大盾构近距离下穿运营地铁洞内定向预注浆加固及掘进技术

胡 勇

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

国内盾构下穿铁路和地铁线路等风险实例较多，但工况不一，地质不同，埋深不同，风险程度不同。广州地铁22号线番祈中间风井～番祈2#盾构井区间下穿运营地铁3号线，为盾构法施工，下穿竖向净距离仅有5.5 m，不到一倍洞径，且下穿典型的上软下硬地层。下穿存在超挖风险，高峰期运营地铁通行频次达列/(4～5 min)，严重时可能造成3号线隧道塌方等风险，出现3号线位移超限，导致列车脱轨、停运。

为进一步提高安全性，在施工前对方案、设备、应急等方面开展研究，采用了水平定向钻孔注浆和洞内定向钻孔注浆两个加固措施，分别对22号线左线和右线上方地层进行加固，通过实践完成下穿。

1 工程概况

1.1 施工环境和工况

广州市轨道交通22号线番祈中间风井～番祈2#盾构井区间位于番禺区市桥东环路，区间长2.5 km，区间采用2台铁建重工生产的直径∅8.8 m土压平衡盾构机施工。在光明北路与东环路十字路口下穿运营地铁3号线汉溪长隆～市桥站区间，盾构下穿长度20.8 m。22号线隧顶埋深26.5 m，3号线隧顶埋深15.1 m。下穿关系如图1所示。

3号线隧道处于砂质粘性土5Z-2和全风化混合花岗岩6Z地层中，为盾构法隧道，管片外径6 m，

图1 下穿关系示意图

环宽1.5 m。22号线土压盾构机刀盘开挖直径8.840 m，管片外径8.5 m，环宽1.6 m。

1.2 下穿段地质、水文情况

下穿段开挖面上部为全风化混合花岗岩6Z和强风化混合花岗岩7Z，下部为中风化混合花岗岩8Z，且基岩裂隙水丰富，地层自稳性差，为典型的上软下硬地层。

1.2.1 地层特性

该段8Z地层饱和抗压强度最小值65 MPa、最大值108 MPa，隧道下部较硬，完整性RQD值10%～12%，裂隙比较发育。

6Z、7Z地层风化含砂量较高，含砂量达90%，含泥量10%，6Z地层取芯较散不成型，7Z地层取芯手拧易碎，自稳性差。地质芯样实物如图2所示。

1.2.2 水文情况

地下水主要为裂隙水，水位在地表以下3～5 m，水位距隧顶约23 m，地下水丰富。

2 洞内定向钻孔注浆

左线先下穿，右线后下穿，待左线下穿时，从下

图2 地质芯样实物

穿段左线洞内左上方设计拼装钢管片，钢管片上预留孔口，设计8环钢管片，每环管片布设2个孔口，孔间距0.8 m，共16孔，见图3。钢阀管从预留孔钻入，穿过22号线右线拱顶上方，主要针对3号线右线下方与22号线右线拱顶之间的全风化地层注浆加固；同时，钢阀管留在地层中起到超前支护作用，钢阀管结合注浆可共同形成支护体系[1]，提高地层的自稳能力防止土层坍塌。

图3 钢管片排列和预留孔设计

通过钢阀管定向注浆加固后，加固作用明显：一是增强了地层气密性，二是提高了裂隙地层抗渗漏性，三是增强了3号线下方地层承载力和临时稳定性。有利于盾构机采用气压辅助模式掘进，降低刀盘扭矩、防止结泥饼、有助于快速通过等。

2.1 注浆加固范围

2.1.1 平面加固范围

水平注浆范围与注浆孔布置：以3号线右线和22号线隧道交叉区域为基础，3号线右线边线两侧外扩约2.0～5.8 m；沿22号线右线边线两侧扩展2 m。平面加固范围为14.0 m×12.5 m，见图4。

2.1.2 竖向加固范围

22号线右线掘进方向左侧，钢阀管末端距离3号线隧底3.48 m，右侧距离3号线隧底约6.01 m，距离22号线盾构机开挖直径往外0.5 m，管水平夹角约11.5°，管总长19.58 m，加固段长度为12.96 m，扩散直径1.5 m。竖向加固范围见图5。

