石 超

(中鐵二十五局集團(tuán)第五工程有限公司 山東青島 266000)

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通迅速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)下穿管線和建筑物的幾率越來越高，同時(shí)面臨管線遷改難度大、周期長、費(fèi)用高等問題，建設(shè)過程遇到的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，在特殊地層中如何安全平穩(wěn)地完成下穿施工尤為重要。

針對(duì)砂卵石復(fù)合地層施工和下穿管線、建筑物盾構(gòu)施工等問題，已有多人進(jìn)行了研究和總結(jié)。例如王明年等[1]以成都地鐵1、2號(hào)線部分區(qū)間為例，通過建立模型研究卵石土盾構(gòu)隧道開挖面變形及破壞問題的影響因素；馮歡歡等[2]基于成都地鐵4號(hào)線一期工程4標(biāo)卵石地層盾構(gòu)施工情況，著重對(duì)于小半徑曲線段掘進(jìn)、滯后沉降控制等進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對(duì)措施；喬鳳龍[3]以南京地鐵1號(hào)線南延線為依托，介紹了盾構(gòu)機(jī)通過軟弱地層時(shí)對(duì)地面建(構(gòu))筑物的沉降控制措施；徐朝輝[4]、周雷[5]、吳向州[6]分別以長沙地鐵1號(hào)線、北京地鐵10號(hào)線、廣州地鐵為例，介紹盾構(gòu)機(jī)穿越建筑物的施工措施；章龍管[7]、康洪信[8]等人分別以成都1號(hào)線、南寧地鐵1號(hào)線為例總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂卵石層、砂層施工、沉降控制關(guān)鍵技術(shù)；段浩等[9]介紹盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層建筑物施工技術(shù)；李永剛[10]結(jié)合南寧地鐵1號(hào)線介紹富水圓礫地層盾構(gòu)下穿建筑物預(yù)注漿加固技術(shù)；陳德國[11]介紹成都地鐵5號(hào)線盾構(gòu)近距離下穿河底大直徑承壓管道臨遷、置換、注漿施工等關(guān)鍵技術(shù)；袁東鋒等[12]以廣州地鐵14號(hào)線為背景，對(duì)富水砂層盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物水平定向鉆孔注漿技術(shù)進(jìn)行了研究，證明該工藝對(duì)控制建筑物不均勻沉降效果明顯；裴洪濤[13]結(jié)合西安地鐵2號(hào)線南延段提出了采用膨潤土土體改良通過全斷面富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)；楊永強(qiáng)[14]結(jié)合西安地鐵2號(hào)線實(shí)際，探討總結(jié)土壓平衡盾構(gòu)全斷面砂層碴土改良和沉降控制等施工關(guān)鍵技術(shù)；任光輝等[15]通過建立有限元模型，對(duì)隧道下穿給水管道貝雷梁懸吊結(jié)構(gòu)保護(hù)方法進(jìn)行了研究。

研究成果表明:基本采用的都是解決地面可觀測的沉降和土壓平衡機(jī)土壓模式掘進(jìn)出現(xiàn)的問題。廣州地鐵18號(hào)線地質(zhì)復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)在砂卵石復(fù)合地層推進(jìn)過程中易結(jié)泥餅、推力和扭矩迅速增加，無法推進(jìn)。受地形和地質(zhì)限制，管線也無法進(jìn)行懸吊施工。針對(duì)廣州地鐵的特殊地質(zhì)和工程實(shí)際情況，提出了輔助氣壓模式推進(jìn)，同時(shí)通過暴露管節(jié)便于觀測沉降、改造機(jī)械、使用新材料等手段順利下穿管線。為盾構(gòu)機(jī)在特殊地層下穿管線提供了新的思路和方法，以此為類似工程施工提供參考和借鑒。

2 工程背景

2.1 工程簡介

廣州地鐵18號(hào)線HP3中間風(fēng)井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間，全長約為2 912.2 m，HP3中間風(fēng)井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間2臺(tái)φ8.8 m盾構(gòu)機(jī)下穿南沙區(qū)黃閣水廠2條φ1.6 m原水供水管線(與盾構(gòu)區(qū)間軸線夾角12°)，左線在ZDK26＋694.23～ZDK26＋755.64(697環(huán)～736環(huán))位置下穿，右線在YDK26＋760.69～YDK26＋810.03.54(738環(huán)～769環(huán))位置下穿，下穿水管隧道埋深約16.2～17.4 m，管線和區(qū)間平面圖見圖1。

