全斷面砂卵石地層大直徑盾構下穿河流施工技術

【中圖分類號】 U455.43

【文獻標志碼】 A

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵建設中需要盾構掘進下穿河流構建筑物的情況逐漸增多，在實際下穿施工過程中出現(xiàn)的施工難題也在逐步顯現(xiàn)[1]。同時在砂卵石地層中，因其具有高滲透性和低粘聚力，在該地層中進行盾構施工存在較高的掌子面噴涌及管片滲漏水風險[2]。對于盾構下穿河流工程，李承翰、閆莉、梁孝等[3-5]眾多學者通過工程實測數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬以及模型試驗的方法，充分驗證了在新建盾構隧道下穿河流施工中，存在既有河流河床易沉降、河床下方出現(xiàn)空洞等難題，對河流流域安全造成威脅。

為保證既有河流構筑物的安全，避免既有結構因沉降過大產生危險，在近接施工過程，要采取措施控制既有構筑物的沉降[6。盾構工程中常通過施作圍堰排水，設置混凝土板抗浮、樁基加固土體等措施進行防護[7]。杜向凡[8]詳細介紹了從地質復合到監(jiān)控量測的盾構下穿河流施工工藝，為類似下穿施工提供了相應的經驗和參考。蔣超等針對瀏陽河躍進湖古河道下穿工程，利用高壓旋噴樁進行加固形成復合地層，極大提高了盾構掘進效率。劉建國[\"0]從盾構姿態(tài)控制與掘進參數(shù)設定入手，論述了盾構下穿布吉河的關鍵施工技術措施。吳恒生[1]、鐘可等[1]針對砂卵石地層盾構掘進出現(xiàn)的難題進行分析，總結出了富水砂卵石斷面快速掘進施工技術，降低了盾構施工噴涌風險。

軌道交通19號線作為大直徑盾構工程，始發(fā)即下穿江安河，掘進過程全斷面處于砂卵石地層之中，施工安全風險較大[13]，本文對19號線盾構下穿江安河加固技術進行了深入的研究，采用了河床鋪底結合河堤支護跟蹤注漿的加固方案以確保穿越過程既有河流構筑物的安全，同時精細控制下穿過程中盾構掘進參數(shù)，減小對開挖砂卵石地層擾動。

1工程概況及施工難點分析

1.1 工程概況

成都軌道交通19號線二期工程中間風井至雙流機場站區(qū)間盾構左右線始發(fā)后在左線里程 ZCK78+378～ZCK78+ 419處立即下穿都江堰內江主要干渠江安河，穿越長度41m，如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道穿越江安河平面

成都軌道交通19號線隧洞采用外徑 8.3m 內徑為7.5m 的盾構管片，穿越段頂部埋深為 12.7m 。干渠江安河長95.8km ，過水能力 154m³/s ，控灌農田 20846.66hm² ，河道為天然河道，河床為卵石鋪筑。區(qū)間隧道與江安河縱向位置關系如圖2所示。

1.2 地質水文情況

成都軌道交通19號線隧道穿越江安河區(qū)段所穿越的地層全部為 lt;5-8-3gt; 密實砂卵石地層，該地層密實、飽和，卵石含量 50%～75% ，粒徑 2～20cm 。分選性較差，磨圓度一般，局部夾少量圓礫，中細砂充填。

江安河河水在都江堰寶瓶口從岷江進行調蓄和分流，根據(jù)江安河水文站數(shù)據(jù)，枯水期水流流量較少，河床水流平均深度為 0.3～1m ，在豐水期，河床平均水流深度為 1.5～2m_? 。

根據(jù)在勘察期間所獲得的長期水位觀測孔數(shù)據(jù)，穿越區(qū)段地下水埋深約為 2～15m ，勘察期間，區(qū)間范圍的地下水位埋深約為 1.5～20m ，某些地區(qū)受到人工降水的影響，地下水位最深可達 25m ，水位變化范圍較廣，含水層有效厚度約為20～40m 。

