劉智勇

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510330）

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，城市交通樞紐錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)法的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在城市地鐵建設(shè)中線路設(shè)計(jì)不可避免地下穿高層建筑物、橋梁、既有運(yùn)營地鐵線及河流等，盾構(gòu)隧道施工過程中技術(shù)措施不足易造成沉降超標(biāo)、建（構(gòu)）筑物開裂或傾斜、既有運(yùn)營線停運(yùn)、甚至塌方等安全事故，造成重大社會影響。其中隧道近距離下穿既有運(yùn)營線就是一類典型案例，因此為保證在建隧道施工與建（構(gòu)）筑物、既有運(yùn)營線等安全，有必要對施工階段技術(shù)進(jìn)行深入研究，采取科學(xué)合理的應(yīng)對技術(shù)措施。

目前國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)專家針對在建盾構(gòu)地鐵下穿既有地鐵隧道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，其中關(guān)繼發(fā)［1］對安全風(fēng)險(xiǎn)及控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究；胡云龍等人［2］針對在建地鐵施工對既有線的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，其次參考了一些地鐵盾構(gòu)施工近距離下穿既有線施工［3］的類似案例以及上軟下硬或全斷面富水砂層盾構(gòu)施工技術(shù)［4-6］，采取的技術(shù)措施主要為冷凍法［7］、地面雙液漿［8-9］注漿加固，洞內(nèi)雙液漿注漿加固［10-11］等，均在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)在建地鐵在上軟下硬地層條件下近距離下穿既有運(yùn)營地鐵線施工案例較少，技術(shù)措施方案還需提升，本文將依托廣州市軌道交通22號線某盾構(gòu)井區(qū)間下穿既有運(yùn)營地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間，采用地面定向注漿、洞內(nèi)從左線向右線定向鉆注漿、洞內(nèi)徑向超前注漿結(jié)合對運(yùn)營線路自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，成功完成下穿施工。為今后此類工況工程面臨的難題提供了新的解決技術(shù)方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

廣州市軌道交通22號線某盾構(gòu)井區(qū)間長2.51 km。在區(qū)間里程ZDK38+542.909～ZDK38+523.709、YDK38+564.327～YDK38+545.127段于光明北路與東環(huán)路十字路口下穿既有運(yùn)營地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間，下穿長度19.2～20.8 m。22號線隧頂埋深26.5 m，隧頂距既有3號線隧底凈距約5.5 m，先下穿3號線右線，再下穿3號線左線，如圖1所示。22號線區(qū)間采用直徑8.8 m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑8.84 m，管片外徑8.5 m，環(huán)寬1.6 m。3號線隧道處于〈5Z-2〉和〈6Z〉地層中為盾構(gòu)法隧道，隧頂埋深15.1 m，管片外徑6.0 m，環(huán)寬1.5 m。區(qū)間盾構(gòu)下穿3號線段位于東環(huán)路與光明北路交叉路口，為城市主干道，車流量較大。盾構(gòu)下穿段影響區(qū)域內(nèi)管線主要為燃?xì)夤?、自來水主管、高壓電力、雨水管、通信管等，地表環(huán)境極為復(fù)雜。

圖1 在建22號線與既有運(yùn)營3號線關(guān)系Fig.1 Relationship between Line 22 under Construction and Line 3 under Operation

1.2 地質(zhì)情況

因該區(qū)間盾構(gòu)自中間始發(fā)后，在到達(dá)下穿3號線前長約300.0 m的地層中頻繁出現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)異常，出現(xiàn)隧道拱部塌方、氣壓輔助模式掘進(jìn)保壓困難、掘進(jìn)刀盤扭矩大、刀具損壞異常頻繁等問題，根據(jù)渣樣分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際地層與詳勘地質(zhì)存在較大差異，初步判斷為上軟下硬底層。受既有線地保范圍影響，詳勘階段詳勘孔間距達(dá)到50.0 m，揭示22號線左右線下穿既有3號線段均為全斷面的〈8Z〉地層（中風(fēng)化混合花崗巖）。

