砂卵石復合地層盾構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展，盾構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條件也越來越復雜，在特殊地層中如何安全平穩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、建筑物盾構施工等問題，已有多人進行了研究和總結。例如王明年等[1]以成都地鐵1、2號線部分區間為例，通過建立模型研究卵石土盾構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，介紹了盾構機通過軟弱地層時對地面建(構)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號線為例總結土壓平衡盾構穿越富水砂卵石層、砂層施工、沉降控制關鍵技術；段浩等[9]介紹盾構機穿越砂卵石地層建筑物施工技術；李永剛[10]結合南寧地鐵1號線介紹富水圓礫地層盾構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，對富水砂層盾構隧道側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施工技術；楊永強[14]結合西安地鐵2號線實際，探討總結土壓平衡盾構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構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的問題。廣州地鐵18號線地質復雜，盾構機在砂卵石復合地層推進過程中易結泥餅、推力和扭矩迅速增加，無法推進。受地形和地質限制，管線也無法進行懸吊施工。針對廣州地鐵的特殊地質和工程實際情況，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盾構井區間，全長約為2 912.2 m，HP3中間風井～HP4盾構井區間2臺φ8.8 m盾構機下穿南沙區黃閣水廠2條φ1.6 m原水供水管線(與盾構區間軸線夾角12°)，左線在ZDK26＋694.23～ZDK26＋755.64(697環～736環)位置下穿，右線在YDK26＋760.69～YDK26＋810.03.54(738環～769環)位置下穿，下穿水管隧道埋深約16.2～17.4 m，管線和區間平面圖見圖1。

圖1 管線和區間平面圖

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9采用PCCP管(鋼筒預應力砼管、6 m/節)，雙膠圈承插接口，接口外側現澆抗滲砂漿保護層，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)，管線和區間總斷面圖見圖2。

圖2 管線和區間斷面圖

2.2 工程地質

隧道洞身綜合圍巖分級為Ⅴ～Ⅵ，盾構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，中斷面為粉質黏土，厚度約1.7 m，下斷面為泥質粉砂巖，厚度約3.6 m，強度30～40 MPa。砂卵石地層屬于松散土體，自穩性較差，盾構穿越過程會對地層產生擾動，造成卵石層塌落、坍塌。具體地質情況見圖3，本區域地下水位以上土體腐蝕性指標，pH指標5.4為酸性。

圖3 地質斷面圖

3 盾構機下穿水管施工工藝

對盾構穿越范圍內的混凝土管采用開挖監測注漿加固措施，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，開挖完成后在管節上布置監控量測點，監控管節的沉降情況，及時進行注漿保護。

盾構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，盾構機脫離管道10環后，及時對管道下方的土體進行地面注漿加固，該段注漿完成監測數據穩定后進行回填，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。靠近道路邊坡一側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 管節上方土體開挖

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

開挖過程中，有鋼板樁支護區域可以采用垂直開挖，保證結構剛度及穩定性。其余三面直接開挖區域，根據地質情況放坡1∶1，保持開挖面的穩定。

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控量測點，每節水管布置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。邊坡設置監測點、鋼板樁測斜監測，便于及時發現情況，信息化施工。監控點布置見圖5。

圖5 監控量測點布置

3.4 過水管盾構掘進關鍵施工技術

3.4.1 砂卵石復合地層盾構掘進高扭矩的問題

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

解決措施:

(1)盾構機推進采用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加壓以達到一個平衡的氣壓狀態，上部壓力增加0.02 MPa。

圖6 注水點位置

(2)對注水系統進行改造，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)向土倉內打水，改善渣土的和易性。

(3)采用優質的泡沫劑和膨潤土，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，每環推進前，一定將膨潤土和泡沫劑打滿。

(4)刀盤轉速控制在1.5 r/min，貫入度控制在35 mm/r以內，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，地面容易產生較大沉降，嚴重時還會使掌子面特別是拱頂發生坍塌。經分析原因，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。掘進每環出土量:

每環出土量重量:

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，盾構機可以根據出土量判斷盾構機頭盤附近是否發生坍塌，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；同時根據地層水量及時施作止水環(注漿點6個點)。縮短漿液的凝固時間，將漿液的凝膠時間調整至0.45 min；二次注漿不小于3 m3。二次注漿需形成環箍(注漿點6個點)，必須對每環注漿效果進行檢查，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，考慮到該水管已經埋設10年，根據目前暴露的水管接頭量測水管的相對誤差實際數值(管節不平順，最大高程差2 cm)，根據專家意見，為安全考慮，取(＋5 mm，-20 mm)作為監控預警值，具體見表2。

表2 監測控制指標

在盾構切口到達前1倍洞徑時和盾尾通過后3 d監測頻率為1次/2 h；盾尾通過3 d后(約20～50 m內)，監測頻率為4次/d；盾尾通過超過50 m后監測1個月，監測頻率為2次/d，監測數據穩定后停止對管線的監測。

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，當管節上升到預警值內時停止注漿。淺層注漿目的是在盡可能短的時間內，在管節下方形成支撐，延緩土體繼續下沉，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，是暫時性保護措施。

(2)深層注漿:當盾構機通過該段10環后，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，注漿量由監測數據進行控制，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

監測數據穩定后，將監測點引至地面，具體見圖8，對水管上方進行土體回填，管道頂部50 cm以內，采用人工回填，回填優質黏土或砂土，分層回填碾壓，保證壓實密度達95%。回填完成后，進行地面硬化，恢復交通。

圖8 監控量測上引施工

4 砂卵石復合地層盾構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盾構井區間左線經過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，最終沉降量穩定在1 cm以內，施工速度快，施工安全可控。

(1)由于盾構機上方土質較差，管頂土方開挖采用只挖管節部位，避免長距離開挖，產生土體位移，對一側的道路造成影響。

(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。如發現出土超出設計方量10 m3以上，應立即停機，土倉內注滿膨潤土，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，使用高質量泡沫，改善土倉土的和易性，防止刀盤結泥餅，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)時時監測，快速掌握數據，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穩定的有效措施。

5 結論與建議

通過施工過程中的盾構機參數和監控量測數據進行分析，結論與建議如下:

(1)由于水管下方施工了攪拌樁加固，盾構掘進引起的沉降為滯后沉降，利用鉆注一體機根據監控數據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，并產生錯臺、漏水等現象。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。

(4)注厚漿的注漿管在注漿即將結束時，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，使之在一段時間內具有一定的強度，是下一步需要深入研究的內容。