盾构隧道近距离下穿输水管线变形控制技术

杨明，汪海波，王松青，薛庆华，丁飞

（1.中煤第三建设（集团）有限责任公司市政工程分公司，安徽 合肥 230000；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

近些年，随着城市建设与高速发展，大城市中的交通格局以地铁交通为主体，盾构法由于具有较高的可靠性和较好的适应性，在地铁交通建设中应用极为广泛。轨道交通的网络化建设激化了新隧道与现有地下构筑物和管道之间的矛盾，特别是地铁隧道盾构施工穿越相邻的既有管线时，周围岩土的微小变形沉降都可能对周围既有管线造成重大的影响。因此必须采取新的工艺措施来减弱施工中土体沉降对周围管线环境的不利影响，以保证周围管线的安全运行。

许多专家学者针对如何减小地铁隧道盾构法施工对周围土体的影响，开展了一些研究。李凤岭等利用三维数值模拟分析上部隧道底部不加固、上部隧道底部加固及上部隧道底部不加固+盾构反向掘进等三种工况对周围土体变形位移进行了研究；周谟远等在现场使用了定向钻孔与水平注浆相结合的地面长距离水平注浆技术，证明该项技术在盾构法施工中对地层加固及地面变形控制具有良好的效果。邓能伟等通过三维有限元数值方法分析了盾构隧道下穿铁路轨道群所引起的路基沉降；翟朝娇、李建立研究了地铁下穿道路时的影响规律；黄德洲、吴瑞分别研究了盾构隧道施工对地表框架结构、既有桥梁的影响。

卞钟鼎研制了一种由钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂组成的填充材料，可在隧道盾构掘进的过程中注入周围土体，实现止水、充填和支撑的作用，称为克泥效工法。杜国涛等通过分析克泥效在工程中的多次应用效果，验证了此工艺技术能够有效地抵抗围岩的变形、降低或控制地表沉降。马云新以某下穿既有地铁盾构隧道的工程为例，为控制隧道变形采用克泥效注浆的方法，结果能良好地抑制盾构掘进时产生的地层变形。党济国利用HS模型数值模拟研究了克泥效与水玻璃混合液对土体稳定性的影响，发现克泥效与水玻璃混合液填充盾构间隙的施工方案能够有效地减少对地层土体的破坏，防止沉降和变形。熊四清通过分析盾构施工对地表沉降的影响，发现克泥效浆液可以及时填充盾体周边空隙，有效控制地面沉降，并在填充完成后不会产生卡住盾体的风险。

基于此，研究以沈阳地铁十号线二十标桑林子车辆段出入线盾构工程近距离下穿大伙房输水管线为研究对象，对比分析了采用不同注浆材料下盾构施工地层沉降量，提出了该类地层克泥效工法的施工工艺和添加量。

2 工程概况

2.1 区间概况

沈阳地铁十号线桑林子车辆段出入场线盾构工程右线长294.16 m、左线长282.26 m。区间隧道所处地层上半部为粉质黏土，下半部为中粗砂，属于典型的复合地层。

施工地段临近大伙房输水管线，盾构段左线与管线呈53°交角，下穿管线斜长23.7m（144环—165环），右线与管线呈57°交角，下穿段斜长22.8 m（162环—179环）。隧道与管线垂直净距约为2.82m～3.06 m，具体位置的关系如图1、图2所示。

图1 区间剖面示意图

图2 出入场线隧道与输水管线的位置关系

2.2 地表沉降控制指标

输水管线为两根预应力钢筒混凝土承插管，分节长度为5 m，内径3.2 m、外径3.8 m。设计输水压力为0.6 MPa，目前水压0.4 MPa。为辽宁省中南部7个城市的供水管路，风险等级为一级。管线的直径和管内的压力均较大，因此管线材质较为特殊。施工风险极大，一旦触碰极易发生爆管，同时上游阀门距此处约30km，且关闭阀门过程将消耗近2h时间。在0.4MPa水压和0.5‰坡度下涌水量能够迅速淹没周边，会对周围造成巨大危害。

盾构掘进施工一般都是按照地面沉降+10mm、-30mm的标准进行控制地面的隆起沉降。而盾构穿越大伙房管线施工风险极大，稍有不慎将引起巨大的社会影响。且设计单位、产权单位要求管线整体沉降及差异沉降的控制值分别为 10 mm和 8.7 mm。+10mm、-30mm的标准远远满足不了施工要求。

3 克泥效施工原理

3.1 施工地层沉降分析

地层沉降在盾构法施工过程中由于周围土体被扰动，是不可避免的。地层沉降主要分为早期沉降、开挖面沉降、通过时沉降、通过后沉降和后期沉降等五个阶段，如图3所示。通过分析不同阶段沉降的原因，发现早期沉降一般由地下水位变化而导致，沉降量很小，一般不做考虑，开挖面沉降、通过后沉降和后期沉降可通过防沉降措施实现有效的控制，而第3阶段通过时沉降较难控制。在通过沉降阶段时由于盾构机刀盘外径为6280 mm，而盾尾外径为6230 mm，会产生25 mm的环状间隙。当地层变形量控制严格时，将此环状构造间隙进行及时的填充，才能有效地控制地层沉降。