圖1 管線和區(qū)間平面圖

黃閣水廠的原水管道建于2007年，設(shè)計(jì)輸送量44萬m3/d。管道材質(zhì)9采用PCCP管(鋼筒預(yù)應(yīng)力砼管、6 m/節(jié))，雙膠圈承插接口，接口外側(cè)現(xiàn)澆抗?jié)B砂漿保護(hù)層，中心間距3.35 m，水壓約0.25 MPa。由于修建年代長，地層沉降極易引起管節(jié)漏水。管道底部埋深4～5 m，底部全線采用直徑600 mm攪拌樁進(jìn)行過地基處理(該段管底以下樁長9 m，橫向單排6根，凈間距0.6 m，排間凈距0.9 m)，管線和區(qū)間總斷面圖見圖2。

圖2 管線和區(qū)間斷面圖

2.2 工程地質(zhì)

隧道洞身綜合圍巖分級(jí)為Ⅴ～Ⅵ，盾構(gòu)穿越地層上斷面為砂卵石，粒徑以30～50 mm為主，厚度大約3.5 m，中斷面為粉質(zhì)黏土，厚度約1.7 m，下斷面為泥質(zhì)粉砂巖，厚度約3.6 m，強(qiáng)度30～40 MPa。砂卵石地層屬于松散土體，自穩(wěn)性較差，盾構(gòu)穿越過程會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，造成卵石層塌落、坍塌。具體地質(zhì)情況見圖3，本區(qū)域地下水位以上土體腐蝕性指標(biāo)，pH指標(biāo)5.4為酸性。

圖3 地質(zhì)斷面圖

3 盾構(gòu)機(jī)下穿水管施工工藝

對(duì)盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的混凝土管采用開挖監(jiān)測注漿加固措施，將混凝土管線上方的土體進(jìn)行開挖，開挖深度為管線頂部暴露出來為止，開挖完成后在管節(jié)上布置監(jiān)控量測點(diǎn)，監(jiān)控管節(jié)的沉降情況，及時(shí)進(jìn)行注漿保護(hù)。

盾構(gòu)掘進(jìn)采用氣壓輔助模式推進(jìn)，加大水的注入量，改善土體和易性，將同步注漿液更換為厚漿，二次注漿量加大，掘進(jìn)過程中，盾體上方開孔并注厚漿，填塞盾體與土體之間的空隙，盾構(gòu)機(jī)脫離管道10環(huán)后，及時(shí)對(duì)管道下方的土體進(jìn)行地面注漿加固，該段注漿完成監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行回填，最后進(jìn)行地面恢復(fù)。

3.1 鋼板樁施工

鋼板樁采用H型鋼。開挖長度為79 m，開挖寬度為11.2 m。靠近道路邊坡一側(cè)采用鋼板隔離樁防護(hù)，隔離樁距離水管邊緣1 m，防護(hù)長度為101.2 m，另一側(cè)采用放坡開挖，放坡坡腳距離水管邊緣1 m，放坡坡度為1∶1。沿南沙大道邊坡位置，施作鋼板樁進(jìn)行開挖支護(hù)，在施工中盡量一次打到位置，不能往復(fù)地震動(dòng)或抽拔樁體。

3.2 管節(jié)上方土體開挖

在開挖前，做好開挖區(qū)域坡頂、地面截排水工作。開挖至暴露管節(jié)位置，管頂下20 cm，開挖基坑平面尺寸2 m×5 m。

開挖過程中，有鋼板樁支護(hù)區(qū)域可以采用垂直開挖，保證結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性。其余三面直接開挖區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)情況放坡1∶1，保持開挖面的穩(wěn)定。

