盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵施工風險綜合控制技術

劉智勇

（廣州地鐵集團有限公司 廣州 510330）

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設事業(yè)快速發(fā)展，城市交通樞紐錯綜復雜，盾構(gòu)法的應用越來越廣泛，尤其在城市地鐵建設中線路設計不可避免地下穿高層建筑物、橋梁、既有運營地鐵線及河流等，盾構(gòu)隧道施工過程中技術措施不足易造成沉降超標、建（構(gòu)）筑物開裂或傾斜、既有運營線停運、甚至塌方等安全事故，造成重大社會影響。其中隧道近距離下穿既有運營線就是一類典型案例，因此為保證在建隧道施工與建（構(gòu)）筑物、既有運營線等安全，有必要對施工階段技術進行深入研究，采取科學合理的應對技術措施。

目前國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)專家針對在建盾構(gòu)地鐵下穿既有地鐵隧道安全風險進行評估，其中關繼發(fā)［1］對安全風險及控制技術進行了深入研究；胡云龍等人［2］針對在建地鐵施工對既有線的影響進行詳細分析，其次參考了一些地鐵盾構(gòu)施工近距離下穿既有線施工［3］的類似案例以及上軟下硬或全斷面富水砂層盾構(gòu)施工技術［4-6］，采取的技術措施主要為冷凍法［7］、地面雙液漿［8-9］注漿加固，洞內(nèi)雙液漿注漿加固［10-11］等，均在實際工程中得到了廣泛的應用。目前國內(nèi)在建地鐵在上軟下硬地層條件下近距離下穿既有運營地鐵線施工案例較少，技術措施方案還需提升，本文將依托廣州市軌道交通22號線某盾構(gòu)井區(qū)間下穿既有運營地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間，采用地面定向注漿、洞內(nèi)從左線向右線定向鉆注漿、洞內(nèi)徑向超前注漿結(jié)合對運營線路自動監(jiān)測技術，成功完成下穿施工。為今后此類工況工程面臨的難題提供了新的解決技術方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廣州市軌道交通22號線某盾構(gòu)井區(qū)間長2.51 km。在區(qū)間里程ZDK38+542.909～ZDK38+523.709、YDK38+564.327～YDK38+545.127段于光明北路與東環(huán)路十字路口下穿既有運營地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間，下穿長度19.2～20.8 m。22號線隧頂埋深26.5 m，隧頂距既有3號線隧底凈距約5.5 m，先下穿3號線右線，再下穿3號線左線，如圖1所示。22號線區(qū)間采用直徑8.8 m的土壓平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)機刀盤開挖直徑8.84 m，管片外徑8.5 m，環(huán)寬1.6 m。3號線隧道處于〈5Z-2〉和〈6Z〉地層中為盾構(gòu)法隧道，隧頂埋深15.1 m，管片外徑6.0 m，環(huán)寬1.5 m。區(qū)間盾構(gòu)下穿3號線段位于東環(huán)路與光明北路交叉路口，為城市主干道，車流量較大。盾構(gòu)下穿段影響區(qū)域內(nèi)管線主要為燃氣管、自來水主管、高壓電力、雨水管、通信管等，地表環(huán)境極為復雜。

圖1 在建22號線與既有運營3號線關系Fig.1 Relationship between Line 22 under Construction and Line 3 under Operation

1.2 地質(zhì)情況

因該區(qū)間盾構(gòu)自中間始發(fā)后，在到達下穿3號線前長約300.0 m的地層中頻繁出現(xiàn)掘進參數(shù)異常，出現(xiàn)隧道拱部塌方、氣壓輔助模式掘進保壓困難、掘進刀盤扭矩大、刀具損壞異常頻繁等問題，根據(jù)渣樣分析發(fā)現(xiàn)實際地層與詳勘地質(zhì)存在較大差異，初步判斷為上軟下硬底層。受既有線地保范圍影響，詳勘階段詳勘孔間距達到50.0 m，揭示22號線左右線下穿既有3號線段均為全斷面的〈8Z〉地層（中風化混合花崗巖）。

為進一步探明下穿3號線真實地質(zhì)情況，在3號線隧道邊線3.0 m和3號線左右線隧道中間共鉆取了10個補勘孔。補勘芯樣如圖2所示，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(nèi)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%，手擰易碎，自穩(wěn)性極差，〈8Z〉地層飽和抗壓強度最小65.1 MPa、最大138.1 MPa，隧道下部較硬，RQD值為6%～12%，裂隙比較發(fā)育。根據(jù)勘查報告顯示，區(qū)間地下水主要分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。主要含水層是砂層及花崗巖風化層，穩(wěn)定地下水水位埋深3.4～4.1m，屬于典型的上軟下硬富水花崗巖地層。

