盾構下穿運營地鐵區間綜合注漿施工技術研究

翟曉慧

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東濟南 250013)

1 引言

隨著城市軌道交通不斷發展，穿越既有運營線路的問題日益突出。盾構穿越既有線路的控制方法多以注漿加固、控制掘進為主，尤其在復雜地層，注漿加固是有效保證穿越能否順利實施的關鍵。

本文以廣州市軌道交通22號線番祈中間風井－番祈2＃盾構井區間下穿既有運營地鐵線路為背景，通過在花崗巖地層水平定向注漿預加固，為左線順利下穿既有線打下了堅實基礎。隨后22號線右線下穿施工，吸取左線定向鉆施工周期長、成孔困難的經驗，提出左線洞內向右線鉆孔注漿加固思路，順利解決右線下穿加固問題，有效控制了地層變形，確保了既有線的運營安全。

2 工程概況

2.1 設計情況

廣州市軌道交通22號線番祈風井－番祈2＃盾構井區間全長2.51 km，于里程ZDK38＋542.909～ZDK38＋523.709、YDK38＋564.327～YDK38＋545.127下穿既有運營地鐵3號線漢溪長隆站－市橋站區間，下穿長度19.2～20.8 m。

22號線隧頂埋深26.5 m，隧頂距3號線隧底凈距約5.5 m，見圖1。22號線區間采用直徑8.8 m土壓平衡盾構機施工，盾構機刀盤開挖直徑8.84 m，管片外徑8.5 m，環寬1.6 m。

圖1 22號線下穿地鐵3號線

2.2 周邊環境

22號線番祈區間盾構下穿3號線段位于東環路與光明北路交叉路口，人、車流量大。盾構下穿段影響區域內主要管線為燃氣、自來水主管、高壓電力、雨水管、通信管等，地表環境極為復雜。

2.3 水文地質條件

地勘揭示下穿3號線右線時，22號線左、右線洞身范圍均為混合花崗巖上軟下硬地層(洞身范圍內有6Z、7Z、8Z)，該段7Z地層風化含砂量較高，篩分含砂量達90%，含泥量10%，自穩性極差；8Z地層飽和抗壓強度為65.1～138.1 MPa。穩定地下水水位埋深3.4～4.1 m。

3 施工風險分析

(1)上軟下硬地層推進速度慢、易造成出土超方現象[1]，地面沉降控制難度大，易導致3號線隧道變形超限，沉降嚴重時導致列車脫軌、停運等施工風險。

(2)3號線列車運行間隔時間短，列車通過時易引起土體振動加速地表下沉的風險。

(3)上軟下硬地層易出現刀具異常損壞，掘進速度慢，刀盤扭矩高[2]，被動開倉換刀風險高。

4 施工技術措施

采用地面水平定向注漿＋22號線洞內超前注漿＋3號線洞內注漿＋22號線左線洞內向右線鉆孔注漿預加固措施對刀盤前方土體進行加固，提高軟弱土體自穩性及止水效果。

4.1 地面水平定向鉆孔注漿預加固

(1)施工工藝

采用斜孔定向TDX150鉆機，通過地面定向鉆孔，穿入?108×8 mm的無縫鋼閥管，間隔0.5 m加工一條環槽，環槽內均布6－?12 mm圓孔，放入橡膠密封套實現單向閥功能。

水平定向鉆7孔，間距2 m，水平段(3號線下方)深25 m。22號線左線加固平面范圍內沿3號線邊線外擴5 m(加固長度28 m)、邊線外擴2 m(加固寬度12.5 m)。水平段鉆孔在22號線隧道上方1.5 m，加固全(強)風化花崗巖，同時，水平段鋼閥管也可起到管棚支護效果＋跟蹤注漿作用。左線水平定向鉆加固縱斷面、平面見圖2、圖3。

