盾構(gòu)近距離始發(fā)下穿既有線沉降控制技術(shù)

練才園

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

梁家巷站～前鋒路站區(qū)間出梁家巷站后沿一環(huán)路北四段下方進(jìn)行敷設(shè)，在一環(huán)路北四段東側(cè)進(jìn)入前鋒路站。梁家巷站～前鋒路站區(qū)間里程為YCK30+398.840～YCK31+240.578。隧道頂部埋深10.55m～20.4m，區(qū)間設(shè)置1 個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，中心里程為YCK30+817.000。區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑為800m，最小坡度2‰，最大坡度25‰。成都地鐵6 號(hào)線下穿既有運(yùn)營(yíng)3 號(hào)線：位于梁家巷站～前鋒路站區(qū)間大里程端。

1.2 地鐵6號(hào)線與既有3號(hào)線位置關(guān)系

6號(hào)線梁家巷站～前鋒路站盾構(gòu)區(qū)間于大里程端下穿既有3號(hào)線，里程范圍為YCK31+202.578～YCK31+240.578。既有3 號(hào)線至前鋒路車站主體端墻外側(cè)距離為8m，正穿長(zhǎng)度為20m；下穿出盾構(gòu)隧道埋深20.39m，與3 號(hào)線既有盾構(gòu)隧道豎向凈距約為4.065m。6號(hào)線下穿既有3號(hào)線盾構(gòu)隧道平面圖見圖1。

圖1 6號(hào)線下穿既有3號(hào)線盾構(gòu)隧道平面圖

1.3 既有3號(hào)線概況

成都地鐵3號(hào)線，是成都市一條西南-東北方向的主干線地鐵，于2016年7月31日開通運(yùn)營(yíng)。列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間為5:30～23:30，全日運(yùn)營(yíng)18h，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，進(jìn)出站時(shí)速50km/h，既有地鐵3號(hào)線前鋒路站與新建地鐵6號(hào)線前鋒路站通道換乘。

1.4 水文地質(zhì)情況

6 號(hào)線下穿3 號(hào)線地層均位于飽和、中密卵石層，地質(zhì)條件自穩(wěn)性差。

6號(hào)線下穿3號(hào)線區(qū)間處于岷江水系沖積平原一級(jí)階地，地表水為府河水。地下水主要有三種類型：一是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂、卵石土層的孔隙潛水，三是基巖裂隙水。

中密卵石層<3-9-3>：褐灰色、淺灰色，中密，局部稍密，飽和，圓礫、中砂充填，卵石粒徑2cm～15cm，含漂石，漂石含量小于10%，最大粒徑達(dá)25cm；卵石原巖為石英砂巖、花崗巖。據(jù)顆粒分析實(shí)驗(yàn)：粒徑＞20mm 的顆粒含量為62.1%～66.6%，粒徑為2mm～20mm 的含量為12.8%～16.3%。該層厚1.30m～25.60m，在場(chǎng)內(nèi)普遍分布。

1.5 工程重難點(diǎn)

（1）富水砂卵石地層，地層自穩(wěn)性差，地面沉降較難控制。

（2）地層含水量大，富水含砂量較大時(shí)，容易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

（3）始發(fā)下穿既有3號(hào)線對(duì)既有線、建構(gòu)物、地面沉降控制要求高。

（4）處于一環(huán)路上端頭管線多、埋深大、管徑大、處理難度高（一根DN1200、埋深6.69m 污水管，一根DN1200、埋深5.45m 雨水管，位于隧道正上方）。

（5）卵石粒徑大、含量高，渣土改良不好影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 端頭加固

地面端頭采用Φ42@1000mm 袖閥管注漿加固［1］。平面加固范圍：由主體圍護(hù)樁外側(cè)沿掘進(jìn)方向縱向長(zhǎng)度4m，橫向?qū)挾?6m，即加固平面范圍為4m×16m。豎向垂直加固范圍：由地面至洞身隧道中部整個(gè)豎向高度范圍24m。