圖2 下穿段補勘地質(zhì)Fig.2 Reconnaissance Geology of Underpass Section

2 近距離下穿施工風險分析

根據(jù)補勘報告，22號線某區(qū)間盾構(gòu)下穿3號線段為上軟下硬富水地層下穿既有運營線路，與詳勘全斷面〈8Z〉地層存在較大差異，盾構(gòu)施工下穿存在以下風險。

⑴超方：上軟下硬地層刀盤振動明顯，推進速度慢，刀盤轉(zhuǎn)動對上部的軟弱地層擾動大，容易出現(xiàn)上部剝落超方現(xiàn)象，造成3號線隧道沉降和蹋方等風險，嚴重時導致列車脫軌、停運。

⑵列車震動：3號線列車運行間隔頻次高，列車通過時振動，加速引起土體振動下沉。

⑶失水沉降：3號線所處〈5Z〉、〈6Z〉地層，因土體失水，容易造成3號線失水沉降或變形超限。

⑷失壓：地面地質(zhì)孔、監(jiān)測孔或裂縫嚴重漏氣，3號線洞內(nèi)管片接縫可能出現(xiàn)漏氣，造成盾構(gòu)機失壓，引起地層塌方。

⑸刀具損壞：下穿段盾構(gòu)機刀具異常損壞，掘進速度緩慢，刀盤扭矩高，被動進行開倉換刀風險。

⑹卡螺旋機：〈8Z〉地層裂隙發(fā)育，掌子面不平整，大塊巖石進入土倉難以排出，造成刀盤或螺旋機卡死。

⑺結(jié)泥餅：土倉渣土改良不當，渣溫高，刀盤中心容易結(jié)泥餅，導致掘進參數(shù)異常。

⑻竄漿：二次注漿、超前注漿、深孔注漿、水平定向注漿等漿液流竄至3號線洞內(nèi)，影響列車安全。

⑼注漿隆起：采取注漿加固措施，注漿壓力過大，可能造成3號線隆起、位移超限，影響行車安全。

⑽管線斷裂：地面出現(xiàn)較大沉降或塌方，造成燃氣和自來水主管線斷裂風險。

⑾地面塌方：造成地面交通阻斷風險。

3 綜合控制技術

3.1 地面水平定向鉆孔注漿加固

3.1.1 加固方式

采用斜孔定向TDX150鉆機，通過地面定向鉆孔，全孔下入鋼閥管，對22號線與3號線交叉重疊區(qū)域進行定點、定量預注漿，起到固結(jié)松散的全風化和強風化混合花崗巖的作用，提高其自穩(wěn)強度和抗擾動能力，同時定向鉆水平段鋼閥管也可起到管棚支護效果+跟蹤注漿的作用，從而大大降低22號線盾構(gòu)下穿3號線的風險。

3.1.2 加固范圍

水平定向鉆設計鉆孔7孔，鉆孔水平間距2.0 m，水平段（3號線下方）垂深為25.0 m。22號線左線加固平面范圍為3號線邊線外擴5.0 m（設計加固長度28.0 m），22號線邊線外擴2.0 m（設計加固寬度12.5 m），水平段鉆孔高程在22號線隧道上方1.5 m，主要加固地層是全、強風化混合花崗巖。水平定向鉆加固及垂直方向加固軌跡如圖3所示。

圖3 區(qū)間左線水平定向鉆加固平、縱斷面示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Horizontal Directional Drilling for Reinforcement of Horizontal and Vertical Sections on the Left Line of Interval（m）

3.1.3 實施技術

22號線左線設計水平定向注漿7孔（見圖4、圖5）已順利按設計方案實施完成，漿液采用超細水泥漿液、化學類漿液、普通水泥，注漿總量392.1 m3，其中超細水泥漿液在2#、3#孔試驗，注入總量為20.5 m3，可注性較差。普通水泥漿主要用于造斜段進行松散地層填充，3號線下方采用水玻璃類化學漿液，注漿量84.3 m3。每次注漿量約為1.0～1.5 m3，中間停頓1 h觀察檢測數(shù)據(jù)變化情況。通過在區(qū)間左線對應3號線隧道中間位置進行地面取芯，鉆孔深27.1 m（水平注漿加固深度24.5 m）測得抗壓強度1.5 MPa。水平段鋼閥管注漿管往上1.5 m高度范圍內(nèi)加固膠凝效果良好，具有一定的強度，與原地層相比有一定的膠凝效果，而注漿管下方1.5 m范圍加固膠凝效果不理想。

