富水砂卵石层土压平衡盾构下穿污水干管技术

孙继东

1 工程概述

1.1 工程概况

成都地铁1号线倪家桥站—省体育馆站右线盾构区间，在YDK12+069.509～YDK12+144.085段(74.576 m)与φ 1 200 mm污水干管小角度斜交。该段隧道埋深约8.2 m，主要位于人民南路辅道、花坛、人行道下。污水干管管底埋深约6.5 m，管底距离隧道顶部距离为1.608 m～1.687 m。

1.2 地质条件

下穿污水干管段盾构隧道主要穿越稍密卵石土、中密卵石土地层，地下水位位于隧道顶部以上1.8 m。卵石土至地表分布有粉质黏土与杂填土。

1.3 污水干管形式

此污水管为成都市污水排放主干管，日流量约10万t，带压运行。污水管管径为1 200 mm、壁厚100mm，每节长度为2000 mm，以平口形式相接。接口采用水泥砂浆封堵，砂浆内埋入20号10×10镀锌铁丝网，铁丝网埋入封堵砂浆内的深度为150 mm。污水管线基础为180°带形混凝土基础(如图1所示)。

2 工程分析

砂卵石地层的基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状，卵石空隙多被中、粗砂充填。一旦被开挖，就很容易破坏原来的相对平衡状态，使开挖面失去约束而失稳，是一种典型的力学不稳定地层。盾构在其富水饱和状态下掘进施工，开挖面更容易产生涌水、涌砂，若控制不力将会发生开挖面失稳、地表坍塌的重大事故。同时，盾构下穿污水干管距离长(74.576 m)、间距小(垂直净距1.608 m～1.687 m)，下穿段又位于交通密集的人民南路上，一旦发生污水爆管，后果不可想象。因此，施工风险极大。为确保万无一失，盾构下穿污水干管总体施工思路是:盾构穿越前对地层与污水管进行注浆预加固;穿越施工中做好盾构掘进综合控制，确保盾构“连续、平稳、快速”推进;盾构穿越后参照监控量测及时进行地表跟踪注浆，确保盾构下穿污水干管的最终安全。

3 下穿污水干管施工技术

3.1 盾构通过前的预加固措施

在盾构穿越前采用地质雷达对过污水管段地层进行探测，并对可疑点进行了钻孔注浆预加固。

预加固采用φ 42钢花管水泥浆液注浆，水灰比为1∶1，最大注浆压力控制在1.5 MPa左右。通过钻孔注浆预加固，我们得出“密实砂卵石地层在未被扰动的情况下浆液可注性差”这一结论。

3.2 盾构掘进综合控制技术

3.2.1 确保盾构机穿越时的良好工作状态

为使盾构机在下穿污水干管施工中能始终保持良好的工作状态、“连续”作业，在地质条件较好的YDK12+175处，停机带压进仓，对刀盘、刀具进行检查，并对磨损的刀具进行更换，同时，对盾构机及其配套设备进行全面的维修保养，避免故障停机。

3.2.2 盾构掘进控制

1)掘进模式、土仓压力。盾构下穿污水干管施工必须采用使开挖卵石土充满土仓的土压平衡模式，严禁欠土压平衡模式推进。必须使排土量与开挖土量相平衡、适当保持土仓压力，以确保开挖面稳定和有效控制地表变形。本次盾构下穿污水干管施工土仓内上部压力保持在0.06 MPa～0.07 MPa，通过调整掘进速度和螺旋输送机的转速，保证土仓压力的稳定。2)碴土改良。为确保盾构过污水管段施工安全，必须通过碴土改良，使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，本次盾构下穿污水干管施工采用在加膨润土浆液基础上注入泡沫剂，其效果比单独改良有很大改善。每环泡沫剂用量控制在40 kg左右，膨润土泥浆约6 m3，碴土改良效果较好。3)盾构姿态控制。在盾构下穿施工时必须采取有效措施控制盾构掘进姿态，减少盾构姿态的调整。4)刀盘转速与盾构推进速度。a.降低刀盘转速，减小与卵石的碰撞冲击，减少对土体的扰动，避免大的波动。b.盾构推进速度控制在50 mm/min～60 mm/min，保证刀盘对土体的充分掘削，减小对正面土体的挤压，并在施工中结合监测数据进行微调，避免速度突变对地层造成冲击扰动。5)碴土排出量控制。盾构掘进过程中出碴量控制通过推进速度与螺旋输送机转速来实现。6)同步注浆与二次注浆。为保证同步注浆质量，应进行注浆量与注浆压力双控，并以压力控制为主。盾构下穿施工平均每环注浆量为6.6 m3，个别地段注浆量达到 10 m3，注浆压力控制在0.25 MPa左右。