2.2 端頭降水

始發(fā)端頭共布置5口降水井（車站端頭4口、3號(hào)線左側(cè)設(shè)置1口），受管線以及地質(zhì)條件影響，降水井?dāng)?shù)量無(wú)法足量打而且降水水位只能降到洞門3、9 點(diǎn)位豎向上方1m 位置（基坑深度為28m）。

2.3 大管棚超前支護(hù)

采用Φ194×10mm+ Φ146×10mm（共72 根）管棚進(jìn)行管棚群超前支護(hù)：在洞門范圍打設(shè)4 層管棚，上部?jī)蓪应?46×10mm管棚打設(shè)長(zhǎng)度為30m，下部?jī)蓪?94×10mm管棚打設(shè)長(zhǎng)度為33m。Φ194管棚豎向偏移均向上偏移，最大施工偏移量為+133cm，水平偏移量最大為+10cm和-19cm；Φ146管棚豎向偏移均向上偏移，最大施工偏移量為+122cm；管棚偏移滿足既有線安全距離及不侵入盾構(gòu)開挖界限。Φ194 管棚注漿量0.8m3～1.3m3（理論填充量0.74m3），Φ146管棚注漿量1.2～1.3方（理論填充量0.37m3）。

2.4 短鋼套筒

2.4.1 鋼套筒定位

鋼套筒定位原則：（1）平面位置：由洞門預(yù)埋鋼套筒向車站大里程延伸2m，按照實(shí)測(cè)洞門偏移量，其鋼套筒中心軸線按照設(shè)計(jì)中心軸線沿掘進(jìn)方向水平偏移；（2）高程位置：鋼套筒中心高程按照設(shè)計(jì)高程及相應(yīng)的坡度并抬高2cm定位。

2.4.2 鋼套筒支撐

基座支撐：基座底部凹槽部分使用2道20工字鋼馬凳支撐；基座底部?jī)蓚?cè)使用鋼板進(jìn)行支墊；基座兩側(cè)使用3 道20 工字鋼支撐于上翻梁和主體側(cè)墻上；鋼套筒支撐：兩側(cè)上、下部分別使用3道20工字鋼支撐于上翻梁、側(cè)墻及中板框邊梁上；底部基座混凝土導(dǎo)臺(tái)筑：鋼套筒底部及基座底部采用C30 混凝土澆筑導(dǎo)臺(tái)，加強(qiáng)基層座支撐及固定。

2.4.3 鋼套筒密封

（1）鋼套筒與預(yù)埋套筒板連接：采用連接板過(guò)渡連接方式，連接板與鋼套筒采取滿焊連接，連接板與預(yù)埋鋼套筒滿焊連接；其連接板與預(yù)埋鋼套筒板、鋼套筒分成內(nèi)、外兩部分焊接，下半圓在鋼套筒內(nèi)側(cè)滿焊連接，上半圓在鋼套筒外側(cè)滿焊連接，焊接完成后，在所有焊縫位置涂抹堵漏劑。

（2）鋼套筒中部設(shè)置兩道鋼絲刷，尾部設(shè)置一道簾布密封，形成三道空腔，沿每道空腔在鋼套筒的外側(cè)設(shè)置7個(gè)直徑2寸的球閥，兩道鋼絲刷涂抹盾尾油脂，在刀盤抵至掌子面，磨樁之前，在鋼絲刷的空腔內(nèi)注滿特殊漿液進(jìn)行密封。

2.4.4 鋼套筒內(nèi)防栽頭

（1）導(dǎo)軌安裝：導(dǎo)軌長(zhǎng)度40cm，導(dǎo)軌前端與結(jié)構(gòu)側(cè)墻相平齊，導(dǎo)軌后端距離托架前端1.8m，導(dǎo)軌的頂面高度低于托架軌道頂面高度2cm，導(dǎo)軌的后端面（即盾體首次接觸導(dǎo)軌面）施作45°坡腳以讓盾體順利推進(jìn)上導(dǎo)軌。

