盾构下穿运营地铁区间综合注浆施工技术研究

2022-01-19翟晓慧

铁道建筑技术 2021年12期

翟晓慧

(中铁十四局集团隧道工程有限公司山东济南 250013)

1 引言

随着城市轨道交通不断发展，穿越既有运营线路的问题日益突出。盾构穿越既有线路的控制方法多以注浆加固、控制掘进为主，尤其在复杂地层，注浆加固是有效保证穿越能否顺利实施的关键。

本文以广州市轨道交通22号线番祈中间风井－番祈2＃盾构井区间下穿既有运营地铁线路为背景，通过在花岗岩地层水平定向注浆预加固，为左线顺利下穿既有线打下了坚实基础。随后22号线右线下穿施工，吸取左线定向钻施工周期长、成孔困难的经验，提出左线洞内向右线钻孔注浆加固思路，顺利解决右线下穿加固问题，有效控制了地层变形，确保了既有线的运营安全。

2 工程概况

2.1 设计情况

广州市轨道交通22号线番祈风井－番祈2＃盾构井区间全长2.51 km，于里程ZDK38＋542.909～ZDK38＋523.709、YDK38＋564.327～YDK38＋545.127下穿既有运营地铁3号线汉溪长隆站－市桥站区间，下穿长度19.2～20.8 m。

22号线隧顶埋深26.5 m，隧顶距3号线隧底净距约5.5 m，见图1。22号线区间采用直径8.8 m土压平衡盾构机施工，盾构机刀盘开挖直径8.84 m，管片外径8.5 m，环宽1.6 m。

图1 22号线下穿地铁3号线

2.2 周边环境

22号线番祈区间盾构下穿3号线段位于东环路与光明北路交叉路口，人、车流量大。盾构下穿段影响区域内主要管线为燃气、自来水主管、高压电力、雨水管、通信管等，地表环境极为复杂。

2.3 水文地质条件

地勘揭示下穿3号线右线时，22号线左、右线洞身范围均为混合花岗岩上软下硬地层(洞身范围内有6Z、7Z、8Z)，该段7Z地层风化含砂量较高，筛分含砂量达90%，含泥量10%，自稳性极差；8Z地层饱和抗压强度为65.1～138.1 MPa。稳定地下水水位埋深3.4～4.1 m。

3 施工风险分析

(1)上软下硬地层推进速度慢、易造成出土超方现象[1]，地面沉降控制难度大，易导致3号线隧道变形超限，沉降严重时导致列车脱轨、停运等施工风险。

(2)3号线列车运行间隔时间短，列车通过时易引起土体振动加速地表下沉的风险。

(3)上软下硬地层易出现刀具异常损坏，掘进速度慢，刀盘扭矩高[2]，被动开仓换刀风险高。

4 施工技术措施

采用地面水平定向注浆＋22号线洞内超前注浆＋3号线洞内注浆＋22号线左线洞内向右线钻孔注浆预加固措施对刀盘前方土体进行加固，提高软弱土体自稳性及止水效果。

4.1 地面水平定向钻孔注浆预加固

(1)施工工艺

采用斜孔定向TDX150钻机，通过地面定向钻孔，穿入ϕ108×8 mm的无缝钢阀管，间隔0.5 m加工一条环槽，环槽内均布6－ϕ12 mm圆孔，放入橡胶密封套实现单向阀功能。

水平定向钻7孔，间距2 m，水平段(3号线下方)深25 m。22号线左线加固平面范围内沿3号线边线外扩5 m(加固长度28 m)、边线外扩2 m(加固宽度12.5 m)。水平段钻孔在22号线隧道上方1.5 m，加固全(强)风化花岗岩，同时，水平段钢阀管也可起到管棚支护效果＋跟踪注浆作用。左线水平定向钻加固纵断面、平面见图2、图3。

图2 区间左线水平定向钻加固纵断面

图3 区间左线水平定向钻加固平面

(2)钻孔施工

为解决局部砂层中定向钻造斜段易出现塌孔、漏浆、造斜困难等问题，将原开孔角度由70°调整至73°，优化钻具组合，提高钻具造斜能力，解决受限范围内造斜难题。

(3)塌孔处理

针对地表回填层及中粗砂地层频繁塌孔问题，采取措施如下:

①钻孔结构由一开调整为三开结构，并下入套管保护。一开钻头直径311 mm，套管为245 mm，长度为18 m；二开钻头直径222 mm，套管为180 mm，套管长度24 m；三开钻孔直径为原设计孔径，分段套管解决塌孔问题。

②调整钻井泥浆材料，增加泥浆流动性，降低泥浆比重。

(4)漏浆处理

①调整泥浆参数，增强泥浆堵漏性能，配置沥青粉增加泥浆流动性。

②地表WSS注浆对漏失层位区间进行加固封堵，在42～70 m区间沿钻孔前进方向布设5个钻孔，注单液浆加固漏失层。

③利用水平定向钻孔向地下注单液浆对漏失层位进行封堵，改善钻孔周边地层工程力学特性，加固松散土体。

(5)注浆施工

浆液采用超细水泥浆液、化学类浆液、普通水泥，注浆总量为392.1 m3。其中超细水泥浆液在2＃、3＃孔进行试验，注入总量为20.5 m3，可注性较差。普通水泥浆用于造斜段进行松散地层填充。3号线下方主要采用水玻璃类化学浆液，注浆量为84.3 m3，每注1～1.5 m3暂停1 h分析检测数据变化情况。