盾构通过后及时利用管片上预留的注浆孔进行二次补充注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，水泥浆、水玻璃体积比为1∶1，水泥采用 P.O32.5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为 1∶1，注浆压力不低于0.3 MPa。

3.3 地表跟踪注浆

跟踪注浆采用水泥—水玻璃双液浆，水泥浆水灰比1∶1，水玻璃波美度 20 Be′～30 Be′，水泥浆—水玻璃体积比 1∶1，注浆压力0.6 MPa～1.0 MPa。根据地表沉降监测情况，在盾构机盾尾每通过一根预埋跟踪注浆管约2 m～3 m时进行跟踪注浆。

4 监控量测

4.1 监测内容及结果

1)地表沉降。地表沉降测点分别布置在污水管中线和隧道中线上，按间距5.0 m布置。从监测结果看，一般沉降值在7 mm～12 mm范围内，隧道中线地表最大沉降值为-17.64 mm，污水管中线地表最大沉降值为-14.4 mm，均未超出控制值，后期受地表跟踪注浆影响，部分测点隆起。2)土体垂直位移。沿污水管走向轮廓外0.6 m，在靠管隧道一侧，每隔10.0 m布置一个土体分层沉降孔，孔底距离隧道结构顶约1.0 m。在盾构接近测孔时，深层土体有少量变形，盾构经过及盾尾脱出时变形较大，直至盾构通过后20 m左右，变形趋于稳定。最大变形为-22.22 mm。

4.2 监测频率

按管理等级确定监测频率，当监测值小于预警值时，监测频率按 2次/d;当监测值在预警值和控制值之间时，3次/d～4次/d;当监测值大于控制值时，应暂停施工，采取加固措施，4次/d～6次/d。

5 结语

1)盾构穿越前应对建(构)筑物进行较为详细的调查、准确分析其与盾构施工的相互影响，采用合适工艺对地层及建(构)筑物进行预加固。这是保证盾构安全、顺利穿越的前提条件。2)以“连续、平稳、快速”推进为目标的盾构掘进综合控制是确保盾构安全穿越建(构)筑物的最根本的保障。3)盾构穿越过后的及时跟踪注浆对于确保建(构)筑物安全是非常必要，也是非常有效的。4)对于富水砂卵石地层，跟踪注浆是对同步注浆的有力补充，也应以填充注浆为主，必要时才适当加大注浆压力进行地层加固与建(构)筑物纠偏，但应做好注浆压力控制，避免注浆的破坏作用。5)盾构在砂卵石地层中掘进所引起的地表沉降(陷)具有明显的滞后性，因此盾构穿越重要建(构)筑物施工应适当增设土体深层监测点，以增强监控量测对盾构掘进的指导作用。

[1] GB 50446-2008，盾构法隧道施工与验收规范[S].

[2] 杨书江.土压平衡盾构近距离穿越污水管施工技术[A].第五届中日盾构法隧道技术交流会论文集[C].成都:西南交通大学出版社，2009.

[3] 陈 馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M].北京:人民交通出版社，2009.