圖2 區間左線水平定向鉆加固縱斷面

圖3 區間左線水平定向鉆加固平面

(2)鉆孔施工

為解決局部砂層中定向鉆造斜段易出現塌孔、漏漿、造斜困難等問題，將原開孔角度由70°調整至73°，優化鉆具組合，提高鉆具造斜能力，解決受限范圍內造斜難題。

(3)塌孔處理

針對地表回填層及中粗砂地層頻繁塌孔問題，采取措施如下:

①鉆孔結構由一開調整為三開結構，并下入套管保護。一開鉆頭直徑311 mm，套管為245 mm，長度為18 m；二開鉆頭直徑222 mm，套管為180 mm，套管長度24 m；三開鉆孔直徑為原設計孔徑，分段套管解決塌孔問題。

②調整鉆井泥漿材料，增加泥漿流動性，降低泥漿比重。

(4)漏漿處理

①調整泥漿參數，增強泥漿堵漏性能，配置瀝青粉增加泥漿流動性。

②地表WSS注漿對漏失層位區間進行加固封堵，在42～70 m區間沿鉆孔前進方向布設5個鉆孔，注單液漿加固漏失層。

③利用水平定向鉆孔向地下注單液漿對漏失層位進行封堵，改善鉆孔周邊地層工程力學特性，加固松散土體。

(5)注漿施工

漿液采用超細水泥漿液、化學類漿液、普通水泥，注漿總量為392.1 m3。其中超細水泥漿液在2＃、3＃孔進行試驗，注入總量為20.5 m3，可注性較差。普通水泥漿用于造斜段進行松散地層填充。3號線下方主要采用水玻璃類化學漿液，注漿量為84.3 m3，每注1～1.5 m3暫停1 h分析檢測數據變化情況。

4.2 洞內超前注漿加固

(1)盾構機超前鉆孔

盾構機盾體四周設有10個超前注漿鉆孔，其中左右兩側6孔，利用盾體上部4個超前孔，補充加固刀盤上方與水平定向鉆孔鋼閥管之間的地層[3]，進一步降低土體透水性，使其形成1個弧形密閉殼體，提高刀盤前上方土體整體穩定性[4]。

盾構機內超前注漿孔外插角度為8°，孔間距1.2 m，注漿擴散半徑約1.0 m，單次超前注漿加固3環，相鄰超前注漿搭接長度約2.0 m。

(2)洞內注漿

左線進行6次洞內超前注漿加固，采用前進式注磷酸漿止水以提高富水地層的注漿效果。漿液配比為∶水∶磷酸＝10∶1(體積比)，鉆到設計深度后后退式注入P.O42.5普通硅酸鹽水泥－水玻璃漿液[5]。水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃為40°Bé(1∶1稀釋)。 水泥漿∶水玻璃體積比1∶1。漿液凝結時間38～45 s，注漿壓力1.0～1.5 MPa，每米注漿量0.5 m3，壓力與流量雙控[6]。注漿過程中嚴格控制注漿壓力，謹防壓力過大漿液進入土倉或裹住盾體。

4.3 既有3號線洞內道床注漿加固

3號線漢市區間已運營多年，洞內道床及管片存在局部裂縫等病害，為避免下穿施工中因沉降導致道床及管片病害進一步擴大影響運營，對3號線右線隧道80 m影響范圍34條裂縫進行道床裂縫壓漿、道床與管片間縫隙壓注EAA環氧漿加固。

道床兩側水溝邊布設2排孔，間距0.42 m，孔徑10 mm，孔深至管片內弧拱面，采用EAA環氧封閉注漿，注漿壓力0.3～0.4 MPa。

道床面梅花形布設3排注漿孔，孔距1.2 m，孔深至管片內弧面。

4.4 加固實施效果

(1)水平注漿加固效果

左線對應3號線隧道中間位置鉆孔深27.1 m(水平注漿加固深度24.5 m)進行地面取芯，測得抗壓強度1.5 MPa。水平段鋼閥管注漿管向上1.5 m高度范圍內加固膠凝效果良好，具有一定強度；而注漿管下方1.5 m范圍加固效果不理想。加固前后對比見圖4、圖5。

