软土地区盾构始发阶段下穿航油管线施工控制技术

2016-10-20张梁鹏

天津建设科技 2016年2期

关键词：土压浆液盾构

□文/张梁鹏

□文/张梁鹏

结合天津软土地区盾构下穿航油管线的工程实例，研究分析了穿越期间沉降控制的施工技术，在常规的施工基础上采用了等深度监测点埋设、克泥效工法以及实用的注浆工艺等技术措施。

盾构；航油管线；沉降；软土

盾构下穿管线施工一直存在比较大的风险，如管线为易燃易爆性质更会加大发生事故并引起较大社会关注的可能。为保证施工安全，确保零风险，下穿航油管线施工势必需要经过严格的探讨研究，确定合理方案并制定应急预案，避免造成较大人员伤亡及财产损失的事故发生。

天津地处软土层，加大了施工的难度。针对盾构施工对地层扰动，造成管线及地表沉降，部分专家学者运用数值分析方法通过对地面沉降数据的拟合确定管线的沉降数值，通过地表沉降估测管线沉降，以有效控制管线变形［1～3］。在实际施工中，间接的利用数值分析拟合数据不失为一种有效的方法，但或多或少会引起偏差。埋设等深度监测点在实际应用中是一种更为有效的手段，可以直接反映管线沉降的数据，通过加大监测频率实时反馈数据指导确定掘进参数并在盾构掘进过程中采取针对盾体周围沉降辅助措施，可以进一步有效的控制沉降。

1　工程概况

天津某地铁车站为地下两层岛式车站，标准段基坑深度为15.36 m，盾构井段深度为17.06 m，距盾构井15.4 m有一根南北走向的机场航油输送管线，φ300 mm钢材质，机械开挖直埋，埋深2.8 m，管节长度为12 m，焊接接头。本地铁车站为盾构始发车站，左右线需先后两次下穿航油管线，隧道距航油管线5.6 m，盾构穿越航油管线段所在的地层，见图1。其中隧道所在地层主要为1粉质粘土4粉质粘土粉质粘土。航油管线所在地层为2素填土和1粉质粘土的分界面。从工程地质条件来看，隧道地层为粉质粘土层，条件较好，但隧道下部4～5 m存在2砂质粉土层，其含水量较大可视为承压含水层，存在一定的风险隐患。

图1　工程地质剖面

该航油管线被定为Ⅰ级风险源。基坑开挖阶段，已对航油管线一侧基坑地连墙接缝进行旋喷止水加固并沿管线走向施做拉森钢板桩对其进行隔断，减少土方开挖对航油管线区域土层的扰动。根据设计、规范和航油管线产权单位的要求，航油管允许沉降量为-20 mm，由于车站开挖过程中已产生-6.3 mm的沉降量，故盾构施工过程中允许沉降量为-13.7 mm，这给两次下穿航油管线盾构施工提出了更高的要求。

2　施工技术

2.1等深度监测点布置

沿管线走向共布设沉降观测点12个，见图2。为使监测数据直接反映管线的沉降情况，克服地表沉降监测点的不确定性，于航油管线在两盾构隧道中线投影相交处的正上方埋设2个等深度观测点，见图3。孔内放φ20 mm的钢筋作为测杆，测杆周围用φ140 mm套筒保护，套筒内填细砂，套筒外原貌土回填，测杆底部与航油管线等深度，水平距离200 mm，在监测点顶部砌筑500 mm×500 mm×700 mm素混凝土保护墩，保护墩高出地面20 cm防止监测点被车压坏并在保护墩内加盖5 mm钢板保护盖。

图2　航油管线与车站相对位置及监测点布置

图3　等深度监测点剖面

2.2盾构始发阶段施工技术控制

本工程施工难点即为管线距离端头加固区仅有4 m，没有足够的调整距离，始发过程中必须在加固区内即严格控制盾构姿态在合理范围内且出加固区建立适宜土压，姿态保持不变，一旦出现偏差产生纠偏过程，将对管线下方土体产生较大扰动，对沉降控制产生不利后果。

2.2.1始发洞门封堵

盾构机掘进3～5环过程中，采用帘布压板密封形式进行始发洞门封堵，洞门封堵所需注入浆液方量通过理论计算为20 m3，洞门封堵过程中，通过停止掘进盾尾同步注浆的方式进行封堵，采用少量、多次的原则注入单液浆，如仍有渗水及时采用洞门预留注浆管注入双液浆的方法进行处理。

2.2.2掘进速度与土压力

加固区（1～7环）以20 mm/min的掘进速度匀速通过，出加固区（8～20环）以30 mm/min的速度匀速通过。第-3环开始建立土压，盾构机进入加固区上土压逐步建立在0.15～0.16 MPa。根据经验，盾构机刀盘出加固区上土压逐步建立在0.17～0.18 MPa。

2.2.3出土量

通过理论计算原状土出土量为47.33 m3，根据实际盾构施工经验和下穿管线区域的土质情况，为控制超挖，减少对隧道上部土体扰动，出土量控制在理论值的95%～98%，即每环需运输土方量约为46 m3，设专人检查出土量，严禁超挖、超排。