4.2 洞内超前注浆加固

(1)盾构机超前钻孔

盾构机盾体四周设有10个超前注浆钻孔，其中左右两侧6孔，利用盾体上部4个超前孔，补充加固刀盘上方与水平定向钻孔钢阀管之间的地层[3]，进一步降低土体透水性，使其形成1个弧形密闭壳体，提高刀盘前上方土体整体稳定性[4]。

盾构机内超前注浆孔外插角度为8°，孔间距1.2 m，注浆扩散半径约1.0 m，单次超前注浆加固3环，相邻超前注浆搭接长度约2.0 m。

(2)洞内注浆

左线进行6次洞内超前注浆加固，采用前进式注磷酸浆止水以提高富水地层的注浆效果。浆液配比为∶水∶磷酸＝10∶1(体积比)，钻到设计深度后后退式注入P.O42.5普通硅酸盐水泥－水玻璃浆液[5]。水泥浆液水灰比为1∶1，水玻璃为40°Bé(1∶1稀释)。水泥浆∶水玻璃体积比1∶1。浆液凝结时间38～45 s，注浆压力1.0～1.5 MPa，每米注浆量0.5 m3，压力与流量双控[6]。注浆过程中严格控制注浆压力，谨防压力过大浆液进入土仓或裹住盾体。

4.3 既有3号线洞内道床注浆加固

3号线汉市区间已运营多年，洞内道床及管片存在局部裂缝等病害，为避免下穿施工中因沉降导致道床及管片病害进一步扩大影响运营，对3号线右线隧道80 m影响范围34条裂缝进行道床裂缝压浆、道床与管片间缝隙压注EAA环氧浆加固。

道床两侧水沟边布设2排孔，间距0.42 m，孔径10 mm，孔深至管片内弧拱面，采用EAA环氧封闭注浆，注浆压力0.3～0.4 MPa。

道床面梅花形布设3排注浆孔，孔距1.2 m，孔深至管片内弧面。

4.4 加固实施效果

(1)水平注浆加固效果

左线对应3号线隧道中间位置钻孔深27.1 m(水平注浆加固深度24.5 m)进行地面取芯，测得抗压强度1.5 MPa。水平段钢阀管注浆管向上1.5 m高度范围内加固胶凝效果良好，具有一定强度；而注浆管下方1.5 m范围加固效果不理想。加固前后对比见图4、图5。

图4 补勘揭示7Z地层芯样

图5 水平定向注浆后取芯揭示芯样

(2)洞内注浆加固效果

右线进行道床取芯压水试验，试验压力为0.5～0.6 MPa，稳压时间分别为 5 min、10 min，两侧水沟没有漏水，道床加固效果较好。

4.5 左线洞内注浆加固右线

根据取芯检测结果，并考虑左线掘进对地层的扰动，为减小右线盾构穿越对3号线的影响，采取左线洞内加固右线的方法。

左线下穿段的8环管片10点方向拼装1块钢管片，钢管片预留2－ϕ108钢阀管注浆口和2－ϕ42小导管注浆口。钢阀管单根长19.2 m，共16根，外插角约11.5°。钢阀管与刀盘开挖直径最近0.5 m，采用水玻璃化学浆加固扩散半径至0.75 m；下部16根小导管WSS注浆，加固平面范围为13.2×12.5 m，见图6、图7。

图6 左线洞内加固右线横断面

图7 左线洞内加固右线现场

5 工后情况

5.1 自动化监测

45 m地面强影响区域间隔5 m布设1个监测断面[7]，30 m弱影响区域间隔10 m布设1个监测断面。如图8所示，每个监测断面在轨道附近的道床上布设2个沉降监测点，中腰位置布设2个水平位移监测点，隧道拱顶布设2个拱顶沉降监测点[8－9]，即每个监测断面布设6个监测点。

图8 洞内自动化监测点布设

5.2 盾构未下穿3号线隧道隆沉情况

盾构下穿前，既有线隧道因水平注浆加固呈整体上抬趋势，根据自动化监测数据，注浆加固结束时，既有线最大隆起15 mm，道床最大隆起8 mm。

既有线隧道内监测数据表明，每次注浆对既有线的上抬量变化都比较均匀、无突变点，表明注浆效果较好。

因为水平定向钻孔注浆的管棚支护效应，盾构机超前注浆对既有线的影响不明显[10－11]，每次超前注浆的隆起量与每循环掘进的沉降量基本一致，隆起量在8～10 mm之间波动；既有线道床沉降变化较小，整体变化控制在＋1 mm以内。盾构推进过程中对应3号线隧道下方YDM05、YDM06监测断面有＋0.2 mm隆起，其余监测断面监测数据无明显变化。

5.3 工后沉降数据变化

左线盾尾脱出3号线黄色影响区共掘进53环，监测数据道床累计变化最大值YDM05-5穿越前/后分别为＋6.56 mm/＋5.95 mm，数据基本稳定正常。下穿后3号线道床沉降回落至＋6 mm，下穿前后隆起变化值＋3 mm。

右线盾尾脱出3号线黄色影响区共计掘进44环，下穿期间土仓压力稳定正常[12]。3号线自动化监测累计变化最大点为ZDM05-3，竖向位移为＋14.70 mm；右线下穿3号线红色影响区期间变化最大点为ZDM07-2，竖向位移为2.97 mm，累计值为＋12.31 mm。下穿前后3号线右线道床平均变化－3.3 mm，累计最大值为＋11.24 mm。穿越后3号线右线洞内道床两侧测点监测数据累计值见图9。