該段水管頂部距離地面深度為2.6～2.8 m，距水管頂部50 cm范圍的土體采用人工開挖清理，其余部分采用機(jī)械開挖。開挖采用由一端向另一端開挖(由小里程向大里程進(jìn)行開挖)，開挖防護(hù)見圖4。挖掘機(jī)位于未破除的混凝土路面上，避免機(jī)械對(duì)水管造成擠壓，路面隨開挖隨破除，機(jī)械位于兩側(cè)田地時(shí)，機(jī)械下方鋪墊鋼板，并且盡量減少機(jī)械的來回移動(dòng)。

圖4 開挖防護(hù)橫斷面圖

3.3 布置監(jiān)控量測點(diǎn)

管子上方的土體開挖完成后，直接在每個(gè)供水管上布置監(jiān)控量測點(diǎn)，每節(jié)水管布置2個(gè)點(diǎn)，兩端各1個(gè)，兩個(gè)管子土體中間布置1個(gè)點(diǎn)，并取得初始值。邊坡設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)、鋼板樁測斜監(jiān)測，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)情況，信息化施工。監(jiān)控點(diǎn)布置見圖5。

圖5 監(jiān)控量測點(diǎn)布置

3.4 過水管盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵施工技術(shù)

3.4.1 砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)高扭矩的問題

由于盾構(gòu)穿越地層，上斷面為卵石，粒徑以30～50 mm為主，厚度大約3.5 m，中斷面為粉質(zhì)黏土，厚度約1.7 m，下斷面為泥質(zhì)粉砂巖，厚度約3.6 m，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa。在同地質(zhì)實(shí)驗(yàn)掘進(jìn)時(shí)，全土壓推進(jìn)，推進(jìn)速度慢，刀盤推力和扭矩急劇增大，推進(jìn)經(jīng)常出現(xiàn)跳閘斷電、超挖量大、刀盤出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，對(duì)刀具的磨損也很大。鐵建重工目前φ8.8 m盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)速一般在1.5 r/min，扭矩達(dá)到17 000 kN·m時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳閘斷電。

解決措施:

(1)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)采用2/3倉位氣壓輔助模式推進(jìn)，在推進(jìn)中加大泡沫管氣體的比例往土倉內(nèi)加壓以達(dá)到一個(gè)平衡的氣壓狀態(tài)，上部壓力增加0.02 MPa。

圖6 注水點(diǎn)位置

(2)對(duì)注水系統(tǒng)進(jìn)行改造，在刀盤腰部往上部位，增加一臺(tái)泵膨潤土泵(BW250)從2個(gè)孔位(見圖6)向土倉內(nèi)打水，改善渣土的和易性。

(3)采用優(yōu)質(zhì)的泡沫劑和膨潤土，由于膨潤土用量加大，在膨潤土罐上增加一臺(tái)CMC制備機(jī)快速使膨潤土達(dá)到可使用狀態(tài)，每環(huán)推進(jìn)前，一定將膨潤土和泡沫劑打滿。

(4)刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5 r/min，貫入度控制在35 mm/r以內(nèi)，推力為46 000 kN，扭矩為12 000～14 000 kN·m。

3.4.2 砂卵石復(fù)合地層氣壓掘進(jìn)地面易沉降問題

盾構(gòu)掘進(jìn)斷面上半斷面為砂卵石層，采用氣壓輔助模式推進(jìn)會(huì)造成超挖，地面容易產(chǎn)生較大沉降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使掌子面特別是拱頂發(fā)生坍塌。經(jīng)分析原因，主要是以下3個(gè)方面引起的沉降，即:刀盤掘進(jìn)引起的沉降、盾體間隙引起的沉降、脫離盾體引起的沉降。

解決措施:

(1)推進(jìn)速度不小于40 mm/min。

(2)通過油缸行程、土斗量測及龍門吊稱重等嚴(yán)格控制出土量。掘進(jìn)每環(huán)出土量:

每環(huán)出土量重量:

電瓶車渣斗容量為25 m3，實(shí)際每斗容量為24 m3，即推進(jìn)油缸推進(jìn)13.5～15 mm時(shí)出土0.5斗，推進(jìn)27～30 mm時(shí)出土1斗，空斗重量為14.2 t，裝滿土后66 t左右，盾構(gòu)機(jī)可以根據(jù)出土量判斷盾構(gòu)機(jī)頭盤附近是否發(fā)生坍塌，以便及時(shí)采取措施。