圖2區(qū)間隧道與江安河位置關系剖面

1.3下穿施工難點分析

根據(jù)成都軌道交通19號線區(qū)間下穿江安河地質情況、地下水情況，新建盾構隧道19號線穿越江安河施工存在諸多不穩(wěn)定因素和安全風險，主要表現(xiàn)在幾個方面：

（1）盾構始發(fā) 50m 后即下穿江安河，此時盾構仍處于始發(fā)掘進階段，面臨始發(fā)時盾構機對地層的擾動、河床下方出現(xiàn)空洞等施工難題。

（2）整個掘進過程中盾構斷面均位于砂卵石地層，盾構機掘進參數(shù)控制難度大、渣土改良效果要求高、掘進期間更易發(fā)生噴涌風險。

（3）盾構施工中對地面監(jiān)測精度高，要求測量數(shù)據(jù)反饋迅速，以指導盾構機參數(shù)及時調整，

2既有河流構筑物變形控制標準

結合 GJJT202-2013 《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》與相關管理部門審核批準確定了穿越期間的控制標準與要求：（1）地表最大隆沉量范圍 +10mm～-30mm ；（2）管片結構沉降范圍 ?-30mm ;（3）管片結構凈空收斂范圍?-16mm ；（4）河面不出現(xiàn)大面積冒頂、空洞旋渦等現(xiàn)象。

3 河道加固措施

為了減小對江安河河道的影響，保障新建地鐵隧道的安全穿越，在19號線下穿江安河施工中采取“河床鋪底 + 河堤支護跟蹤注漿”的聯(lián)合加固措施。為保證河床鋪底作業(yè)及河堤跟蹤注漿施工的順利進行，需要在江安河枯水期先進行圍堰導流施工，為后續(xù)作業(yè)提供條件。河床露出后，同時進行河堤支護與河床鋪底作業(yè)，最后對河堤支護結構進行跟蹤注漿加固，施工結束后拆除圍堰恢復河道。

3.1河床鋪底加固

（1）河床清理。圍堰分期導流后，采用小型挖掘機清除河床表層含淤泥的污染的砂卵石，清除厚度不小于 40cm ，并對清除后開挖面整平、壓實。

（2）鋼筋網鋪設。如圖3所示，鋼筋網片采用 ?12 的鋼筋加工，網格尺寸為 25cm×25cm 。鋼筋網每根鋼筋搭接一個網格，長度不小于 10cm ，搭接點采用點焊連接，鋪設須平順。同時為了保證護底的穩(wěn)定性，在護底上下游處設 0.5× 1.5m 混凝土基腳。

（3）混凝土澆筑。鋼筋網片鋪設完成后進行混凝土澆筑，混凝土采用商用C25P8混凝土，澆筑厚度為 20cm 。混凝土必須一次澆筑成形，不留施工縫、杜絕混凝土冷縫，保證混凝土板的整體性。

圖3江安河兩側護坡及護底配筋（單位： mm ）

3.2 河堤加固措施

3.2.1河堤支護加固

根據(jù)軌道交通19號線下穿施工要求，江安河河道整治寬度定為 40m ，須對既有河道進行拓寬 10m 后在自然護坡面增設 20cm 厚 67.63m 長的C25P8鋼筋混凝土護坡面，護坡面坡比為1：1，高度為 4m 的護坡面，底部設置 寬 ×0.9m 高的護坡基礎，護面及底部基礎采用 ?12@250 mm 的單層雙排鋼筋。在對側條形擋墻上采用M10砂漿進行掛網抹面施工，抹面長度為 76m ，抹面高度為 2m ，河流兩側護坡及護底剖面如圖4所示。

圖4江安河兩側護坡及護底剖面

3.2.2河堤注漿加固

在進行鋪底施工期間已對江安河兩側既有河堤進行了護坡及掛網支護；第二次穿越江安河為全斷面泥巖地層，泥巖厚度達到 6.7m ，施工風險較低，采取洞內控制措施。在第一次穿越江安河期間標段將根據(jù)盾構機穿越江安河的掘進參數(shù)及地面的監(jiān)測情況對兩側河堤進行跟蹤注漿加固。