（2）洞門范圍填充：洞門無(wú)軌道范圍采用細(xì)砂填充，填充高度與軌道相平。

2.5 設(shè)備改造

為保證既有線安全，通過(guò)對(duì)鐵建重工盾構(gòu)機(jī)的改造，在膨潤(rùn)土系統(tǒng)下面增加了2臺(tái)施維英泵，可向盾構(gòu)機(jī)中盾注入惰性漿液及時(shí)填充刀盤開挖面與盾體之間的間隙，減小既有線沉降；在刀盤切口環(huán)位置增加內(nèi)置管路注入膨潤(rùn)土，起到土倉(cāng)保壓和減小刀盤扭矩的作用；泡沫采用單管單泵的注入方式，每路泡沫可獨(dú)立工作，提高渣土改良效果。

2.6 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

對(duì)既有線進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接至監(jiān)控室，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化來(lái)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)與注漿量。加密監(jiān)測(cè)頻率，并輔以夜間停運(yùn)期對(duì)3號(hào)線隧道內(nèi)展開人工巡視、裂縫觀測(cè)、軌道測(cè)量等手段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和觀察，保證隧道結(jié)構(gòu)和行車安全。

3 下穿過(guò)程控制

3.1 始發(fā)段控制措施

始發(fā)掘進(jìn)段：由負(fù)環(huán)拼裝至圍護(hù)樁磨除

（1）盾體防扭轉(zhuǎn)。在刀盤準(zhǔn)備轉(zhuǎn)動(dòng)磨樁時(shí)，在中盾及盾尾設(shè)置防扭塊，防扭塊采用2cm 厚的鋼板做擋塊，中盾每隔40cm 設(shè)置1道，盾尾間隔80cm一道，盾體兩側(cè)全部設(shè)置。

（2）負(fù)7 環(huán)管片拼裝、固定。-7 環(huán)拼裝點(diǎn)位為1 點(diǎn)位即K 塊在1 點(diǎn)位置，每拼裝3～9 點(diǎn)位以上管片時(shí)用厚度為20mm、390×150mm七字板焊接在盾殼上予以固定。待-7環(huán)管片拼裝完成、螺桿復(fù)緊完畢，割掉七字板，油缸同步頂伸（以下部油缸為主）管片貼合基準(zhǔn)環(huán)，然后固定管片，同時(shí)將3～9點(diǎn)以上管片用倒七字板固定在基準(zhǔn)環(huán)上，防止管片下掉。

（3）掘進(jìn)參數(shù)控制。除嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)外，同時(shí)派專人觀察托架、防扭塊和反力架、短鋼套筒情況，若有異常情況立即匯報(bào)。同時(shí)注意回轉(zhuǎn)角，隨時(shí)切換刀盤轉(zhuǎn)向，滾動(dòng)角控制在5mm/m以內(nèi)。

3.2 下穿段控制措施

下穿掘進(jìn)段：由圍護(hù)樁磨除完成到盾尾脫出距離既有3號(hào)線外邊緣水平距離為10m處。

3.2.1 掘進(jìn)控制措施

（1）掘進(jìn)參數(shù)控制。下穿期間掘進(jìn)是否超方是決定既有線沉降的關(guān)鍵，因此首先必須保證掘進(jìn)參數(shù)正常，根據(jù)以往在成都地層掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，確定了下穿期間最佳的掘進(jìn)參數(shù)。下穿段掘進(jìn)參數(shù)見表1。

表1 下穿段掘進(jìn)參數(shù)表

（2）渣土改良。在富水砂卵石地層中掘進(jìn)采用泡沫劑、膨潤(rùn)土和水對(duì)渣土進(jìn)行改良有明顯效果，可顯著降低刀盤、螺旋輸送機(jī)的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩，減輕砂卵石地層對(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，增加渣土的和易性和流塑性。渣土改良是保證掘進(jìn)參數(shù)的前提，在下穿既有線過(guò)程中，對(duì)于改良材料的注入?yún)?shù)須做到精細(xì)化管控。