圖4 水平定向鉆實際成孔軌跡平面Fig.4 Plan of Actual Hole-forming Trajectory of Horizontal Directional Drilling （mm）

圖5 水平定向鉆布孔剖面Fig.5 Horizontal Directional Drilling Hole Profile（mm）

為了避免在盾構(gòu)掘進過程中，因水平定向鉆漏氣造成土倉壓力失壓的風險，已提前對水平定向注漿孔用水泥漿液進行封堵，僅保留4#注漿孔作為地面應急注漿措施。4#注漿孔位于隧道上方（掘進方向左側(cè)），長116.0 m，用套殼料進行封堵，強度1.0 MPa，在出現(xiàn)應急情況時，預計4 h完成掃孔后開始定點注漿，在緊急情況下也可以實現(xiàn)孔口灌漿填充。

3.2 洞內(nèi)超前注漿加固

本區(qū)間采用的2臺鐵建重工盾構(gòu)機盾體四周設置有10個超前注漿鉆孔位置，其中中部水平鉆孔6個，頂部鉆孔4個（見圖6）。結(jié)合地面水平定向鉆孔注漿加固，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水平鋼閥管之間的地層，盡可能減小土體透水性，使其形成1個半圓形密閉殼體，提高盾構(gòu)刀盤前上方土體整體穩(wěn)定性，確保下穿3號線出渣量正常，防止超方。洞內(nèi)超前注漿可通過在盾構(gòu)機中盾搭設腳手架子（見圖7）實施。

圖6 盾體超前注漿孔位置示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Advance Grouting Hole Position of Shield Body

圖7 超前注漿施工示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Advance Grouting Construction

盾構(gòu)機內(nèi)超前注漿孔設計為外插角度為8°，孔間為1.2 m，注漿擴散半徑R=1.0 m，4個注漿孔最終注漿加固的水平寬度約4.8 m。單次超前注漿加固，盾構(gòu)最多掘進3環(huán)，相鄰2次超前注漿范圍搭接長度約2 m。

左線下穿過程中計劃進行6次盾構(gòu)機內(nèi)超前注漿加固（見圖8），鉆孔過程中考慮到地下水極為豐富，采用前進式注磷酸漿止水措施，漿液配比為水∶磷酸=10∶1（體積比），待鉆到設計深度后采用后退式注入PO.42.5普通硅酸鹽水泥-水玻璃漿液，水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃40be波美度（1∶1稀釋），水泥漿∶水玻璃體積比1∶1，漿液凝結(jié)時間為38～45 s，注漿壓力為1.0～1.5 Pa，注漿量在1 m（0.5 m3）實行雙控。注漿過程中嚴格控制注漿壓力，謹防由于壓力過大漿液進入開挖倉或裹住盾體。

圖8 下穿3號線超前注漿示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Advanced Grouting under Line 3（m）

為防止超前注漿將盾構(gòu)機裹死，現(xiàn)場施工時采取如下措施：

⑴停機前，將刀盤后退，防止刀盤抱死并預留脫困空間。

⑵在注漿前必須將土倉內(nèi)保滿實土壓（或注入膨潤土保壓），可通過土倉后壁球閥進行檢測。

⑶通過往盾體徑向孔注入膨潤土漿或克泥效，填充盾體與開挖面之間的空隙。

⑷停機前及注漿期間，不間斷往鉸接密封、盾尾注入油脂，謹防漿液裹住盾體。

⑸注漿程中采取后退式注漿，通過注漿壓力及注漿量指標進行雙控。若出現(xiàn)壓力上升過快，則停止注漿，并且注漿過程中要隨時轉(zhuǎn)動刀盤，防止刀盤被漿液凝固。

3.3 洞內(nèi)定向注漿加固

左線已完成下穿3號線，水平定向注漿加固作用明顯：①增強了地層的氣密性，降低盾構(gòu)失壓的風險；②有效地防止了洞內(nèi)超前注漿對3號線的隆起，保證了超前注漿的壓力可以加大從而保證加固效果。結(jié)合左線加固經(jīng)驗，右線采用與左線相同的加固措施，即3號線右線道床加固措施、水平鉆孔注化學漿預加固措施和每3環(huán)一次循環(huán)盾構(gòu)機內(nèi)超前注漿加固措施。

因地面條件受限水平定向鉆加固難以實施，結(jié)合當前的工況具備從左線成型隧道內(nèi)向右線施工定向鉆孔注漿加固的條件，故確定了左線洞內(nèi)往右線鉆孔注漿加固，如圖9?所示，成孔距離更短，漿液類型采用與左線水平定向注漿相同的水玻璃類化學漿。