2.2 钢阀管钻孔施工

2.2.1 工艺流程

图4 右线加固平面图

图5 左线洞内往右线钻孔预注浆加固(单位：m)

钢阀管钻孔工艺流程见图6。

图6 钢阀管钻孔工艺流程

2.2.2 钻孔设备和注浆设备

(1)钢阀管钻机：采用MX-120型分体式钢阀管钻机，洞内操作空间有限，该设备体积小，摆放方便。现场工作状况见图7。

(2)注浆机：采用双液注浆机(ZBSB148-23/4-15)，见图8，额定压力4 MPa，最大排量148 L/min，电机功率15 kW，额定电压380 V。

(3)空压机：采用GDV75螺杆式空压机，容积容量10 m3/min，排气压力1.0 MPa。

图7 钻孔注浆加固 图8 双液注浆泵

(4)测量器具：水准仪、角度尺。

(5)其它机具和材料：施工平台架、卡钳、电葫芦、∅108 mm钢阀管、导向管、钻头、管靴、钻杆、高压管、制浆桶；超细水泥、水玻璃、磷酸等。

2.3 钢阀管注浆

2.3.1 注浆工艺

通过钻孔埋入钢阀管，采取分段式后退注浆，采用水力止浆塞定点注浆，步距为1 m，见图9、图10。这样可以有效地减少地层不均一性对注浆效果的影响，定点定量注浆，有利于对上方3号线隧道结构变形的控制。

图9 钢阀管和分段注浆示意图

图10 水力止浆塞

水力止浆塞作用原理：将止浆塞插入钢阀管内，通过高压水压力作用，使胶筒产生横向膨胀与钢管内壁挤紧，起到止浆作用，操作快捷、适应各种方向钻孔、可靠性高[1]。

2.3.2 浆液类型

(1)采用超细水泥+水玻璃双液浆，水灰比为1∶1，水玻璃(玻美度40 °be′)，水泥浆∶水玻璃体积比1∶1，浆液凝结时间 60 s。

(2)采用磷酸+水玻璃浆液迅速凝胶堵水，前进式将水封堵，防止后退拔杆时塌孔。

磷酸+水玻璃浆液止水原理：水玻璃是硅酸钠，磷酸是弱酸，水玻璃为主剂，磷酸为固化剂，两种液体反应能在数秒钟内生成固态胶体，可以填充到富水孔隙中，达到迅速堵水效果。水玻璃与磷酸的反应式为： Na2·mSiO2+H3PO4→mSiO2+Na3PO4+H2O。随磷酸用量增加，凝胶时间缩短；水玻璃模数升高，凝胶时间缩短；水玻璃浓度增加，凝胶时间延长。

2.3.3 注浆压力控制

注浆施工作业中，浆液注入量和压力是两个最为关键的控制因素。根据显示的孔口压力变化可以判断注浆施工的基本发展状况，并及时采取相应措施。

根据地层渗透性和浆液浓度，注浆压力控制在0.3～1.0 MPa，并根据上方3号线沉降监测数据动态调整注浆压力。

2.3.4 注浆量和终孔标准

(1)注浆压力达到设计的终压1.0 MPa，并稳定20 min。

(2)单孔注浆量达到设计注浆量的80%以上。注浆量的计算公式如下：Q=AVηβ/m。式中：Q为注浆总量；A为浆液扩散消耗系数，一般取2.5；V为注浆目标区域体积；η为土体综合孔隙率，取25%；β为浆液充填系数，取0.95；m为浆液结石率，取0.85。则注浆量Q=189.2 m3。

3 盾构下穿掘进控制技术

3.1 盾构机掘进模式和掘进参数

下穿期间采用气压辅助模式掘进[2]，土仓渣位控制在1/2仓，土压力平稳，地层气密性较好，通过膨润土浆和泡沫剂对渣土改良，改良效果良好，刀具磨损正常。

下穿期间上部土压2.6～2.7 bar(1 bar=0.1 MPa)，下部土压3.0～3.1 bar，上下压差约0.4 bar，掘进速度20～35 mm/min，总推力28 000～35 000 kN，刀盘转速1.5～1.8 rpm，刀盘扭矩6 600～7 800 kN·m，参数正常。每环出渣量控制在150 m3以内，未出现超方。注浆量不低于12 m3/环，二次注浆及时跟进填充空隙。

