數(shù)值模擬證明了超前管棚和深孔注漿復(fù)合預(yù)支護(hù)可充分利用深孔注漿的拱效應(yīng)，起到良好的加固效果。劉新軍等[10]、方華昌等[11]通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了管棚+袖閥管地層注漿的加固效果較好。在砂卵石地層中，時(shí)亞昕[12]通過試驗(yàn)研究，論證了采用潛孔錘跟管鉆進(jìn)施工工藝進(jìn)行長管棚打設(shè)，對(duì)于成都砂卵石地層的適用性。

在盾構(gòu)下穿過程中，新建隧道直徑和管隧凈距對(duì)既有管線和地表變形影響較大[13]，而19號(hào)線作為大直徑盾構(gòu)工程下穿3號(hào)線，兩隧道凈距小，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，本文對(duì)19號(hào)線盾構(gòu)下穿既有3號(hào)線加固技術(shù)進(jìn)行了深入研究，采用超前管棚結(jié)合地面預(yù)注漿加固方案以確保穿越過程既有線路的安全。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

成都軌道交通19號(hào)線二期工程雙流機(jī)場站—龍橋路區(qū)間，4臺(tái)盾構(gòu)從龍雙中間風(fēng)井向大里程始發(fā)，小里程從龍橋路站吊出。在里程Y(Z)DK76+183—Y(Z)DK76+207處左右線下穿既有地鐵3號(hào)線，穿出3號(hào)線離龍橋路接收井吊出洞門僅16m，19號(hào)隧洞采用外徑8.3m、內(nèi)徑7.5m的盾構(gòu)管片，頂部埋深為23.617m。既有地鐵3號(hào)線采用外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m的盾構(gòu)管片，底部埋深為18.936m，19號(hào)線與3號(hào)之間的距離為4.681m。區(qū)間隧洞與既有3號(hào)線位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧洞與既有3號(hào)線位置關(guān)系

1.2 工程與水文地質(zhì)條件

成都軌道交通19號(hào)線隧道穿越地鐵3號(hào)線區(qū)段地層從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、砂層、砂卵石層，其中新建軌道交通19號(hào)線盾構(gòu)隧道主要穿越為⑤8-3砂卵石地層，隧頂距離3號(hào)線隧道底最小豎向凈距約4.71m，同時(shí)盾構(gòu)距離龍橋路端頭為14m。

根據(jù)水文地質(zhì)資料、場地土層及地下水賦存條件，區(qū)間段地下水主要有賦存于填土里的上層滯水、第四系孔隙水和基巖裂隙水。根據(jù)勘察期間長期水位觀測孔資料，區(qū)段內(nèi)地下水穩(wěn)定水位埋深約2.000～15.000m，勘察期間區(qū)間范圍地下水位埋深約1.5～20m，局部受人工降水影響，最深達(dá)25m，水位變化幅度較大，含水層有效厚度約為20～40m。

1.3 下穿施工難點(diǎn)分析

1)19號(hào)線二期工程盾構(gòu)隧道與3號(hào)線隧道最小垂直距離4.71m，且穿越地層為砂卵石地層，盾構(gòu)隧道施工過程中易造成3號(hào)線隧道沉降或隆起。

2)成都地鐵3號(hào)線、10號(hào)線為成都地鐵網(wǎng)中的骨干線路，地鐵的安全運(yùn)行事關(guān)重大，社會(huì)影響大。

2 既有運(yùn)營隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合GJJT202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，確定穿越期間的控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

1)隧道水平、豎向位移及徑向收斂控制值10mm。

2)道床水平、豎向位移控制值10mm。

3)隧洞變形縫差異沉降2mm。

4)軌道橫向、縱向差異沉降控制值4mm。

5)地表沉降控制值20mm。

3 地層超前加固措施

為了減小對(duì)既有3號(hào)線運(yùn)營線路的影響，保障既有隧道安全運(yùn)營和新建地鐵隧道安全穿越，在19號(hào)線下穿3號(hào)線施工過程中采取“隧頂雙排大管棚+地面注漿加固措施”，管棚加固為下穿3號(hào)線的主要加固方式，因此首先進(jìn)行大管棚的打設(shè)及注漿工序，確保管棚施工精度不受其他加固方式影響，然后進(jìn)行隧道影響范圍內(nèi)的地面注漿加固。