3.2.2.1 加固范圍

對兩側河堤進行加固，如圖5所示，加固河堤寬度為9.75m ，長度為左/右線兩側1倍洞徑 （8.3m） ），加固深度為隧道拱頂以上1倍洞徑范圍，見圖6。注槳孔布置為間距為3m×3m 梅花形布置。

3.2.2.2 設計參數(shù)

設計采用袖閥管注漿工藝，垂直注漿加固深度為隧道拱頂1倍洞徑范圍，注純水泥漿。漿液水灰比為水：水泥 τ=1：1 注漿壓力控制在 0.4～1MPa 。單孔注漿要求少量多次、反復灌漿；每段注漿都正常進行，注漿壓力達到設計終壓并繼續(xù)注漿 10min 以上，或雖未達到設計終壓，但注漿量已達到設計注漿量，即可結束本孔注漿。

3.2.2.3 施工方法

（1）孔位放線。按照圖5中的鉆孔布置圖放出孔位，根據(jù)施工現(xiàn)對孔位進行適當調整。

圖5地表跟蹤注漿加固區(qū)域平面

圖6地表跟蹤注漿加固區(qū)域剖面

（2）鉆孔安裝袖閥管。鉆機就位后，檢查鉆機水平及鉆桿垂直度，在鉆孔過程中對鉆孔偏差度進行檢查，要求鉆孔偏差度 ?1% 。

鉆到設計深度后，先用清水沖洗孔，插入袖閥管到設計深度，對袖閥注漿管進行封口，袖閥管頂露出地面上 20cm 。

（3）漿液拌制。袖閥管注漿材料采用水泥漿液。注漿孔間距在施工中根據(jù)實際地層情況，和試驗結果調整，并通過試驗確定有關注漿施工參數(shù)。每次注漿后應及時清洗袖閥管，以便施工過程中進行跟蹤注漿。

（4）注漿作業(yè)。當?shù)乇怼⒅車晁⑽鬯疂B漏出水泥漿液時，應當暫停注漿，等待一段時間。恢復注槳后，如地表繼續(xù)漏漿，證明地層縫隙已被水泥漿填充，立即停止注漿。

注漿結束后，立即采用快干混凝土封堵注槳孔，防止水泥漿液從注漿管中噴出。

（5）注漿質量檢測。經地基加固處理后的地層應具有良好的整體性和均質性，通過取芯經實驗測定，要求其無側限抗壓強度不小于 1MPa 。

4盾構掘進參數(shù)控制

4.1總體掘進參數(shù)

盾構在穿越河流全過程中采用土壓平衡模式進行掘進施工，同時進行系統(tǒng)、全面的監(jiān)控測量，實行信息化施工。為保證土體的穩(wěn)定、地表建筑物和施工安全，避免在穿越過程中的超方風險，主要通過掘進參數(shù)控制，根據(jù)掘進的砂卵石地層，擬定參數(shù)如表1所示。

根據(jù)盾構掘進段地質情況及時調整掘進參數(shù)，做好渣土改良，保持土壓平衡模式掘進，控制超挖量。盾構掘進渣土以方量和龍門吊稱重雙重控制。

表1下穿江安河掘進參數(shù)

砂卵石地層原則上超欠方量應控制在理論出渣方量的3% 以內，同時砂卵石地層渣土松散系數(shù)不大于1.2。同步注漿實行注漿壓力和注漿量雙控模式，注漿壓力不宜低于0.15MPa 且不大于 0.4MPa ，同步注漿填充系數(shù)應不低于1.5。泥巖地層嚴格控制土倉壓力，泥巖地層渣土松散系數(shù)取值為1.6～1.7 。同步注漿壓力不宜低于 0.15MPa 且不大于0.4MPa ，同步注漿填充系數(shù)應不低于1.25。單環(huán)超方量超出理論出渣量的 8% 或三環(huán)累積超方量超出三環(huán)理論總量的 6% 時，施工單位必須立即停止掘進，加強河床及地面監(jiān)測，及時主動尋找空洞并采用C15水下混凝土進行回填處理。