3.2 下穿前刀具检查及设备维保

因下穿段掘进中风化花岗岩8Z地层距离较长，进入3号线前，在附近位置开仓换刀，确保刀具完好性，换刀后连续下穿通过，并对所有设备进行全方位检查和维保。

3.3 膨润土浆渣土改良和应急保压

在始发井口中板备置2个30 m3膨润土膨化池，预先拌浆膨化，在中板增加输送泵和专用管道接入盾构机内，能快捷实时地根据需要输送膨润土浆。膨润土浆液配合比：水∶膨润土为6∶1，膨润土浆液稠度控制到约60 s，并根据现场试验泥浆稠度确定，加入量为出土量的10%～20%。

渣土改良：采用优质钠基膨润土浆对渣土进行改良，能有效改良含砂量较大的渣土流动性和润滑性，防止渣土沉积。

应急保压：为避免气压模式下突然失压超挖，迅速往土仓内注满膨润土浆保实土压[1]，同时盾构机往前掘进但不排渣，留渣在土仓内，快速防止塌方进一步扩大。

3.4 泡沫剂渣土改良

下穿段使用优质分散型泡沫剂进行渣土改良，泡沫有良好的润滑作用，提高开挖土的流动性，降低刀盘扭矩, 能有效防止刀盘和土仓结泥饼。

3.5 二次注浆

在盾构机内配备2台二次注浆系统，跟进二次注浆。主要分为两个阶段：第1阶段，管片脱出盾尾5环位置，注浆在管片两侧和上部点位注入水泥+水玻璃双液浆，及时补充同步注浆固结后的空隙，促使浆液及早凝固，减少管片脱出盾尾阶段的沉降；第2阶段，在管片脱出盾尾15环位置，注浆形成止水环，封堵盾体后方来水。

3.6 洞内自动化监测和视频监控

在运营3号线洞内布置监测点、自动化监测仪和视频监控，数据自动传输到平台分析，盾构操作司机能及时掌握沉降情况。

监测断面布设(见图11)：下穿1倍洞径范围内强烈影响区域每5 m布设一个断面，1倍洞径范围外至3倍洞径范围内一般影响区域每10 m布设一个断面。每个断面在道床上布设2个监测点，中上部4个点，共6个监测点。

图11 洞内自动化监测布点

4 3号线沉降监测数据

区间22号线右线，自加固后复推至掘进下穿完成，历经13 d，盾构机全部出3号线影响区，共计44环。

3号线监测数据(见图12)：注浆预加固过程中，3号线右线道床监测点局部隆起值+1.36～+7.93 mm。盾构下穿后，3号线右线道床主要影响区监测点变化值+5.71 mm，局部-2.05 mm，累计最大值+11.20 mm和-0.08 mm；轨道高差最大值为1.8 mm。

图12 3号线右线沉降槽曲线图

根据《广州市城市轨道交通结构安全保护技术标准及规定》结构安全控制指标值，隧道位移预警值<10 mm，控制值<15 mm；轨道高差预警值<2 mm，控制值<4 mm，监测值均未超出控制值，未出现险情，安全下穿3号线，结构安全保护良好。

5 结束语

(1)大断面土压平衡盾构机下穿运营地铁或铁路等特殊风险源时，可综合考虑从线路设计调低线路标高，避开在上软下硬地层中下穿，规避风险。

(2)针对既有运营地铁注浆加固，采用低压力控制和渗透性较好的浆液类型，避免注浆压力过大，造成运营地铁隆起过大，通过实践证实，钢阀管定向定点定量注浆可行。

(3)大断面土压平衡盾构机，在上软下硬地层中，采用气压辅助模式比实土压模式掘进，可大大减小仓内结泥饼风险，减小刀具异常损坏，掘进功效更高。

(4)气压辅助模式掘进，需结合实际情况配备相关应急措施，比如地层气密性较差、地层松散不稳定时，须能快速填仓转换为实土压模式等。