為進(jìn)一步探明下穿3號線真實(shí)地質(zhì)情況，在3號線隧道邊線3.0 m和3號線左右線隧道中間共鉆取了10個(gè)補(bǔ)勘孔。補(bǔ)勘芯樣如圖2所示，揭示下穿3號線右線時(shí)，22號線左、右線洞身范圍均為混合花崗巖上軟下硬地層（洞身范圍內(nèi)有〈6Z〉、〈7Z〉、〈8Z〉），該段〈7Z〉地層風(fēng)化含砂量較高，篩分含砂量達(dá)90%，含泥量10%，手?jǐn)Q易碎，自穩(wěn)性極差，〈8Z〉地層飽和抗壓強(qiáng)度最小65.1 MPa、最大138.1 MPa，隧道下部較硬，RQD值為6%～12%，裂隙比較發(fā)育。根據(jù)勘查報(bào)告顯示，區(qū)間地下水主要分為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。主要含水層是砂層及花崗巖風(fēng)化層，穩(wěn)定地下水水位埋深3.4～4.1m，屬于典型的上軟下硬富水花崗巖地層。

圖2 下穿段補(bǔ)勘地質(zhì)Fig.2 Reconnaissance Geology of Underpass Section

2 近距離下穿施工風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)補(bǔ)勘報(bào)告，22號線某區(qū)間盾構(gòu)下穿3號線段為上軟下硬富水地層下穿既有運(yùn)營線路，與詳勘全斷面〈8Z〉地層存在較大差異，盾構(gòu)施工下穿存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

⑴超方：上軟下硬地層刀盤振動(dòng)明顯，推進(jìn)速度慢，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對上部的軟弱地層擾動(dòng)大，容易出現(xiàn)上部剝落超方現(xiàn)象，造成3號線隧道沉降和蹋方等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車脫軌、停運(yùn)。

⑵列車震動(dòng)：3號線列車運(yùn)行間隔頻次高，列車通過時(shí)振動(dòng)，加速引起土體振動(dòng)下沉。

⑶失水沉降：3號線所處〈5Z〉、〈6Z〉地層，因土體失水，容易造成3號線失水沉降或變形超限。

⑷失壓：地面地質(zhì)孔、監(jiān)測孔或裂縫嚴(yán)重漏氣，3號線洞內(nèi)管片接縫可能出現(xiàn)漏氣，造成盾構(gòu)機(jī)失壓，引起地層塌方。

⑸刀具損壞：下穿段盾構(gòu)機(jī)刀具異常損壞，掘進(jìn)速度緩慢，刀盤扭矩高，被動(dòng)進(jìn)行開倉換刀風(fēng)險(xiǎn)。

⑹卡螺旋機(jī)：〈8Z〉地層裂隙發(fā)育，掌子面不平整，大塊巖石進(jìn)入土倉難以排出，造成刀盤或螺旋機(jī)卡死。

⑺結(jié)泥餅：土倉渣土改良不當(dāng)，渣溫高，刀盤中心容易結(jié)泥餅，導(dǎo)致掘進(jìn)參數(shù)異常。

⑻竄漿：二次注漿、超前注漿、深孔注漿、水平定向注漿等漿液流竄至3號線洞內(nèi)，影響列車安全。

⑼注漿隆起：采取注漿加固措施，注漿壓力過大，可能造成3號線隆起、位移超限，影響行車安全。

⑽管線斷裂：地面出現(xiàn)較大沉降或塌方，造成燃?xì)夂妥詠硭鞴芫€斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

⑾地面塌方：造成地面交通阻斷風(fēng)險(xiǎn)。

3 綜合控制技術(shù)

3.1 地面水平定向鉆孔注漿加固

3.1.1 加固方式

采用斜孔定向TDX150鉆機(jī)，通過地面定向鉆孔，全孔下入鋼閥管，對22號線與3號線交叉重疊區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)、定量預(yù)注漿，起到固結(jié)松散的全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖的作用，提高其自穩(wěn)強(qiáng)度和抗擾動(dòng)能力，同時(shí)定向鉆水平段鋼閥管也可起到管棚支護(hù)效果+跟蹤注漿的作用，從而大大降低22號線盾構(gòu)下穿3號線的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 加固范圍

水平定向鉆設(shè)計(jì)鉆孔7孔，鉆孔水平間距2.0 m，水平段（3號線下方）垂深為25.0 m。22號線左線加固平面范圍為3號線邊線外擴(kuò)5.0 m（設(shè)計(jì)加固長度28.0 m），22號線邊線外擴(kuò)2.0 m（設(shè)計(jì)加固寬度12.5 m），水平段鉆孔高程在22號線隧道上方1.5 m，主要加固地層是全、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。水平定向鉆加固及垂直方向加固軌跡如圖3所示。

