富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)下穿既有運營隧道施工技術(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營線路越來越多，對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)法下穿既有線相對暗挖工程速度快，時間風(fēng)險小[1]。對于盾構(gòu)下穿隧道的工程，甘曉露等[2]、張毫毫等[3]、宋建學(xué)等[4]分別通過工程實測數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模型、模型試驗驗證了新建盾構(gòu)隧道下穿會對上部既有隧道周圍土體產(chǎn)生擾動，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，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償變形[7]。賈培文等[8]通過現(xiàn)場施工監(jiān)測驗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，時亞昕[12]通過試驗研究，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既有管線和地表變形影響較大[13]，而19號線作為大直徑盾構(gòu)工程下穿3號線，兩隧道凈距小，施工安全風(fēng)險較大，本文對19號線盾構(gòu)下穿既有3號線加固技術(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 項目概況

成都軌道交通19號線二期工程雙流機場站—龍橋路區(qū)間，4臺盾構(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號線，穿出3號線離龍橋路接收井吊出洞門僅16m，19號隧洞采用外徑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號線與3號之間的距離為4.681m。區(qū)間隧洞與既有3號線位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧洞與既有3號線位置關(guān)系

1.2 工程與水文地質(zhì)條件

成都軌道交通19號線隧道穿越地鐵3號線區(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號線盾構(gòu)隧道主要穿越為⑤8-3砂卵石地層，隧頂距離3號線隧道底最小豎向凈距約4.71m，同時盾構(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 下穿施工難點分析

1)19號線二期工程盾構(gòu)隧道與3號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號線隧道沉降或隆起。

2)成都地鐵3號線、10號線為成都地鐵網(wǎng)中的骨干線路，地鐵的安全運行事關(guān)重大，社會影響大。

2 既有運營隧道變形控制標(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

為了減小對既有3號線運營線路的影響，保障既有隧道安全運營和新建地鐵隧道安全穿越，在19號線下穿3號線施工過程中采取“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)需要增加管棚強度時，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號線隧道時引起的既有線隧道沉降，對盾構(gòu)機上方與3號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，采用普通潛孔鉆機管棚施工在鉆進(jìn)過程中容易坍孔，且打穿卵石會造成卡鉆，故使用帶沖擊錘頭的潛孔鉆機跟管鉆進(jìn)，采用改進(jìn)的哈邁90A型液壓潛孔錘鉆機。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，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，開始時注漿的漿液濃度要低一些，逐漸加濃至設(shè)計濃度，有利于注漿漿液向拱頂方向擴散，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)實際情況進(jìn)行注漿，補償?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)及時用麻布進(jìn)行封堵，同時在洞口頂面設(shè)置監(jiān)控量測點，當(dāng)發(fā)現(xiàn)地表隆起時，及時調(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號線時地層沉降，降低19號線盾構(gòu)隧道對周邊地層的影響，擬在地表對地鐵3號線周圍進(jìn)行注漿加固，注漿范圍為地鐵3號線隧道外擴2m，注漿深度為至19號線隧道頂以上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，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)實后，繼續(xù)升高壓力，此時密封橡皮套打開，水泥漿經(jīng)花管進(jìn)入孔內(nèi)，繼續(xù)升壓，按每段的設(shè)計壓力，開始對地層進(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)向抗壓強度滿足設(shè)計大于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，實行信息化施工。結(jié)合往期實際工程穿越砂卵石及泥巖地層施工經(jīng)驗，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，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、螺機的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩，減輕泥巖地層對盾構(gòu)設(shè)備的磨損，提高掘進(jìn)速度和設(shè)備的使用壽命，防止渣土在皮帶機上打滑，提高渣土和卵石的流動性。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，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，安排土木工程師對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，同時對比前后3環(huán)出土量及稱重核實是否有突變情況，發(fā)現(xiàn)超方后渣土管理專員立即根據(jù)“信息全報，分級處理”的原則通知相關(guān)人員進(jìn)行超方處置。避免盾構(gòu)頻繁停機導(dǎo)致的風(fēng)險，具體措施如下。

1)當(dāng)單環(huán)超出理論方量<2%時，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)域時及時進(jìn)行管片壁后的二次注漿。地面搶險小組加強對地面的巡視及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋。

2)當(dāng)單環(huán)超出理論方量的2%～4%時，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)域時及時進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿；超方處置期間地面搶險小組加強對地面巡視及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)異常時立即啟動應(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，項目負(fù)責(zé)人要求操作手立即停止掘進(jìn)，由項目負(fù)責(zé)人組織進(jìn)行超方處置，同時在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，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；同時向土倉內(nèi)注入惰性漿液，注入壓力為0.3～0.35MPa。地面搶險小組負(fù)責(zé)人立即啟動應(yīng)急打圍施工，主動尋找空洞，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，加強地面與洞內(nèi)的聯(lián)系，避免盾構(gòu)機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)時間較短、強度高、耐久性好和抗腐蝕性好等特點，其同步注漿配合比如表4所示。對漿液配合比進(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。同時在試推進(jìn)施工過程中對漿液配合比根據(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營隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)對隧道結(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、站臺水平和豎向位移，隧道變形縫差異沉降進(jìn)行自動化監(jiān)測，并對道床豎向位移進(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)擾動變形，在盾構(gòu)施工前采用可靠的加固措施，增強地層的整體穩(wěn)定性，可較大幅度降低盾構(gòu)施工風(fēng)險。

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，同時可進(jìn)行適度糾偏。