4.2渣土改良

根據(jù)國內外相關工程經驗，本工程擬采用以添加泡沫為主，采用以添加泡沫為主，聚合物為輔外加劑施工進行渣土改良，降低刀盤、螺機的油壓及盾構推力，減小刀盤扭矩，減輕全斷面砂卵石地層對盾構設備的磨損，提高掘進速度和設備的使用壽命，提高渣土的流動性。此外，在刀盤中心前方、土倉中心和土倉上方都可進行加水改良渣土流塑性，提高渣土改良效果，防止刀盤結泥餅。

標段采用海瑞克盾構機，其刀盤配置如圖7所示。開口率設置為 40% ，配置雙聯(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 ，面刀刀間距 90mm 。渣土改良系統(tǒng)均須采用\"單管單泵”的設置。在刀盤面板設置了8路泡沫管 ⁺1 路膨潤土管路，在土倉牛腿上增設兩路泡沫管路，同時在刀盤中心設置1路專門加水管路，每臺泵的工作能力為 1.2m³/h 。

4.3壁后注漿

壁后注漿按“注漿量為主，注漿壓力為輔”的雙控原則進行。19號線盾構下穿江安河工程中使用同步注漿與二次注

圖7海瑞克刀盤配置

漿工藝進行聯(lián)合施工。

（1）同步注漿。采用水泥砂槳作為注漿材料，按照同步漿液：增稠劑 =2：1 的比例混合后注入管片背后，縮短同步槳液初凝時間，促使?jié){液快速初凝，保證成型隧道質量。水泥采用42.5抗硫酸硅酸鹽水泥，以提高注漿結石體的耐腐蝕性，使管片處在耐腐蝕注漿結石體的包裹內，減弱地下水對管片混凝土的腐蝕，根據(jù)相應施工經驗，同步注漿配合比如表2所示。

表2同步注漿配合比 單位： kg/m³

（2）二次注漿。盾構穿越河流期間，為保證管片外壁與地層間隙填充密實，需將洞內二次注漿作為一項常備工序。注漿材料采用水泥漿-水玻璃漿液；初擬為水泥漿水灰比0.8：1～1：1 ，水泥漿與水玻璃漿液的比1：1，漿液濃度應根據(jù)地層情況調整，注漿量控制在 0.5～1.5m³ 之內，以壓力控制為主，注漿壓力控制在 300～400kPa 范圍內，注漿時密切注意管片的變化，在管片脫出盾尾 4～5 環(huán)的位置進行注漿。

此外，在砂卵石地層中必須每10環(huán)進行全環(huán)管片注漿，漿液采用雙液漿，形成止水環(huán)，加強管片壁后二次注漿量，確保管片壁后填充飽滿；必要時在管片脫出盾尾2～3環(huán)后向管片拱頂及腰部注入純水玻璃，加快同步注漿的凝固時間，防止管片上浮。

4.4 洞門封堵

19號線盾構下穿江安河施工中盾構機始發(fā)后約 50m 即穿越江安河，所以在完成第4環(huán)推進后，如圖8所示，立即封堵洞圈，待到洞門完全封堵后方可繼續(xù)向前掘進。

為防正盾尾被漿液固結包裹，應先向盾尾注入足量的盾尾油脂及膨潤土，然后通過管片預留注漿孔對洞口圈注雙液漿進行封堵，注漿順序須從頂部向下進行注漿。并采用二次注漿機進行填充注漿，填充漿液為水泥－水玻璃雙液漿，漿液初凝時間暫定為 20s ，同時根據(jù)現(xiàn)場雙液漿凝結速度及洞門封堵情況調整配合比。注槳壓力不宜過大，避免填充注漿時損壞洞門密封裝置。注漿過程中若洞門密封裝置有少量漿液滲漏采用棉絮封堵，滲漏點封堵固結后再繼續(xù)填充注漿，使管片與周邊土體填充密實，形成止水環(huán)，達到封堵洞門的效果。洞門注漿回填完成后，盾構機開始正常掘進，同步注漿與掘進同步進行。

圖8始發(fā)洞門密封示意

5施工質量監(jiān)控量測

為全面反映工程施工過程中周圍環(huán)境的變化情況穿越期間根據(jù)質量技術要求和現(xiàn)場施工具體情況。通過預埋監(jiān)測點監(jiān)測系統(tǒng)對江安河水位、河堤水平位移、河床豎向位移、地表沉降、地中位移、管片結構豎向位移、管片結構凈空收斂等7項內容進行監(jiān)測，并對變化異常的數(shù)據(jù)進行人工復核。