圖3 區(qū)間左線水平定向鉆加固平、縱斷面示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Horizontal Directional Drilling for Reinforcement of Horizontal and Vertical Sections on the Left Line of Interval（m）

3.1.3 實(shí)施技術(shù)

22號線左線設(shè)計(jì)水平定向注漿7孔（見圖4、圖5）已順利按設(shè)計(jì)方案實(shí)施完成，漿液采用超細(xì)水泥漿液、化學(xué)類漿液、普通水泥，注漿總量392.1 m3，其中超細(xì)水泥漿液在2#、3#孔試驗(yàn)，注入總量為20.5 m3，可注性較差。普通水泥漿主要用于造斜段進(jìn)行松散地層填充，3號線下方采用水玻璃類化學(xué)漿液，注漿量84.3 m3。每次注漿量約為1.0～1.5 m3，中間停頓1 h觀察檢測數(shù)據(jù)變化情況。通過在區(qū)間左線對應(yīng)3號線隧道中間位置進(jìn)行地面取芯，鉆孔深27.1 m（水平注漿加固深度24.5 m）測得抗壓強(qiáng)度1.5 MPa。水平段鋼閥管注漿管往上1.5 m高度范圍內(nèi)加固膠凝效果良好，具有一定的強(qiáng)度，與原地層相比有一定的膠凝效果，而注漿管下方1.5 m范圍加固膠凝效果不理想。

圖4 水平定向鉆實(shí)際成孔軌跡平面Fig.4 Plan of Actual Hole-forming Trajectory of Horizontal Directional Drilling （mm）

圖5 水平定向鉆布孔剖面Fig.5 Horizontal Directional Drilling Hole Profile（mm）

為了避免在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，因水平定向鉆漏氣造成土倉壓力失壓的風(fēng)險(xiǎn)，已提前對水平定向注漿孔用水泥漿液進(jìn)行封堵，僅保留4#注漿孔作為地面應(yīng)急注漿措施。4#注漿孔位于隧道上方（掘進(jìn)方向左側(cè)），長116.0 m，用套殼料進(jìn)行封堵，強(qiáng)度1.0 MPa，在出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，預(yù)計(jì)4 h完成掃孔后開始定點(diǎn)注漿，在緊急情況下也可以實(shí)現(xiàn)孔口灌漿填充。

3.2 洞內(nèi)超前注漿加固

本區(qū)間采用的2臺鐵建重工盾構(gòu)機(jī)盾體四周設(shè)置有10個(gè)超前注漿鉆孔位置，其中中部水平鉆孔6個(gè)，頂部鉆孔4個(gè)（見圖6）。結(jié)合地面水平定向鉆孔注漿加固，利用盾體上部4個(gè)超前孔，補(bǔ)充加固刀盤上方與水平定向鉆孔水平鋼閥管之間的地層，盡可能減小土體透水性，使其形成1個(gè)半圓形密閉殼體，提高盾構(gòu)刀盤前上方土體整體穩(wěn)定性，確保下穿3號線出渣量正常，防止超方。洞內(nèi)超前注漿可通過在盾構(gòu)機(jī)中盾搭設(shè)腳手架子（見圖7）實(shí)施。

圖6 盾體超前注漿孔位置示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Advance Grouting Hole Position of Shield Body

圖7 超前注漿施工示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Advance Grouting Construction

盾構(gòu)機(jī)內(nèi)超前注漿孔設(shè)計(jì)為外插角度為8°，孔間為1.2 m，注漿擴(kuò)散半徑R=1.0 m，4個(gè)注漿孔最終注漿加固的水平寬度約4.8 m。單次超前注漿加固，盾構(gòu)最多掘進(jìn)3環(huán)，相鄰2次超前注漿范圍搭接長度約2 m。

左線下穿過程中計(jì)劃進(jìn)行6次盾構(gòu)機(jī)內(nèi)超前注漿加固（見圖8），鉆孔過程中考慮到地下水極為豐富，采用前進(jìn)式注磷酸漿止水措施，漿液配比為水∶磷酸=10∶1（體積比），待鉆到設(shè)計(jì)深度后采用后退式注入PO.42.5普通硅酸鹽水泥-水玻璃漿液，水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃40be波美度（1∶1稀釋），水泥漿∶水玻璃體積比1∶1，漿液凝結(jié)時(shí)間為38～45 s，注漿壓力為1.0～1.5 Pa，注漿量在1 m（0.5 m3）實(shí)行雙控。注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力，謹(jǐn)防由于壓力過大漿液進(jìn)入開挖倉或裹住盾體。