圖9 左線洞內(nèi)往右線鉆孔預注漿加固橫斷面及平面Fig.9 Cross-sectional and Plan of Pre-grouting Reinforcement by Drilling Holes from the Left Line to the Right Line（m）

在22號線左線下穿段的8環(huán)管片中，每環(huán)在10點方向拼裝1塊鋼管片，鋼管片預留2個φ108鋼閥管注漿口和2個φ42小導管注漿口，如圖9?所示，鋼閥管單根總長19.2 m，共16根，外插角約11.5°，鋼閥管與刀盤開挖直徑最近距離為0.5 m，加固擴散半徑按0.75 m設計，采用水玻璃化學漿或水泥漿，下部設計16根小導管wss注漿，加固平面范圍為13.2 m×12.5 m，如圖10所示。

圖10 左線洞內(nèi)往右線鉆孔預注漿加固Fig.10 Pre-grouting Reinforcement by Drilling Holes from the Left Line to the Right Line（m）

3.4 既有運營線自動化監(jiān)測

利用自動化監(jiān)測技術［12］對既有隧道進行24 h進行三維空間全方位、全過程的監(jiān)測。一方面，有助于快速回饋施工信息。另一方面，對既有成型隧道保護具有重要的意義。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生危險的先兆，判斷既有成型隧道以及工程施工的安全性，以便提前采取必要的工程措施，保證工程順利進行，做到信息化施工。

結(jié)合隧道下穿對3號線的影響強弱情況進行布設，位于下穿位置1倍洞徑范圍內(nèi)約45 m強烈影響區(qū)域5 m一個，共7個監(jiān)測斷面；1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內(nèi)約30 m的影響區(qū)域10 m一個，共6個監(jiān)測斷面；單線共計13個監(jiān)測斷面，如圖11?所示。

每個斷面在軌道附近的道床上布設2個沉降監(jiān)測點，中腰位置布設2個水平位移監(jiān)測點，隧道拱頂布設2個拱頂沉降監(jiān)測點，每個監(jiān)測斷面布設6個監(jiān)測點，如圖11?所示，通過自動化監(jiān)測實時監(jiān)測平臺系統(tǒng)可隨時掌握沉降情況，如圖12所示。

圖12 盾構(gòu)施工自動化監(jiān)測實時監(jiān)控平臺Fig.12 Real-time Monitoring Platform for Automatic Monitoring of Shield Construction

4 結(jié)論

本文采用地面定向注漿、洞內(nèi)定向注漿、洞內(nèi)超前注漿及自動化監(jiān)測技術，使上軟下硬地層條件下盾構(gòu)近距離下穿既有運營隧道施工安全得到了保證，同時在施工過程中深化完善技術措施，為同類型工程建設提供了有效參考。本文所得結(jié)論總結(jié)如下：

⑴區(qū)間左線隧道先行下穿既有地鐵3號線時，采用了地面水平定向鉆注漿加固左線隧道拱部土體，待左線隧道通過之后，在左線成型隧道內(nèi)側(cè)向打孔注漿加固右線隧道拱部，系統(tǒng)地形成了一套注漿加固下穿施工工藝。地面水平定向鉆可以解決地面環(huán)境復雜情況下的注漿加固難題，洞內(nèi)側(cè)向鉆孔注漿有效減少了地面水平定向鉆的工程量，加快了施工進度，同時也降低了施工造價。

⑵在上軟下硬富水地層中盾構(gòu)下穿既有線路，提前注漿加固，保證了地層的氣密性，通過工程實例驗證了水玻璃類化學漿液的可注性。實際證明，注漿壓力控制在0.5 MPa，采用少量、重復多次的注漿模式，對既有線的影響比較小，該工程注漿引起既有線道床隆起量在12 mm以內(nèi)。

⑶通過對注漿效果的鉆芯取樣試驗證明，注漿管上方漿液擴散距離比較遠，但是漿液往更深層土體的滲透不明顯，因此需要采用洞內(nèi)超前注漿加固隧道拱部1.5 m范圍土體。實踐證明，定向鉆注漿加固之后，在既有線和下穿隧道之間形成了很好的板結(jié)效應，超前注漿對既有線的變形影響不再明顯。

⑷通過上述措施，整個下穿期間，盾構(gòu)掘進引起的既有線沉降變形為1～2 mm，盾構(gòu)通過影響區(qū)之后，既有線道床隆起量最大在10 mm以內(nèi)，變形沒有出現(xiàn)負值。此套下穿施工工藝成功地解決了極其復雜的環(huán)境中盾構(gòu)上軟下硬地層下穿既有線的施工難題，為以后的盾構(gòu)下穿風險源提供了寶貴的參考價值。