3.1 超前大管棚加固

管棚法是利用鉆設(shè)的水平孔，以一定的角度向擬開挖的隧道前方打入鋼管或鋼插板構(gòu)成棚架，當(dāng)需要增加管棚強(qiáng)度時(shí)，可在安裝好的鋼管內(nèi)注入水泥漿液，使隧道頂部形成加固的傘形保護(hù)拱，然后進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工。管棚加固技術(shù)在砂卵石地層與一般地層中，不僅具有梁拱效應(yīng)、加固效應(yīng)，還有一獨(dú)特效應(yīng)——空洞限制效應(yīng)[14]。

1)梁拱效應(yīng) 利用鋼管縱向成梁、橫向成拱，形成剛度較大的梁式結(jié)構(gòu)，承擔(dān)上部圍巖壓力。

2)加固效應(yīng) 利用注漿孔注入漿液，加固鋼管附近土體，并將鋼管形成整體，改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

3)空洞限制效應(yīng) 隔絕了部分管棚上方土體向下位移，將地層空洞限制在管棚保護(hù)范圍內(nèi)。

為有效控制盾構(gòu)下穿3號(hào)線隧道時(shí)引起的既有線隧道沉降，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上方與3號(hào)線隧道下方之間的土體采用管棚加固(見圖2)。管棚采用φ159mm×8mm無縫鋼管，間距30cm，沿隧道外60cm環(huán)向120°范圍布設(shè)2排，每排67根，共134根，仰角為1.5°，單根管棚長38.5m，管棚分節(jié)為1.5m或2m，兩節(jié)之間采用絲口連接。注漿鋼管上鉆注漿孔，孔徑10mm，間距200mm，呈梅花形布置。鋼管尾部(孔口段)3～6m范圍不鉆孔，作為止?jié){段。

圖2 管棚加固剖面

長管棚施工有以下輔助控制措施。

1)鉆孔工藝 由于施工所處位置為砂卵石地層，采用普通潛孔鉆機(jī)管棚施工在鉆進(jìn)過程中容易坍孔，且打穿卵石會(huì)造成卡鉆，故使用帶沖擊錘頭的潛孔鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)，采用改進(jìn)的哈邁90A型液壓潛孔錘鉆機(jī)。為防止卡鉆后鉆頭侵入開挖范圍內(nèi)，采用小壓力慢轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)參數(shù)，控制進(jìn)尺速度。鉆具端頭安裝扶正器，采用非旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，防止鉆進(jìn)過程中管棚偏斜過大，鉆進(jìn)過程中間隔測量鉆進(jìn)偏斜，并采用糾偏鉆頭進(jìn)行糾偏。通過測量方向后視點(diǎn)，在鉆進(jìn)過程中多次復(fù)核方向和角度。因管棚分布為弧形，作業(yè)平臺(tái)分3次進(jìn)行施工，第1次施工頂部27根管棚，第2次施工中部左右各12根管棚，第3次施工底部左右各8根管棚，如圖3所示。

圖3 管棚3次施工范圍

2)注漿工藝

管棚鋼管安裝后進(jìn)行注漿，并穩(wěn)定10min。注漿采用3SNS注漿泵，管棚注漿按照“由低至高、由兩端向中間、分批注入”的原則進(jìn)行，由最低處管棚向高處管棚注漿，開始時(shí)注漿的漿液濃度要低一些，逐漸加濃至設(shè)計(jì)濃度，有利于注漿漿液向拱頂方向擴(kuò)散，提高漿液致密程度。底下一層管棚在搭設(shè)完成后即刻注漿，上層管棚根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行注漿，補(bǔ)償?shù)貙訐p失。射漿管下入孔底，待孔底返漿后進(jìn)行屏漿，然后再進(jìn)行閉漿。注漿壓力為0.5MPa。

注漿施工過程中如發(fā)現(xiàn)掌子面漏漿，應(yīng)及時(shí)用麻布進(jìn)行封堵，同時(shí)在洞口頂面設(shè)置監(jiān)控量測點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地表隆起時(shí)，及時(shí)調(diào)整注漿壓力和注漿量，以避免注漿壓力過大造成大的地面變形。管棚注漿成果如表1所示。

表1 管棚注漿成果

經(jīng)工程實(shí)際檢查，長管棚導(dǎo)向孔位置偏差不超過1cm，方向偏差<1%且鉆孔偏移角度<1.5°。

3.2 地面預(yù)注漿加固

為進(jìn)一步減小盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線時(shí)地層沉降，降低19號(hào)線盾構(gòu)隧道對(duì)周邊地層的影響，擬在地表對(duì)地鐵3號(hào)線周圍進(jìn)行注漿加固，注漿范圍為地鐵3號(hào)線隧道外擴(kuò)2m，注漿深度為至19號(hào)線隧道頂以上1m，如圖4所示。