图3 盾构施工地层沉降阶段图

3.2 克泥效工法

盾构施工过程中对土体的扰动很容易造成地层的沉降，因此需要在施工掘进过程中同时注浆来填充间隙，减少因土体扰动导致的地层沉降。克泥效是一种可在隧道盾构掘进的过程中注入周围土体的填充材料。克泥效工法是通过配管分别把高浓度的泥水材料与塑强调整剂(即水玻璃)压送到指定位置，随后以适当比例将两种液体混合成高黏度塑性胶体，再由径向孔注入的一种新型工法。混合后的高黏度塑性胶体的黏性不随时间而变化，并且不易受水稀释，能对盾体与土体之间的间隙起到良好的填充作用，可以有效控制盾构机通过时发生的地表沉降。

试验监测点 表1

4 工程实践

4.1 不同注浆材料模拟试验

在填充材料选择中，水泥浆液由中盾径向注浆孔注入时会造成浆液包裹盾体，导致盾构机盾壳直径变大，造成超挖、土体扰动非常大，同时壁后注浆一旦不足，将导致较大量的沉降，因此不能作为填充材料，而膨润土浆液和克泥效均能起到减阻润滑的效果以减少周围土体受到盾构机扰动的程度，同时能够填充空隙，因此根据大伙房输水管线与隧道竖向位置关系，在穿越输水管线前设置试验段；试验段内地表变形监测点的布置如图4所示，不同方案对应编号，如表1所示。监测点与隧道竖向间距3 m，通过试验段先后注入膨润土与克泥效检测地表沉降量，来选择最合适方案。

图4 地表监测点布置图

在刀盘通过后与盾尾到达时分别对以上五处监测点进行监测分析，以确定盾构掘进施工在第三阶段注入膨润土和克泥效造成的沉降影响，试验结果如图5所示。膨润土浆液注浆后地表累计沉降达7mm～8 mm已经接近管线控制值，个别监测点超出管线控制值，而克泥效注浆后地表累计沉降控制在1mm～2 mm左右，因此在保证大伙房输水管线安全的前提下，采用克泥效施工工艺进行现场施工。通过中盾末端的径向孔注入克泥效来控制通过时沉降。

图5 不同方案地表沉降量

4.2 工程实施

现场试验采用每吨克泥效拌合2.5立方水溶液和水玻璃，体积比为20：1。盾构机开挖直径6280 mm，尾盾外径6230 mm。盾构机每向前推进1.0m，壳体外周出现一定的建筑间隙，体积为：3.14× [6.28/2）2-（6.23/2）2]≈0.5m。根据理论基础和施工经验可知，克泥效的注入系数一般采用1.5～1.8之间，按注入系数1.8计算，掘进每环克泥效注入量为：0.5m×1.8×1.2=1.1m。

注浆时采用专门的注浆机械进行注浆，在盾构机中盾上方十一点和一点钟方向一边掘进一边交替注入填充空隙。克泥效材料永不凝固，并且有一定承载能力。因此，不会出现由于材料凝固卡住盾体的情形，并且可以填充因掘进而产生的空隙，使上方土体结构的稳定性得到提高。

4.3 应用效果分析

在输水管线上方安置监测点（输水管线A上点为dbca6，输水管线B上点为dbcb6），24h全自动测量。2h一次对两条管线监测点进行三维坐标采集。1 d一次对竖向位移进行复核。地表监测点采用人工测量，2h一次。监测点不同日期地层沉降测量平均值，如图6所示。

图6 地表沉降观测结果

地层沉降量周平均值 表2

通过图6可以看出，盾体施工下穿输水管线时，地表监测点累积变化量呈波动状隆起，并且最大值仅有1 mm左右，表明克泥效浆液对盾体与土体之间的空隙起到了有效的填充作用，抑制了盾体与输水管线之间土体的变形。因为采用的挤压泵出口压力过高，克泥效的注浆量大于土体损失的体积，导致上方隧道有些许隆起。穿越后一个星期，数据基本稳定，如表2所示，管线整体沉降值和差异化沉降值均高于预期目标。

5 结语

依托于沈阳地铁十号线二十标桑林子车辆段出入线盾构工程，所用的克泥效注浆法有效地解决了地层在盾体通过时沉降变形问题，实现了水管地层沉降量在预警值之内及大伙房输水管线稳定的要求，取得了良好的经济效益和社会效益，为今后类似地层复杂环境下盾构施工提供了工程借鉴。