圖4 補勘揭示7Z地層芯樣

圖5 水平定向注漿后取芯揭示芯樣

(2)洞內注漿加固效果

右線進行道床取芯壓水試驗，試驗壓力為0.5～0.6 MPa，穩壓時間分別為 5 min、10 min，兩側水溝沒有漏水，道床加固效果較好。

4.5 左線洞內注漿加固右線

根據取芯檢測結果，并考慮左線掘進對地層的擾動，為減小右線盾構穿越對3號線的影響，采取左線洞內加固右線的方法。

左線下穿段的8環管片10點方向拼裝1塊鋼管片，鋼管片預留2－?108鋼閥管注漿口和2－?42小導管注漿口。鋼閥管單根長19.2 m，共16根，外插角約11.5°。鋼閥管與刀盤開挖直徑最近0.5 m，采用水玻璃化學漿加固擴散半徑至0.75 m；下部16根小導管WSS注漿，加固平面范圍為13.2×12.5 m，見圖6、圖7。

圖6 左線洞內加固右線橫斷面

圖7 左線洞內加固右線現場

5 工后情況

5.1 自動化監測

45 m地面強影響區域間隔5 m布設1個監測斷面[7]，30 m弱影響區域間隔10 m布設1個監測斷面。如圖8所示，每個監測斷面在軌道附近的道床上布設2個沉降監測點，中腰位置布設2個水平位移監測點，隧道拱頂布設2個拱頂沉降監測點[8－9]，即每個監測斷面布設6個監測點。

圖8 洞內自動化監測點布設

5.2 盾構未下穿3號線隧道隆沉情況

盾構下穿前，既有線隧道因水平注漿加固呈整體上抬趨勢，根據自動化監測數據，注漿加固結束時，既有線最大隆起15 mm，道床最大隆起8 mm。

既有線隧道內監測數據表明，每次注漿對既有線的上抬量變化都比較均勻、無突變點，表明注漿效果較好。

因為水平定向鉆孔注漿的管棚支護效應，盾構機超前注漿對既有線的影響不明顯[10－11]，每次超前注漿的隆起量與每循環掘進的沉降量基本一致，隆起量在8～10 mm之間波動；既有線道床沉降變化較小，整體變化控制在＋1 mm以內。盾構推進過程中對應3號線隧道下方YDM05、YDM06監測斷面有＋0.2 mm隆起，其余監測斷面監測數據無明顯變化。

5.3 工后沉降數據變化

左線盾尾脫出3號線黃色影響區共掘進53環，監測數據道床累計變化最大值YDM05-5穿越前/后分別為＋6.56 mm/＋5.95 mm，數據基本穩定正常。下穿后3號線道床沉降回落至＋6 mm，下穿前后隆起變化值＋3 mm。

右線盾尾脫出3號線黃色影響區共計掘進44環，下穿期間土倉壓力穩定正常[12]。3號線自動化監測累計變化最大點為ZDM05-3，豎向位移為＋14.70 mm；右線下穿3號線紅色影響區期間變化最大點為ZDM07-2，豎向位移為2.97 mm，累計值為＋12.31 mm。下穿前后3號線右線道床平均變化－3.3 mm，累計最大值為＋11.24 mm。穿越后3號線右線洞內道床兩側測點監測數據累計值見圖9。

圖9 既有3號線右線YDM01～YDM13斷面道床測點沉降曲線

6 結論

(1)地面水平定向鉆孔注漿加固既有隧道下部土體，可較好控制盾構下穿所引起的既有線變形；先行下穿隧道內注漿加固后行隧道拱部，有利于減小后行隧道掘進產生的地層變形。

(2)上軟下硬富水地層中盾構下穿既有線路，采用化學漿液分段超前加固有利于控制刀盤開挖產生的地層變形。