（3）出土量控制。出土量是決定既有線是否沉降的根本因素，下穿期間必須嚴(yán)格控制出土量，采用體積法和稱重法雙控的原則。掘進(jìn)過(guò)程中，土木工程師精確計(jì)算每斗出渣量，操作司機(jī)在通過(guò)分析每斗渣土的推進(jìn)管理行程，判斷是否過(guò)程超方，并及時(shí)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，掘進(jìn)完成后對(duì)總出渣量與總管理行程進(jìn)行對(duì)比，分析當(dāng)環(huán)超方量，對(duì)本環(huán)掘進(jìn)情況進(jìn)行總結(jié)。

3.2.2 注漿控制措施

注漿是控制既有線沉降的保障措施，在下穿既有線期間采用五步注漿法，大大減小了既有線沉降，主要包括中盾注漿、同步注漿、二次注漿、三次補(bǔ)注砂漿及四次補(bǔ)注雙液漿。五步注漿法示意圖見圖2。

圖2 五步注漿法示意圖

（1）中盾注漿。盾體徑向孔注入惰性漿液，施維英注漿泵1#、#2 泵管路接1 點(diǎn)位、11 點(diǎn)位徑向孔球閥，往徑向孔注惰性漿液填充盾構(gòu)機(jī)殼體間隙。從0環(huán)開始推進(jìn)時(shí)向中盾徑向孔注入惰性漿液，每環(huán)注入量約為0.7m3～1.1m3，壓力為2～4bar，直至+28環(huán)推拼完畢時(shí)，此時(shí)盾尾脫出至既有線外側(cè)10m，停止中盾注漿。

（2）同步注漿。同步注漿漿液應(yīng)具有注漿后體積收縮小，初期強(qiáng)度高，凝結(jié)速度快，稠度大的特點(diǎn)，才能保證管片在脫出盾尾后，漿液能夠及時(shí),凝固，減少地面沉降。同步注漿漿液的初凝時(shí)間為4h～6h，漿液稠度：11cm～12cm。盾構(gòu)機(jī)同步注漿泵接盾尾1、2、3、4 號(hào)同步注漿管，同步注漿量7m3～8m3，注漿壓力1.5bar～3.0bar。同步漿液配合比見表2。

表2 同步漿液配合比

（3）二次注漿。二次注漿采用雙液漿，雙液漿采用水玻璃和水泥漿配置而成，體積比為1:1，水泥漿水灰比為1:1，水玻璃的波美度為20～22，雙液漿凝結(jié)時(shí)間為30s。下穿過(guò)程中在盾尾第3環(huán)跟隨注漿，壓力不超過(guò)4bar。

（4）三次補(bǔ)砂漿及四次補(bǔ)注雙液漿。從第10環(huán)開始在盾尾倒數(shù)第8 環(huán)進(jìn)行三次補(bǔ)砂漿，采用已備用同步注漿管注入，每5環(huán)進(jìn)行一次補(bǔ)注砂漿，注漿壓力控制在4bar以內(nèi)，防止壓力過(guò)大造成管片錯(cuò)臺(tái)及破損。根據(jù)既有線沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行四次補(bǔ)雙液漿，注漿壓力控制在5bar以內(nèi)。

4 沉降監(jiān)測(cè)情況

目前已順利下穿既有三號(hào)線，既有線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下：

（1）右線穿越前后既有線累計(jì)沉降最大點(diǎn)位DM11-3沉降值為-0.86mm（控制值±10mm）。

（2）左線穿越前后既有線累計(jì)沉降最大點(diǎn)位DM30-3沉降值為-0.17mm（控制值±10mm）。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，此次下穿既有線過(guò)程中所采取的上述一系列技術(shù)措施，有效地控制了既有線沉降。

5 結(jié)論

（1）采用大管棚對(duì)土體進(jìn)行提前加固，對(duì)既有線起到支撐作用，可有效減少掘進(jìn)超方。

（2）掘進(jìn)參數(shù)和出土量正常是控制既有線沉降的決定因素。

（3）運(yùn)用五步注漿法可有效控制既有線沉降，是既有線安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。