2.2.4掘进轴线、盾尾间隙

保持盾构机掘进轴线与设计轴线上下左右偏差在±30 mm以内，每掘进30 cm盾构机操作手组织测量一次盾尾管片间隙，确保每侧保留≮2 cm的间隙，有利于预防管片破损，也便于管片的顺利拼装。

2.3盾构下穿航油管线的分阶段施工控制

根据设计要求，将管线前后各15 m定为盾构掘进影响范围，即-3～24环，穿越过程影响范围长度为30 m。为此，将穿越过程分为4个阶段，每个阶段采取相应技术控制措施，图4。

图4　穿越航油管线4阶段

1）第1阶段，盾构始发。刀盘即将出加固区（-3环～4环），刀具切削土体并逐渐充满土仓，逐渐建立土压，第4环完成后进行洞门封堵，封堵完成后方可继续推进。

2）第2阶段，刀盘出加固区。刀盘抵达管线正下方（5～8环），此时上土压力设定为0.14～0.15 MPa（试验段土压），掘进时监测频率为10 min/次，地面沉降监测数据及时反馈，以指导施工，达到调整参数的目的。

3）第3阶段，刀盘到达航油管线。盾尾到达航油管线正下方（9～14环），掘进时监测频率为30 min/次，按照第2阶段调整后土压平稳推进并根据反馈监测数据进行微调。同步浆液注入量为理论值的250%，压力适中。

4）第4阶段，盾尾通过管线正下方。盾尾离开影响范围（15～24环），掘进时监测频率为20 min/次，根据反馈监测数据适当增加土压，控制推进速度，同步浆液注入量为理论值的300%，压力为较大值，同时加强二次注浆，少量多次深层注入双液浆。

2.4沉降控制辅助措施

为提高施工精度，控制前期沉降，采用克泥效填补前盾、中盾与土体的空隙，克泥效是从日本引进的一种施工技术，其原理是粘土与强塑剂以一定的比例混合后，瞬间形成为高粘度、不会硬化的可塑性粘土（粘度可通过改变两液配合比的方式调整）。在试验中，混合时间4.5 s，混合后粘度可达300～500 dPa·s［4］。

当盾构机中盾进入端头加固区时，开始注入克泥效，克泥效和水玻璃浆液由中盾1点径向注浆孔位置注入。浆液配比为A液（克泥效浆液）克泥效∶水=400 kg∶825 kg，B液（水玻璃和水的混合液）水玻璃∶水（体积比）=1∶1，在推进第5～20环时开始A、B液随盾构机掘进同时注入，每环注入量为1 m3，A液与B液注入流量比为13∶1并根据现场实际情况及时调整，使浆液凝结（不会硬化）时间调整到5 s，效果呈不会硬化的可塑性粘土状，粘度为300 dPa·s。

2.5同步注浆和二次注浆

同步注浆填充盾尾脱出时出现的空隙，直接影响地面沉降控制效果，是沉降控制的关键。本工程同步注浆采用单液注浆，按照“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，注浆量为理论计算值的300%，注浆压力为0.25～0.3 MPa，通过试验确定浆液配比，增加粉煤灰用量，降低浆液析水率，减少初凝时间，提高浆液的填充质量。注浆期间确保液浆充分填充在土体之间、管片与土体之间、盾体与土体之间的空隙，根据在掘进期间注浆压力与盾尾出现漏浆等情况判断注浆量是否饱满。在同步注浆量充足的前提下，盾构机的盾尾密封功能就显得尤为重要，在紧密注浆的同时，更要做好盾尾油脂的压注工作，保证作业面备有充足的油脂。

盾尾通过后沉降尤为明显，仅依靠同步注浆无法达到将沉降控制在很小范围的效果，由于浆液的收缩等因素，必须通过二次注浆对土体空隙进一步填充。二次注浆保持在距盾尾5～6环处，采用多孔补注浆方式进行补浆，方位为10点和2点每环交替补浆，注浆压力控制在0.3～0.35 MPa，每环补浆1 m3，注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆。由于双液浆收缩性较强，二次注浆采取“少量多次”的原则，且实际施工中应人工从注浆孔处钻孔，将二次浆液填充到更深处，以真正达到填充土体、控制土体沉降的效果。

3　监测数据分析

图5为与航油管线等深度直接监测点的沉降变化曲线，直观反映了盾构穿越航油管线过程中土体隆起及沉降的过程。刀盘到达管线前，呈现隆起的特征；刀盘及盾体通过期间对土体产生扰动，土体发生沉降，在此过程中由于采用了克泥效的施工方法，沉降得到了控制；管片脱出盾尾后，沉降达到峰值，虽然大量注入同步注浆浆液，土体仍有继续下沉的趋势；由于之前几个阶段对沉降的有效控制，通过二次注浆可以使土体沉降缓解且有一定程度的隆起，沉降稳定后沉降值较为理想。