富水砂卵石地層大直徑盾構下穿既有運營隧道施工技術

任躍勤，石 軍

(中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，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法兩種，而在富水砂卵石地層，采用盾構法下穿既有線相對暗挖工程速度快，時間風險小[1]。對于盾構下穿隧道的工程，甘曉露等[2]、張毫毫等[3]、宋建學等[4]分別通過工程實測數據分析、數值模型、模型試驗驗證了新建盾構隧道下穿會對上部既有隧道周圍土體產生擾動，進而使土體產生自由位移，使既有管線縱向產生不均勻沉降，嚴重威脅既有管線的正常使用安全[5]。為保證既有結構安全，避免既有結構因沉降過大產生危險，在近接施工過程中，要采取措施控制既有結構的沉降[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]通過現場施工監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，還要進行洞內外注漿。曹瑞瑯等[9]通過數值模擬證明了超前管棚和深孔注漿復合預支護可充分利用深孔注漿的拱效應，起到良好的加固效果。劉新軍等[10]、方華昌等[11]通過數值模擬驗證了管棚+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施工工藝進行長管棚打設，對于成都砂卵石地層的適用性。

在盾構下穿過程中，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工程下穿3號線，兩隧道凈距小，施工安全風險較大，本文對19號線盾構下穿既有3號線加固技術進行了深入研究，采用超前管棚結合地面預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—龍橋路區間，4臺盾構從龍雙中間風井向大里程始發，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、內徑7.5m的盾構管片，頂部埋深為23.617m。既有地鐵3號線采用外徑6.0m、內徑5.4m的盾構管片，底部埋深為18.936m，19號線與3號之間的距離為4.681m。區間隧洞與既有3號線位置關系如圖1所示。

圖1 區間隧洞與既有3號線位置關系

1.2 工程與水文地質條件

成都軌道交通19號線隧道穿越地鐵3號線區段地層從上到下依次為雜填土、粉質黏土、砂層、砂卵石層，其中新建軌道交通19號線盾構隧道主要穿越為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，同時盾構距離龍橋路端頭為14m。

根據水文地質資料、場地土層及地下水賦存條件，區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。根據勘察期間長期水位觀測孔資料，區段內地下水穩定水位埋深約2.000～15.000m，勘察期間區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號線為成都地鐵網中的骨干線路，地鐵的安全運行事關重大，社會影響大。

2 既有運營隧道變形控制標準

結合GJJT202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》，確定穿越期間的控制標準如下。

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，因此首先進行大管棚的打設及注漿工序，確保管棚施工精度不受其他加固方式影響，然后進行隧道影響范圍內的地面注漿加固。

3.1 超前大管棚加固

管棚法是利用鉆設的水平孔，以一定的角度向擬開挖的隧道前方打入鋼管或鋼插板構成棚架，當需要增加管棚強度時，可在安裝好的鋼管內注入水泥漿液，使隧道頂部形成加固的傘形保護拱，然后進行隧道掘進施工。管棚加固技術在砂卵石地層與一般地層中，不僅具有梁拱效應、加固效應，還有一獨特效應——空洞限制效應[14]。

1)梁拱效應 利用鋼管縱向成梁、橫向成拱，形成剛度較大的梁式結構，承擔上部圍巖壓力。

2)加固效應 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性質。

3)空洞限制效應 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范圍內。

為有效控制盾構下穿3號線隧道時引起的既有線隧道沉降，對盾構機上方與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環向120°范圍布設2排，每排67根，共134根，仰角為1.5°，單根管棚長38.5m，管棚分節為1.5m或2m，兩節之間采用絲口連接。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，作為止漿段。

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，采用改進的哈邁90A型液壓潛孔錘鉆機。為防止卡鉆后鉆頭侵入開挖范圍內，采用小壓力慢轉速鉆進參數，控制進尺速度。鉆具端頭安裝扶正器，采用非旋轉鉆進技術，防止鉆進過程中管棚偏斜過大，鉆進過程中間隔測量鉆進偏斜，并采用糾偏鉆頭進行糾偏。通過測量方向后視點，在鉆進過程中多次復核方向和角度。因管棚分布為弧形，作業平臺分3次進行施工，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

管棚鋼管安裝后進行注漿，并穩定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完成后即刻注漿，上層管棚根據實際情況進行注漿，補償地層損失。射漿管下入孔底，待孔底返漿后進行屏漿，然后再進行閉漿。注漿壓力為0.5MPa。

注漿施工過程中如發現掌子面漏漿，應及時用麻布進行封堵，同時在洞口頂面設置監控量測點，當發現地表隆起時，及時調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