圖4 地面加固范圍立面(單位：m)

從穿越3號(hào)線前4m至龍橋路出洞口布置了16排地面預(yù)注漿孔，分兩序進(jìn)行施工，鉆孔采用JD180多功能液壓頂驅(qū)錨固鉆機(jī)，跟管鉆進(jìn)工藝；注漿采用3SNS注漿泵，灌漿采用自下而上分段阻塞方式進(jìn)行，灌漿分段通過膜袋和卡塞位置來實(shí)現(xiàn)。

預(yù)設(shè)花管內(nèi)注漿式膜袋分段阻塞灌漿法使用錨固鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)一次成孔，然后下設(shè)花管，起拔套管。在花管內(nèi)，距孔底第1環(huán)膜袋注漿孔上方約20cm處下設(shè)水壓灌漿塞，在0.3MPa的壓力下使灌入的水泥漿膨脹膜袋起到阻塞的作用；當(dāng)膜袋充分膨脹、泌水結(jié)實(shí)后，繼續(xù)升高壓力，此時(shí)密封橡皮套打開，水泥漿經(jīng)花管進(jìn)入孔內(nèi)，繼續(xù)升壓，按每段的設(shè)計(jì)壓力，開始對(duì)地層進(jìn)行灌漿。注漿壓力為0.4～0.8MPa，注漿段長為4，5m。

膜袋花管法是通過預(yù)設(shè)膜袋達(dá)到分段注漿的目的，操作方便高效，注漿效果好。這種方法是首先鉆出注漿孔，在孔內(nèi)下入特制的帶有孔眼的注漿花管，注漿管與孔壁之間用土工布將花管與孔壁之間形成止?jié){包，可達(dá)到分段注漿的目的。

在管棚施工前，先進(jìn)行第1，2排預(yù)注漿鉆孔注漿施工，待形成注漿體后，再進(jìn)行管棚鉆孔注漿施工，將管棚打入前端注漿體內(nèi)，形成穩(wěn)固的整體。注漿成果如表2所示。

表2 地面預(yù)注漿成果

通過注漿后取芯效果檢查，砂卵石通過降水井降水后，通過膜袋注漿后空隙充填較好，且將砂卵石進(jìn)行有效膠結(jié)，結(jié)石無側(cè)向抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)大于1MPa的要求。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

4.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)施工過程中，進(jìn)行系統(tǒng)、全面的監(jiān)控測量，實(shí)行信息化施工。結(jié)合往期實(shí)際工程穿越砂卵石及泥巖地層施工經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)段擬定掘進(jìn)參數(shù)如表3所示。

表3 地面加固范圍立面

4.2 渣土改良

根據(jù)國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，本工程擬采用以添加泡沫為主、膨潤土為輔的外加劑施工工藝，降低刀盤、螺機(jī)的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩，減輕泥巖地層對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的磨損，提高掘進(jìn)速度和設(shè)備的使用壽命，防止渣土在皮帶機(jī)上打滑，提高渣土和卵石的流動(dòng)性。使用膨潤土漿液配合比為：水∶膨潤土=7.5∶1，即1m3水加133kg膨潤土，膨潤土漿液的注入率為15%。

采用海瑞克盾構(gòu)機(jī)，其開口率為40%，雙聯(lián)中心滾刀6把(18寸)，滾刀41把(18寸), 刮刀50把，邊刮刀12把，仿形刀2把，中心刀間距100mm，面刀間距90mm。在刀盤面板設(shè)置了7路泡沫管+1路加水管路(2號(hào)泡沫管改為加水)，土倉內(nèi)牛腿上設(shè)置了2路泡沫管路；在刀盤中心設(shè)置1路專門加水管路，同時(shí)在土倉承壓墻設(shè)置2路加水管。

4.3 出土量控制

出渣量采用體積與質(zhì)量雙重控制，盾構(gòu)掘進(jìn)每環(huán)時(shí)，安排土木工程師對(duì)渣土箱測量出土高度。設(shè)置渣土管理專員，收集洞內(nèi)土木工程師記錄的每環(huán)實(shí)際出土量和渣土稱重記錄。每環(huán)根據(jù)出土量及稱重分析是否超方，同時(shí)對(duì)比前后3環(huán)出土量及稱重核實(shí)是否有突變情況，發(fā)現(xiàn)超方后渣土管理專員立即根據(jù)“信息全報(bào)，分級(jí)處理”的原則通知相關(guān)人員進(jìn)行超方處置。避免盾構(gòu)頻繁停機(jī)導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，具體措施如下。