同時為確保盾構安全順利通過建筑物，隨時掌握建筑物變形情況，提高監(jiān)測頻率。掘進面前后 lt;20m 時監(jiān)測頻率2次/天；掘進面前后 20～50m 時監(jiān)測頻率1次/天;掘進面前后 gt;50m 時監(jiān)測頻率2次/周，直至所有沉降監(jiān)測均持續(xù)至沉降穩(wěn)定為止，并滿足規(guī)范要求。經過監(jiān)測變形均滿足要求，河流構筑物安全。

6 結論

本文依托成都軌道交通19號線下穿江安河工程，通過技術理論與實踐相結合，進行深入的研究，創(chuàng)新性提出全斷面砂卵石地層大直徑盾構下穿河流施工工法，有效提高了全斷面砂卵石地層盾構掘進效率，保證了都江堰干渠江安河和軌道交通19號線施工的安全，主要研究結論如下：

（1）在全斷面砂卵石地層近距離下穿河流工程中，通過對掘進參數(shù)、渣土改良系統(tǒng)等方面進行創(chuàng)新、優(yōu)化以及設備改造，降低了刀盤結泥餅率、保證隧道成型質量、優(yōu)化注槳方式控制管片上浮、監(jiān)控測量提高測量精度等方式，是必要且合理的。

（2）砂卵石地層的自穩(wěn)性較差，進行大直徑盾構掘進施工極易出現(xiàn)擾動引發(fā)變形問題，采用適當?shù)募庸檀胧Φ貙舆M行加固處理，可以提升地層的整體穩(wěn)定性，降低掘進施工風險。

（3）全斷面砂卵石地層大直徑盾構下穿河流施工工法應用于軌道交通19號線實際施工中各項參數(shù)正常，現(xiàn)場安全可控。成型隧道質量良好，創(chuàng)造了較高的經濟效益和社會效益，工法應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]何川，封坤，方勇.盾構法修建地鐵隧道的技術現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（1）：97-109.

[2] 萬澤恩，李樹忱，趙世森，等.富水砂性地層盾構渣土改良試驗與噴涌防治技術[J].土木工程學報，2022，55（3）：83-93.

[3] 李承翰.淺埋砂卵石地層盾構地鐵隧道下穿河流段安全性分析[D].西安：長安大學，2021.

[4] 閆莉，張智慧，朱興.地鐵隧道下穿河流施工遇富水軟弱地層的控制技術[J].城市軌道交通研究，2021，24（3）：138-141.

[5] 梁孝，漆泰岳，陳鵬濤，等.下穿河流盾構隧道的風險評價體系研究［J].鐵道建筑，2020，60（8）：64-68.

[6] 王偉，辛振省，彭加強.土壓平衡式盾構下穿河流施工技術研究[J].鐵道標準設計，2011（4）：92-94.

[7] 李明華，張娟.盾構下穿橋梁及河流關鍵技術方案[J].鐵道建筑，2015（7）：54-57.

[8] 杜向凡.淺析盾構下穿河流施工技術[J].中國設備工程，2023（11）：217-219.

[9]蔣超，劉振興，蔡光偉，等．盾構穿越古河道復合地層預加固方法及掘進效果分析[C].施工技術（中英文），2022：5.

［10］劉建國.深圳地鐵盾構隧道施工技術與經驗［J].隧道建設，2012，32（1） ：72-87.

[11] 吳恒生.盾構法全斷面富水砂卵石地層長距離下穿開元湖快速掘進施工技術［J].施工技術（中英文），2021，50（19）：49 -53.

[12]鐘可，傅鶴林，張加兵.富水砂卵石地層中超近距離盾構下穿既有運營隧道加固方案研究［J].公路工程，2018，43（5）：10-16+68

[13] 萬澤恩，李樹忱，趙世森，等.富水砂性地層盾構渣土改良試驗與噴涌防治技術[J].土木工程學報，2022，55（3）：83-93.