浅谈盾构机在复杂地质条件下穿越高压燃气管道的施工技术

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100)

1 工程背景

南干渠工程项目，为南水北调工程北京市段配套工程之一，位于北京市南部地区，分上下两段，其中下段采用盾构机施工法施工。在桩号15+908.5处穿越直径为550mm的华北油田高压燃气管道，外表涂保护沥青材料，管顶覆土厚2.40m，管道与隧洞结构顶垂直距离为12.40m。为确保在施工过程中高压管道的安全，要求管道两侧各3m范围为安全距离，不得触碰，且地表隆沉控制在+5mm之内。穿越区域位于南五环外侧，土层为南五环修建时取土场，后经当地村民回填至现状，回填料基本为生活垃圾和建筑垃圾，具体粒径和孔隙率不详。盾构机穿越建筑物地段地质结构自上而下依次为：垃圾填埋层约5.90～7.80m；其下部为黏性土②层，以粉土为主夹粉质黏土②1层，厚度约4～7m；再下部为中细砂层④层，厚度约为1.2～3.5m，局部较厚；再下部为厚层圆砾⑤层及卵石⑥层。

高压燃气管道埋于垃圾填埋层之内。盾构机穿越地层为中细砂层和圆砾层。由于高压燃气管道沉降标准要求很高，且垃圾填埋层沉降数据无经验可循，造成盾构机穿越施工风险很高，因此，合理选择穿越施工技术尤为重要。

2 盾构机下穿燃气管道施工技术

2.1 施工方案选择

结合沉降要求及现场实际地层条件，施工方案包括地表预加固和盾构机掘进控制两部分，通过提前对穿越区域地层进行加固和盾构机参数优化相结合的方案，实现盾构机掘进的顺利穿越。地表预处理措施可采用改移、悬吊、地层注浆加固等措施，但由于该工程高压燃气管道禁止触碰，因此，最终采用地层注浆加固措施。

针对此地层，结合以往的施工经验，综合考虑地质情况、注浆效果及环境保护等要求，最终决定选用袖阀管注浆法进行土体加固。其特点是可以进行多点、定量、均衡的注浆，注浆体在地层中均匀分布，均匀连接，可以提高被加固地层的整体稳定性，为盾构机掘进创造良好的辅助条件。

2.2 高压燃气管道下方土体加固措施

2.2.1 注浆加固范围及注浆孔布置

2.2.1.1 注浆加固范围

垂直于燃气管道左右对称各3m范围内为平面注浆加固范围，燃气管道底向下1.50m至盾构机隧洞底45°切线沉降影响线范围内为纵向注浆加固范围，具体加固范围详见图1。

图1 加固范围剖面单位：mm

2.2.1.2 注浆孔布置

受施工环境制约，注浆孔采用斜孔布置，第1～4排注浆孔倾斜角度根据分段长度及分层厚度而定。后续注浆孔与地面夹角为60°，分层距离为1m。注浆孔间距和浆液渗透半径密切相关,本次注浆渗透半径取0.50m。

注浆主要目的是加固土体并提高土体抗渗性。第1～4排注浆孔水平间距为0.50m，垂直间距详见下页图2。后续注浆管水平间距0.50m、垂直距离57.70cm。注浆孔呈梅花形布置，注浆孔布置见下页图2。

图2 注浆孔平面布置单位：mm

2.2.2 注浆压力和浆液渗透半径

灌浆压力P由P1、P2、P3、P4四部分组成。

P=P1+P2+P3+P4

式中P1——管路中压力损失，约20%；

P2——开环压力损失，约20%～35%；

P3——渗透到地层的工作压力；

P4——压力储备值，约10%。

粉土、砂土层中浆液的渗透半径经验推荐值见表1。

表1 粉土、砂土层中浆液的渗透半径经验推荐值

本次注浆为斜向管注浆，选择高压力注浆，拟采用注浆压力为0.70～0.90MPa。

2.2.3 浆液配比

本次灌浆采用水泥浆液和水泥水玻璃双液浆，而后使用改性水玻璃浆液补灌浆。各浆液的配比和原材料的规格如下：

水泥浆——水灰比1∶1；

分散剂——水泥重量的15%；

减水剂——水泥重量的0.50%；

水玻璃——水泥用量的3%；

水泥采用P.O42.5水泥；

改性水玻璃(重量比)=水玻璃(40Be)∶浓硫酸(98%)∶固化剂=1∶0.08∶0.04，水玻璃模数为3。

2.2.4 注浆结束标注

注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减少，当压力达到注浆终压、注浆量达到设计注浆量的80%以上时，即可结束该孔注浆施工。注浆压力未达到设计终压、注浆量已达到设计注浆量且无漏浆现象时，亦可结束该孔注浆施工。

2.2.5 注浆顺序

本次注浆施工在燃气管道两侧注浆加固区域内钻孔注浆，从燃气管道两侧分别对称进行注浆，采用跳孔注浆方式。先从外侧第一排注浆孔开始注浆，然后依次进行第二至四排注浆孔的注浆，最后由外向内依次进行后续注浆孔注浆，如此循环进行直到注浆结束。

2.2.6 注浆施工

2.2.6.1 钻孔施工

本次注浆孔的钻进主要在杂填土、粉土、粉质黏土、粉细砂层中进行。钻孔过程中如果套管插入顺利，则直接钻进；如塌孔，则采用泥浆护壁，孔径100mm。必要时使用套管护壁，钻头采用耐磨钴合金钻头。注浆孔成孔机械采用XY-100型工程地质钻机。