經工程實際檢查，長管棚導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 地面預注漿加固

為進一步減小盾構穿越地鐵3號線時地層沉降，降低19號線盾構隧道對周邊地層的影響，擬在地表對地鐵3號線周圍進行注漿加固，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排地面預注漿孔，分兩序進行施工，鉆孔采用JD180多功能液壓頂驅錨固鉆機，跟管鉆進工藝；注漿采用3SNS注漿泵，灌漿采用自下而上分段阻塞方式進行，灌漿分段通過膜袋和卡塞位置來實現。

預設花管內注漿式膜袋分段阻塞灌漿法使用錨固鉆機跟管鉆進一次成孔，然后下設花管，起拔套管。在花管內，距孔底第1環膜袋注漿孔上方約20cm處下設水壓灌漿塞，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；當膜袋充分膨脹、泌水結實后，繼續升高壓力，此時密封橡皮套打開，水泥漿經花管進入孔內，繼續升壓，按每段的設計壓力，開始對地層進行灌漿。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設膜袋達到分段注漿的目的，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漿包，可達到分段注漿的目的。

在管棚施工前，先進行第1，2排預注漿鉆孔注漿施工，待形成注漿體后，再進行管棚鉆孔注漿施工，將管棚打入前端注漿體內，形成穩固的整體。注漿成果如表2所示。

表2 地面預注漿成果

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，且將砂卵石進行有效膠結，結石無側向抗壓強度滿足設計大于1MPa的要求。

4 盾構掘進控制

4.1 掘進參數控制

盾構施工過程中，進行系統、全面的監控測量，實行信息化施工。結合往期實際工程穿越砂卵石及泥巖地層施工經驗，標段擬定掘進參數如表3所示。

表3 地面加固范圍立面

4.2 渣土改良

根據國內外成功經驗，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、螺機的油壓及盾構推力，減小刀盤扭矩，減輕泥巖地層對盾構設備的磨損，提高掘進速度和設備的使用壽命，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%。

采用海瑞克盾構機，其開口率為40%，雙聯中心滾刀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)，土倉內牛腿上設置了2路泡沫管路；在刀盤中心設置1路專門加水管路，同時在土倉承壓墻設置2路加水管。

4.3 出土量控制

出渣量采用體積與質量雙重控制，盾構掘進每環時，安排土木工程師對渣土箱測量出土高度。設置渣土管理專員，收集洞內土木工程師記錄的每環實際出土量和渣土稱重記錄。每環根據出土量及稱重分析是否超方，同時對比前后3環出土量及稱重核實是否有突變情況，發現超方后渣土管理專員立即根據“信息全報，分級處理”的原則通知相關人員進行超方處置。避免盾構頻繁停機導致的風險，具體措施如下。

1)當單環超出理論方量<2%時，由盾構分部副經理下達指令，要求加大中盾注泥量，同時在后續掘進過程中提高同步注漿量及注漿壓力，通過超方位置區域時及時進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測數據反饋。

2)當單環超出理論方量的2%～4%時，由盾構分部經理下達指令要求加大中盾注泥量，同時在后續掘進過程中加大同步注漿量，通過超方位置區域時及時進行洞內深孔注漿；超方處置期間地面搶險小組加強對地面巡視及監測數據反饋，當地面出現異常時立即啟動應急打圍，確保地面安全。

3)當單環超出理論方量的4%時，項目負責人要求操作手立即停止掘進，由項目負責人組織進行超方處置，同時在10min內電話及短信通知總包、監理單位、建設公司主管部門和監管部門，由監理單位組織相關各方開會，分析原因，采取措施后方可掘進。洞內采取向盾尾及中盾注入膨潤土防止盾體包裹；同時向土倉內注入惰性漿液，注入壓力為0.3～0.35MPa。地面搶險小組負責人立即啟動應急打圍施工，主動尋找空洞，發現空洞采用C15細石混凝土進行回填，若地質松散則進行注漿加固，在進行混凝土回填或者地面注漿過程中，加強地面與洞內的聯系，避免盾構機在隱患處置過程中被包裹，隱患處置過程中增大監測頻率、及時反饋監測數據。

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，提高結構穩定性。同步注漿材料采用水泥砂漿，具有凝結時間較短、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。對漿液配合比進行不同的試調配及性能測定比較，優化出滿足不同條件下使用要求的配合比。同時在試推進施工過程中對漿液配合比根據地表沉降監測情況進行相應優化及調整。

表4 同步注漿漿液配合比 (kg·m-3)

5 施工監控量測

穿越期間通過既有運營隧道自動化監測系統對隧道結構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行自動化監測，并對道床豎向位移進行人工復核，地表沉降通過地表觀測孔進行人工測量。監測結果表明，變形均滿足要求，地鐵運營安全。

6 結語

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合的施工方案是必要且合理的。

2)砂卵石地層自穩性差，盾構施工極易出現擾動變形，在盾構施工前采用可靠的加固措施，增強地層的整體穩定性，可較大幅度降低盾構施工風險。

3)采用改進的液壓潛孔鉆進扶正技術施工管棚是可行的，同時可進行適度糾偏。