盾構隧道近距離下穿輸水管線變形控制技術

楊明，汪海波，王松青，薛慶華，丁飛

（1.中煤第三建設（集團）有限責任公司市政工程分公司，安徽 合肥 230000；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近些年，隨著城市建設與高速發展，大城市中的交通格局以地鐵交通為主體，盾構法由于具有較高的可靠性和較好的適應性，在地鐵交通建設中應用極為廣泛。軌道交通的網絡化建設激化了新隧道與現有地下構筑物和管道之間的矛盾，特別是地鐵隧道盾構施工穿越相鄰的既有管線時，周圍巖土的微小變形沉降都可能對周圍既有管線造成重大的影響。因此必須采取新的工藝措施來減弱施工中土體沉降對周圍管線環境的不利影響，以保證周圍管線的安全運行。

許多專家學者針對如何減小地鐵隧道盾構法施工對周圍土體的影響，開展了一些研究。李鳳嶺等利用三維數值模擬分析上部隧道底部不加固、上部隧道底部加固及上部隧道底部不加固+盾構反向掘進等三種工況對周圍土體變形位移進行了研究；周謨遠等在現場使用了定向鉆孔與水平注漿相結合的地面長距離水平注漿技術，證明該項技術在盾構法施工中對地層加固及地面變形控制具有良好的效果。鄧能偉等通過三維有限元數值方法分析了盾構隧道下穿鐵路軌道群所引起的路基沉降；翟朝嬌、李建立研究了地鐵下穿道路時的影響規律；黃德洲、吳瑞分別研究了盾構隧道施工對地表框架結構、既有橋梁的影響。

卞鐘鼎研制了一種由鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑組成的填充材料，可在隧道盾構掘進的過程中注入周圍土體，實現止水、充填和支撐的作用，稱為克泥效工法。杜國濤等通過分析克泥效在工程中的多次應用效果，驗證了此工藝技術能夠有效地抵抗圍巖的變形、降低或控制地表沉降。馬云新以某下穿既有地鐵盾構隧道的工程為例，為控制隧道變形采用克泥效注漿的方法，結果能良好地抑制盾構掘進時產生的地層變形。黨濟國利用HS模型數值模擬研究了克泥效與水玻璃混合液對土體穩定性的影響，發現克泥效與水玻璃混合液填充盾構間隙的施工方案能夠有效地減少對地層土體的破壞，防止沉降和變形。熊四清通過分析盾構施工對地表沉降的影響，發現克泥效漿液可以及時填充盾體周邊空隙，有效控制地面沉降，并在填充完成后不會產生卡住盾體的風險。

基于此，研究以沈陽地鐵十號線二十標桑林子車輛段出入線盾構工程近距離下穿大伙房輸水管線為研究對象，對比分析了采用不同注漿材料下盾構施工地層沉降量，提出了該類地層克泥效工法的施工工藝和添加量。

2 工程概況

2.1 區間概況

沈陽地鐵十號線桑林子車輛段出入場線盾構工程右線長294.16 m、左線長282.26 m。區間隧道所處地層上半部為粉質黏土，下半部為中粗砂，屬于典型的復合地層。

施工地段臨近大伙房輸水管線，盾構段左線與管線呈53°交角，下穿管線斜長23.7m（144環—165環），右線與管線呈57°交角，下穿段斜長22.8 m（162環—179環）。隧道與管線垂直凈距約為2.82m～3.06 m，具體位置的關系如圖1、圖2所示。

圖1 區間剖面示意圖

圖2 出入場線隧道與輸水管線的位置關系

2.2 地表沉降控制指標

輸水管線為兩根預應力鋼筒混凝土承插管，分節長度為5 m，內徑3.2 m、外徑3.8 m。設計輸水壓力為0.6 MPa，目前水壓0.4 MPa。為遼寧省中南部7個城市的供水管路，風險等級為一級。管線的直徑和管內的壓力均較大，因此管線材質較為特殊。施工風險極大，一旦觸碰極易發生爆管，同時上游閥門距此處約30km，且關閉閥門過程將消耗近2h時間。在0.4MPa水壓和0.5‰坡度下涌水量能夠迅速淹沒周邊，會對周圍造成巨大危害。

盾構掘進施工一般都是按照地面沉降+10mm、-30mm的標準進行控制地面的隆起沉降。而盾構穿越大伙房管線施工風險極大，稍有不慎將引起巨大的社會影響。且設計單位、產權單位要求管線整體沉降及差異沉降的控制值分別為 10 mm和 8.7 mm。+10mm、-30mm的標準遠遠滿足不了施工要求。