(3)由于刀盤直徑比盾體大4 cm，造成盾體與周圍土體之間產(chǎn)生2 cm的空隙，為填補(bǔ)盾體與土體之間的空隙，掘進(jìn)過程中，盾體徑向開孔(頂部2個(gè))并向盾體周圍土體注入厚漿，注漿量為1.5～2 m3，厚漿的拓展度為260 mm，厚漿配合比見表1。

表1 厚漿配合比 kg

(4)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，及時(shí)跟進(jìn)同步注漿，適當(dāng)增大同步注漿量，注漿系數(shù)值取1.8～2.0，注漿壓力控制在0.25～0.3 MPa；注漿量由13 m3增大到15～17 m3。同步注漿使用厚漿，配比和盾體使用厚漿一致。同一環(huán)同步注漿點(diǎn)位不得少于2個(gè)，且必須左右都開孔注漿，注漿孔位在3、9點(diǎn)以上。

(5)管片脫出盾尾5環(huán)后立即進(jìn)行二次注漿，漿液為水泥、水玻璃雙液漿、注漿壓力0.4～0.6 MPa；同時(shí)根據(jù)地層水量及時(shí)施作止水環(huán)(注漿點(diǎn)6個(gè)點(diǎn))?？s短漿液的凝固時(shí)間，將漿液的凝膠時(shí)間調(diào)整至0.45 min；二次注漿不小于3 m3。二次注漿需形成環(huán)箍(注漿點(diǎn)6個(gè)點(diǎn))，必須對(duì)每環(huán)注漿效果進(jìn)行檢查，未達(dá)到要求需再次注漿，多層次、多梯度注漿控制地層沉降。

3.4.3 掘進(jìn)中管節(jié)沉降注漿及后期加固注漿問題

該混凝土管接頭最大下沉量為傾斜5°，一節(jié)管子6 m，最大相對(duì)下沉值為tg5°×6＝5.2 cm，考慮到該水管已經(jīng)埋設(shè)10年，根據(jù)目前暴露的水管接頭量測水管的相對(duì)誤差實(shí)際數(shù)值(管節(jié)不平順，最大高程差2 cm)，根據(jù)專家意見，為安全考慮，取(＋5 mm，-20 mm)作為監(jiān)控預(yù)警值，具體見表2。

表2 監(jiān)測控制指標(biāo)

在盾構(gòu)切口到達(dá)前1倍洞徑時(shí)和盾尾通過后3 d監(jiān)測頻率為1次/2 h；盾尾通過3 d后(約20～50 m內(nèi))，監(jiān)測頻率為4次/d；盾尾通過超過50 m后監(jiān)測1個(gè)月，監(jiān)測頻率為2次/d，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止對(duì)管線的監(jiān)測。

解決措施:

(1)淺層注漿:當(dāng)相鄰管子下降差值接近2 cm或每次變化速率大于2 mm時(shí)，立即采用WSS鉆注一體機(jī)進(jìn)行淺層注漿加固填充，注漿鉆孔位置在管節(jié)位置，注漿孔的深度在管頂下方3 m范圍。注漿采用1∶1的水泥、水玻璃雙液漿。以沉降量作為控制指標(biāo)，當(dāng)管節(jié)上升到預(yù)警值內(nèi)時(shí)停止注漿。淺層注漿目的是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，在管節(jié)下方形成支撐，延緩?fù)馏w繼續(xù)下沉，同時(shí)隨著快速凝固的漿液體積的加大，將沉降部位頂起，恢復(fù)到原來狀態(tài)，是暫時(shí)性保護(hù)措施。

