大盾構近距離下穿運營地鐵洞內定向預注漿加固及掘進技術

胡 勇

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

國內盾構下穿鐵路和地鐵線路等風險實例較多，但工況不一，地質不同，埋深不同，風險程度不同。廣州地鐵22號線番祈中間風井～番祈2#盾構井區間下穿運營地鐵3號線，為盾構法施工，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號線隧道塌方等風險，出現3號線位移超限，導致列車脫軌、停運。

為進一步提高安全性，在施工前對方案、設備、應急等方面開展研究，采用了水平定向鉆孔注漿和洞內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 施工環境和工況

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

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

圖1 下穿關系示意圖

環寬1.5 m。22號線土壓盾構機刀盤開挖直徑8.840 m，管片外徑8.5 m，環寬1.6 m。

1.2 下穿段地質、水文情況

下穿段開挖面上部為全風化混合花崗巖6Z和強風化混合花崗巖7Z，下部為中風化混合花崗巖8Z，且基巖裂隙水豐富，地層自穩性差，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%，裂隙比較發育。

6Z、7Z地層風化含砂量較高，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，自穩性差。地質芯樣實物如圖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 地質芯樣實物

穿段左線洞內左上方設計拼裝鋼管片，鋼管片上預留孔口，設計8環鋼管片，每環管片布設2個孔口，孔間距0.8 m，共16孔，見圖3。鋼閥管從預留孔鉆入，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，鋼閥管結合注漿可共同形成支護體系[1]，提高地層的自穩能力防止土層坍塌。

圖3 鋼管片排列和預留孔設計

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滲漏性，三是增強了3號線下方地層承載力和臨時穩定性。有利于盾構機采用氣壓輔助模式掘進，降低刀盤扭矩、防止結泥餅、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號線隧道交叉區域為基礎，3號線右線邊線兩側外擴約2.0～5.8 m；沿22號線右線邊線兩側擴展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，鋼閥管末端距離3號線隧底3.48 m，右側距離3號線隧底約6.01 m，距離22號線盾構機開挖直徑往外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 左線洞內往右線鉆孔預注漿加固(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 鉆孔設備和注漿設備

(1)鋼閥管鉆機：采用MX-120型分體式鋼閥管鉆機，洞內操作空間有限，該設備體積小，擺放方便。現場工作狀況見圖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，采用水力止漿塞定點注漿，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號線隧道結構變形的控制。

圖9 鋼閥管和分段注漿示意圖

圖10 水力止漿塞

水力止漿塞作用原理：將止漿塞插入鋼閥管內，通過高壓水壓力作用，使膠筒產生橫向膨脹與鋼管內壁擠緊，起到止漿作用，操作快捷、適應各種方向鉆孔、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，兩種液體反應能在數秒鐘內生成固態膠體，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

注漿施工作業中，漿液注入量和壓力是兩個最為關鍵的控制因素。根據顯示的孔口壓力變化可以判斷注漿施工的基本發展狀況，并及時采取相應措施。

根據地層滲透性和漿液濃度，注漿壓力控制在0.3～1.0 MPa，并根據上方3號線沉降監測數據動態調整注漿壓力。

2.3.4 注漿量和終孔標準

(1)注漿壓力達到設計的終壓1.0 MPa，并穩定20 min。

(2)單孔注漿量達到設計注漿量的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，一般取2.5；V為注漿目標區域體積；η為土體綜合孔隙率，取25%；β為漿液充填系數，取0.95；m為漿液結石率，取0.85。則注漿量Q=189.2 m3。

3 盾構下穿掘進控制技術

3.1 盾構機掘進模式和掘進參數

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，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，刀盤轉速1.5～1.8 rpm，刀盤扭矩6 600～7 800 kN·m，參數正常。每環出渣量控制在150 m3以內，未出現超方。注漿量不低于12 m3/環，二次注漿及時跟進填充空隙。

3.2 下穿前刀具檢查及設備維保

因下穿段掘進中風化花崗巖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，換刀后連續下穿通過，并對所有設備進行全方位檢查和維保。

3.3 膨潤土漿渣土改良和應急保壓

在始發井口中板備置2個30 m3膨潤土膨化池，預先拌漿膨化，在中板增加輸送泵和專用管道接入盾構機內，能快捷實時地根據需要輸送膨潤土漿。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，并根據現場試驗泥漿稠度確定，加入量為出土量的10%～20%。

渣土改良：采用優質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。

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

3.4 泡沫劑渣土改良

下穿段使用優質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泥餅。

3.5 二次注漿

在盾構機內配備2臺二次注漿系統，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環位置，注漿在管片兩側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后的空隙，促使漿液及早凝固，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環位置，注漿形成止水環，封堵盾體后方來水。

3.6 洞內自動化監測和視頻監控

在運營3號線洞內布置監測點、自動化監測儀和視頻監控，數據自動傳輸到平臺分析，盾構操作司機能及時掌握沉降情況。

監測斷面布設(見圖11)：下穿1倍洞徑范圍內強烈影響區域每5 m布設一個斷面，1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內一般影響區域每10 m布設一個斷面。每個斷面在道床上布設2個監測點，中上部4個點，共6個監測點。

圖11 洞內自動化監測布點

4 3號線沉降監測數據

區間22號線右線，自加固后復推至掘進下穿完成，歷經13 d，盾構機全部出3號線影響區，共計44環。

3號線監測數據(見圖12)：注漿預加固過程中，3號線右線道床監測點局部隆起值+1.36～+7.93 mm。盾構下穿后，3號線右線道床主要影響區監測點變化值+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《廣州市城市軌道交通結構安全保護技術標準及規定》結構安全控制指標值，隧道位移預警值<10 mm，控制值<15 mm；軌道高差預警值<2 mm，控制值<4 mm，監測值均未超出控制值，未出現險情，安全下穿3號線，結構安全保護良好。

5 結束語

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

(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，可大大減小倉內結泥餅風險，減小刀具異常損壞，掘進功效更高。

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