3 克泥效施工原理

3.1 施工地層沉降分析

地層沉降在盾構法施工過程中由于周圍土體被擾動，是不可避免的。地層沉降主要分為早期沉降、開挖面沉降、通過時沉降、通過后沉降和后期沉降等五個階段，如圖3所示。通過分析不同階段沉降的原因，發現早期沉降一般由地下水位變化而導致，沉降量很小，一般不做考慮，開挖面沉降、通過后沉降和后期沉降可通過防沉降措施實現有效的控制，而第3階段通過時沉降較難控制。在通過沉降階段時由于盾構機刀盤外徑為6280 mm，而盾尾外徑為6230 mm，會產生25 mm的環狀間隙。當地層變形量控制嚴格時，將此環狀構造間隙進行及時的填充，才能有效地控制地層沉降。

圖3 盾構施工地層沉降階段圖

3.2 克泥效工法

盾構施工過程中對土體的擾動很容易造成地層的沉降，因此需要在施工掘進過程中同時注漿來填充間隙，減少因土體擾動導致的地層沉降。克泥效是一種可在隧道盾構掘進的過程中注入周圍土體的填充材料。克泥效工法是通過配管分別把高濃度的泥水材料與塑強調整劑(即水玻璃)壓送到指定位置，隨后以適當比例將兩種液體混合成高黏度塑性膠體，再由徑向孔注入的一種新型工法。混合后的高黏度塑性膠體的黏性不隨時間而變化，并且不易受水稀釋，能對盾體與土體之間的間隙起到良好的填充作用，可以有效控制盾構機通過時發生的地表沉降。

試驗監測點 表1

4 工程實踐

4.1 不同注漿材料模擬試驗

在填充材料選擇中，水泥漿液由中盾徑向注漿孔注入時會造成漿液包裹盾體，導致盾構機盾殼直徑變大，造成超挖、土體擾動非常大，同時壁后注漿一旦不足，將導致較大量的沉降，因此不能作為填充材料，而膨潤土漿液和克泥效均能起到減阻潤滑的效果以減少周圍土體受到盾構機擾動的程度，同時能夠填充空隙，因此根據大伙房輸水管線與隧道豎向位置關系，在穿越輸水管線前設置試驗段；試驗段內地表變形監測點的布置如圖4所示，不同方案對應編號，如表1所示。監測點與隧道豎向間距3 m，通過試驗段先后注入膨潤土與克泥效檢測地表沉降量，來選擇最合適方案。

圖4 地表監測點布置圖

在刀盤通過后與盾尾到達時分別對以上五處監測點進行監測分析，以確定盾構掘進施工在第三階段注入膨潤土和克泥效造成的沉降影響，試驗結果如圖5所示。膨潤土漿液注漿后地表累計沉降達7mm～8 mm已經接近管線控制值，個別監測點超出管線控制值，而克泥效注漿后地表累計沉降控制在1mm～2 mm左右，因此在保證大伙房輸水管線安全的前提下，采用克泥效施工工藝進行現場施工。通過中盾末端的徑向孔注入克泥效來控制通過時沉降。

圖5 不同方案地表沉降量

4.2 工程實施

現場試驗采用每噸克泥效拌合2.5立方水溶液和水玻璃，體積比為20：1。盾構機開挖直徑6280 mm，尾盾外徑6230 mm。盾構機每向前推進1.0m，殼體外周出現一定的建筑間隙，體積為：3.14× [6.28/2）2-（6.23/2）2]≈0.5m。根據理論基礎和施工經驗可知，克泥效的注入系數一般采用1.5～1.8之間，按注入系數1.8計算，掘進每環克泥效注入量為：0.5m×1.8×1.2=1.1m。

注漿時采用專門的注漿機械進行注漿，在盾構機中盾上方十一點和一點鐘方向一邊掘進一邊交替注入填充空隙。克泥效材料永不凝固，并且有一定承載能力。因此，不會出現由于材料凝固卡住盾體的情形，并且可以填充因掘進而產生的空隙，使上方土體結構的穩定性得到提高。

4.3 應用效果分析

在輸水管線上方安置監測點（輸水管線A上點為dbca6，輸水管線B上點為dbcb6），24h全自動測量。2h一次對兩條管線監測點進行三維坐標采集。1 d一次對豎向位移進行復核。地表監測點采用人工測量，2h一次。監測點不同日期地層沉降測量平均值，如圖6所示。

圖6 地表沉降觀測結果

地層沉降量周平均值 表2

通過圖6可以看出，盾體施工下穿輸水管線時，地表監測點累積變化量呈波動狀隆起，并且最大值僅有1 mm左右，表明克泥效漿液對盾體與土體之間的空隙起到了有效的填充作用，抑制了盾體與輸水管線之間土體的變形。因為采用的擠壓泵出口壓力過高，克泥效的注漿量大于土體損失的體積，導致上方隧道有些許隆起。穿越后一個星期，數據基本穩定，如表2所示，管線整體沉降值和差異化沉降值均高于預期目標。

5 結語

依托于沈陽地鐵十號線二十標桑林子車輛段出入線盾構工程，所用的克泥效注漿法有效地解決了地層在盾體通過時沉降變形問題，實現了水管地層沉降量在預警值之內及大伙房輸水管線穩定的要求，取得了良好的經濟效益和社會效益，為今后類似地層復雜環境下盾構施工提供了工程借鑒。