2.2.6.2 注浆管加工及安装

为避免注浆管对盾构机推进的影响，本次注浆施工，采用φ52mmPVC外管注浆管，根据具体注浆加固范围，每节管长1～2.50m。位于加固范围内的注浆管每1m设3组注浆段，每段长33cm，出料孔4个，孔径8mm，出料孔外套橡胶圈保护。

套壳料采用稠度大、强度低的材料，其成分为：膨润土70%，粉煤灰15%，水泥15%和少量速凝剂。套壳料12h无侧限抗压强度为0.30～0.50MPa，黏度为80～90s。

钻机成孔后，利用钻机吸浆管将套壳料混合液压入钻孔内，将孔内泥浆全部置换出来，之后分节(每节1～2.50m)将袖阀管插入已填满套壳料的孔内，在两节袖阀管联接前，需向下一节袖阀管内灌满清水，相邻两节袖阀管采用套箍联接，并用黏合剂黏接牢固，袖阀管接至设计位置后，向袖阀管内再次灌满清水，然后用封口盖盖紧袖阀管口。注浆管加装定位环，2～3m一道，以使注浆管位于孔中心。

2.2.6.3 封口作业

孔内套壳料混合液达到初凝后进行封口。用C15细石混凝土或砂浆掺加适量速凝剂作为封口材料，进行封口作业。

2.2.6.4 注浆芯管下放

注浆芯管由1m、1.50m和2m不同长度段组装而成，注浆芯管采用φ25镀锌钢管制成，节间用螺纹套管连接。

袖阀管安设完成48h后，下放注浆芯管，开始进行压密注浆。

2.2.6.5 注浆施工

水泥浆配置时，先投入水、分散剂、减水剂，再投入水泥。在高速制浆机内搅拌5min后，过滤存放在低速搅拌储浆桶中备用。改性水玻璃配置，是将水玻璃缓慢加入硫酸中，并不断搅拌，以利于散热和均匀，而后加入缓凝剂。

灌注水泥浆时，按比例将水泥浆和水玻璃(速凝用)到入注浆桶内，搅拌均匀，用高压注浆泵通过管路系统输送到注浆芯枪，浆液从注浆芯枪的出浆孔进入到注浆管，依靠高压将注浆管外的橡胶套涨开，进入土层开始灌浆。

2.3 盾构机掘进参数控制

2.3.1 确保盾构机各系统的正常运转

穿越燃气管道前，认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备进行检查，确保穿越过程中设备无故障，连续进行施工。

2.3.2 推进速度

在穿越燃气管道期间推进速度以低速为宜，盾构机按照2～3cm/min的速度掘进。尽量保持推进速度稳定，确保盾构机均衡、匀速地穿越燃气管道，以减少对周边土体的扰动，避免对燃气管道产生不利影响。

2.3.3 同步注浆及二次注浆

同步注浆与盾构机掘进同步进行，根据地表沉降的监测情况适时进行二次补浆，既要控制地层沉降，又要确保管道安全、杜绝地层隆起。

浆液采用双液浆，用KBY-50/70注浆机进行注浆，严格控制地表隆沉。双浆液配合比见表2。

表2 双液浆配合比

2.3.4 刀盘土压力设定

刀盘正面平衡压力值的设定原则：

P0=K0γh

式中γ、h——上覆土层的天然容重和土层厚度；

K0——为计算点处侧压力系数，黏性土取0.5～0.7。

平衡土压力计算值：

γ=(19.3×2.3+20.9×13.5)

÷(2.3+13.5)=20.67

P0=0.6×20.67×15.8÷100=1.96 bar

平衡压力的设定值：

P设定值=1.1P计算值=2.16 bar

盾构机实际掘进中，根据地面隆沉监测信息，对设定值适时进行修订。如果刀盘前方地面下沉，则调高平衡压力值；反之，刀盘前方地面隆起，则调低平衡压力值。以保持地面隆起不超过2mm为宜。

2.3.5 渣土改良

在穿越燃气管道时，盾构机处于④层细砂层及⑤层圆砾层之间，盾构机推进过程中极易导致开挖面失稳，进而影响到燃气管道。因此，盾构机穿越时采用加注泡沫剂和膨润土来改良土体，达到维持正面土体稳定、土压平衡的作用。

2.4 监控量测

为了确保燃气管道的安全，在土体注浆加固期间及盾构机穿越燃气管道施工期间，都对燃气管道进行实时监控量测，以检查施工对燃气管道安全的影响。

通过对穿越区域的监测，掌握由土体注浆加固及盾构机施工引起的周围地层和燃气管道沉降数据变化，分析周围环境的变形规律和发展趋势，及时采取必要的技术措施改进施工工艺，将施工引起的环境变形降低到最低程度，确保盾构法施工对地下埋设的燃气管道的影响控制在安全范围内。

3 结 语

盾构法施工穿越燃气管道已经竣工，从施工监测数据分析，地层加固施工期间地表隆起最大为2mm，盾构机掘进期间的地表隆起最大值为3mm,沉降最大值为2mm，实现了预期的地表隆沉控制目标。本工程的顺利实施，表明采取的地层加固和盾构机掘进控制技术是稳妥有效的，同时，有序的现场施工管理和适时监控量测也是确保工程顺利进行的前提条件。本工程施工方法及措施，可为类似盾构机穿越工程提供参考经验。

1 杨书江. 袖阀管法注浆加固地层施工[J].铁道建筑技术，2004(2):22-27.

2 孙少波，王兴猛，张玉川.水平袖阀管深孔注浆在广州地铁中的应用[J].现代隧道技术，2003,40(4):46-51.