(2)深層注漿:當(dāng)盾構(gòu)機(jī)通過該段10環(huán)后，對(duì)該段地層進(jìn)行深層注漿加固，注漿采用WSS鉆注一體機(jī)進(jìn)行注漿加固，注漿深度為水管底下9 m，注漿采用1∶1的水泥、水玻璃雙液漿，注漿量由監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，注漿對(duì)管抬升不得超過5 mm。深層注漿目的主要是填充盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起的卵石層超挖，形成的空洞或地層下沉。深層注漿加固是永久性加固措施，深層注漿的注漿效果可采用地質(zhì)鉆機(jī)探孔取芯來進(jìn)行檢測。淺層、深層注漿見圖7。

圖7 淺層、深層注漿示意

3.5 回填恢復(fù)地表

監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，將監(jiān)測點(diǎn)引至地面，具體見圖8，對(duì)水管上方進(jìn)行土體回填，管道頂部50 cm以內(nèi)，采用人工回填，回填優(yōu)質(zhì)黏土或砂土，分層回填碾壓，保證壓實(shí)密度達(dá)95%?；靥钔瓿珊?，進(jìn)行地面硬化，恢復(fù)交通。

圖8 監(jiān)控量測上引施工

4 砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)穿越水管效果及施工要點(diǎn)

廣州地鐵18號(hào)線HP3中間風(fēng)井～HP4盾構(gòu)井區(qū)間左線經(jīng)過7 d時(shí)間通過管線，右線耗時(shí)5 d通過管線。地面最大沉降量為1.8 cm，最終沉降量穩(wěn)定在1 cm以內(nèi)，施工速度快，施工安全可控。

(1)由于盾構(gòu)機(jī)上方土質(zhì)較差，管頂土方開挖采用只挖管節(jié)部位，避免長距離開挖，產(chǎn)生土體位移，對(duì)一側(cè)的道路造成影響。

(2)嚴(yán)格控制出土量，保證不多出土，是控制沉降的關(guān)鍵。采用油缸行程、土斗量測及龍門吊稱重等三控體系，準(zhǔn)確地計(jì)算出土量。如發(fā)現(xiàn)出土超出設(shè)計(jì)方量10 m3以上，應(yīng)立即停機(jī)，土倉內(nèi)注滿膨潤土，刀盤上方進(jìn)行地面淺層注漿，然后掘進(jìn)，通過后進(jìn)行深層注漿。

(3)多加水和膨潤土，并增加泡沫用量，使用高質(zhì)量泡沫，改善土倉土的和易性，防止刀盤結(jié)泥餅，降低推力和扭矩，加快推進(jìn)速度。

(4)控制地表沉降主要是控制刀盤推進(jìn)、盾體間隙、盾尾脫離這3個(gè)方面引起的沉降。

(5)時(shí)時(shí)監(jiān)測，快速掌握數(shù)據(jù)，采用快速的注漿方法注漿填補(bǔ)沉降引起的空洞是保證管節(jié)穩(wěn)定的有效措施。

5 結(jié)論與建議

通過施工過程中的盾構(gòu)機(jī)參數(shù)和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論與建議如下:

(1)由于水管下方施工了攪拌樁加固，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沉降為滯后沉降，利用鉆注一體機(jī)根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行注漿即可滿足要求，因采用氣壓輔助模式掘進(jìn)，不建議在地表提前打設(shè)袖閥管的方式，因?yàn)樘崆霸O(shè)置的袖閥管，會(huì)造成氣壓泄露。

(2)厚漿填補(bǔ)縫隙，能夠保證上方土體的穩(wěn)定，但由于厚漿不凝固，長距離使用時(shí)，容易造成管片上浮，并產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、漏水等現(xiàn)象。需要及時(shí)進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)。

(3)對(duì)于類似地層穿越建筑物和水管，提前對(duì)刀具進(jìn)行開倉檢查，保證刀盤處于良好狀態(tài)。

(4)注厚漿的注漿管在注漿即將結(jié)束時(shí)，最后注一些膨潤土，防止厚漿的砂粒在注漿后聚集，堵塞注漿管。

(5)建議長距離穿越管線或敏感地層的施工，選用盾構(gòu)機(jī)時(shí)，將刀盤和盾體定為同一尺寸。

(6)采用一種新型材料或者對(duì)厚漿進(jìn)行改良，使之在一段時(shí)間內(nèi)具有一定的強(qiáng)度，是下一步需要深入研究的內(nèi)容。