1)當(dāng)單環(huán)超出理論方量<2%時(shí)，由盾構(gòu)分部副經(jīng)理下達(dá)指令，要求加大中盾注泥量，同時(shí)在后續(xù)掘進(jìn)過程中提高同步注漿量及注漿壓力，通過超方位置區(qū)域時(shí)及時(shí)進(jìn)行管片壁后的二次注漿。地面搶險(xiǎn)小組加強(qiáng)對(duì)地面的巡視及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋。

2)當(dāng)單環(huán)超出理論方量的2%～4%時(shí)，由盾構(gòu)分部經(jīng)理下達(dá)指令要求加大中盾注泥量，同時(shí)在后續(xù)掘進(jìn)過程中加大同步注漿量，通過超方位置區(qū)域時(shí)及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿；超方處置期間地面搶險(xiǎn)小組加強(qiáng)對(duì)地面巡視及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)異常時(shí)立即啟動(dòng)應(yīng)急打圍，確保地面安全。

3)當(dāng)單環(huán)超出理論方量的4%時(shí)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人要求操作手立即停止掘進(jìn)，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織進(jìn)行超方處置，同時(shí)在10min內(nèi)電話及短信通知總包、監(jiān)理單位、建設(shè)公司主管部門和監(jiān)管部門，由監(jiān)理單位組織相關(guān)各方開會(huì)，分析原因，采取措施后方可掘進(jìn)。洞內(nèi)采取向盾尾及中盾注入膨潤土防止盾體包裹；同時(shí)向土倉內(nèi)注入惰性漿液，注入壓力為0.3～0.35MPa。地面搶險(xiǎn)小組負(fù)責(zé)人立即啟動(dòng)應(yīng)急打圍施工，主動(dòng)尋找空洞，發(fā)現(xiàn)空洞采用C15細(xì)石混凝土進(jìn)行回填，若地質(zhì)松散則進(jìn)行注漿加固，在進(jìn)行混凝土回填或者地面注漿過程中，加強(qiáng)地面與洞內(nèi)的聯(lián)系，避免盾構(gòu)機(jī)在隱患處置過程中被包裹，隱患處置過程中增大監(jiān)測頻率、及時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.4 同步注漿

管片與土層之間形成的間隙及時(shí)采用漿液填充有利于防止和減少地層變形，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同步注漿材料采用水泥砂漿，具有凝結(jié)時(shí)間較短、強(qiáng)度高、耐久性好和抗腐蝕性好等特點(diǎn)，其同步注漿配合比如表4所示。對(duì)漿液配合比進(jìn)行不同的試調(diào)配及性能測定比較，優(yōu)化出滿足不同條件下使用要求的配合比。同時(shí)在試推進(jìn)施工過程中對(duì)漿液配合比根據(jù)地表沉降監(jiān)測情況進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化及調(diào)整。

表4 同步注漿漿液配合比 (kg·m-3)

5 施工監(jiān)控量測

穿越期間通過既有運(yùn)營隧道自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)水平和豎向位移及徑向收斂，道床水平和豎向位移，軌道橫向和縱向差異沉降，站廳、站臺(tái)水平和豎向位移，隧道變形縫差異沉降進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，并對(duì)道床豎向位移進(jìn)行人工復(fù)核，地表沉降通過地表觀測孔進(jìn)行人工測量。監(jiān)測結(jié)果表明，變形均滿足要求，地鐵運(yùn)營安全。

6 結(jié)語

1)在富水砂卵石地層中超近距離穿既有運(yùn)行隧道工程，采用管棚和膜袋注漿法相結(jié)合的施工方案是必要且合理的。

2)砂卵石地層自穩(wěn)性差，盾構(gòu)施工極易出現(xiàn)擾動(dòng)變形，在盾構(gòu)施工前采用可靠的加固措施，增強(qiáng)地層的整體穩(wěn)定性，可較大幅度降低盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

3)采用改進(jìn)的液壓潛孔鉆進(jìn)扶正技術(shù)施工管棚是可行的，同時(shí)可進(jìn)行適度糾偏。