圖8 下穿3號線超前注漿示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Advanced Grouting under Line 3（m）

為防止超前注漿將盾構(gòu)機(jī)裹死，現(xiàn)場施工時(shí)采取如下措施：

⑴停機(jī)前，將刀盤后退，防止刀盤抱死并預(yù)留脫困空間。

⑵在注漿前必須將土倉內(nèi)保滿實(shí)土壓（或注入膨潤土保壓），可通過土倉后壁球閥進(jìn)行檢測。

⑶通過往盾體徑向孔注入膨潤土漿或克泥效，填充盾體與開挖面之間的空隙。

⑷停機(jī)前及注漿期間，不間斷往鉸接密封、盾尾注入油脂，謹(jǐn)防漿液裹住盾體。

⑸注漿程中采取后退式注漿，通過注漿壓力及注漿量指標(biāo)進(jìn)行雙控。若出現(xiàn)壓力上升過快，則停止注漿，并且注漿過程中要隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，防止刀盤被漿液凝固。

3.3 洞內(nèi)定向注漿加固

左線已完成下穿3號線，水平定向注漿加固作用明顯：①增強(qiáng)了地層的氣密性，降低盾構(gòu)失壓的風(fēng)險(xiǎn)；②有效地防止了洞內(nèi)超前注漿對3號線的隆起，保證了超前注漿的壓力可以加大從而保證加固效果。結(jié)合左線加固經(jīng)驗(yàn)，右線采用與左線相同的加固措施，即3號線右線道床加固措施、水平鉆孔注化學(xué)漿預(yù)加固措施和每3環(huán)一次循環(huán)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)超前注漿加固措施。

因地面條件受限水平定向鉆加固難以實(shí)施，結(jié)合當(dāng)前的工況具備從左線成型隧道內(nèi)向右線施工定向鉆孔注漿加固的條件，故確定了左線洞內(nèi)往右線鉆孔注漿加固，如圖9?所示，成孔距離更短，漿液類型采用與左線水平定向注漿相同的水玻璃類化學(xué)漿。

圖9 左線洞內(nèi)往右線鉆孔預(yù)注漿加固橫斷面及平面Fig.9 Cross-sectional and Plan of Pre-grouting Reinforcement by Drilling Holes from the Left Line to the Right Line（m）

在22號線左線下穿段的8環(huán)管片中，每環(huán)在10點(diǎn)方向拼裝1塊鋼管片，鋼管片預(yù)留2個(gè)φ108鋼閥管注漿口和2個(gè)φ42小導(dǎo)管注漿口，如圖9?所示，鋼閥管單根總長19.2 m，共16根，外插角約11.5°，鋼閥管與刀盤開挖直徑最近距離為0.5 m，加固擴(kuò)散半徑按0.75 m設(shè)計(jì)，采用水玻璃化學(xué)漿或水泥漿，下部設(shè)計(jì)16根小導(dǎo)管wss注漿，加固平面范圍為13.2 m×12.5 m，如圖10所示。

圖10 左線洞內(nèi)往右線鉆孔預(yù)注漿加固Fig.10 Pre-grouting Reinforcement by Drilling Holes from the Left Line to the Right Line（m）

3.4 既有運(yùn)營線自動(dòng)化監(jiān)測

利用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)［12］對既有隧道進(jìn)行24 h進(jìn)行三維空間全方位、全過程的監(jiān)測。一方面，有助于快速回饋施工信息。另一方面，對既有成型隧道保護(hù)具有重要的意義。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生危險(xiǎn)的先兆，判斷既有成型隧道以及工程施工的安全性，以便提前采取必要的工程措施，保證工程順利進(jìn)行，做到信息化施工。

結(jié)合隧道下穿對3號線的影響強(qiáng)弱情況進(jìn)行布設(shè)，位于下穿位置1倍洞徑范圍內(nèi)約45 m強(qiáng)烈影響區(qū)域5 m一個(gè)，共7個(gè)監(jiān)測斷面；1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內(nèi)約30 m的影響區(qū)域10 m一個(gè)，共6個(gè)監(jiān)測斷面；單線共計(jì)13個(gè)監(jiān)測斷面，如圖11?所示。

每個(gè)斷面在軌道附近的道床上布設(shè)2個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，中腰位置布設(shè)2個(gè)水平位移監(jiān)測點(diǎn)，隧道拱頂布設(shè)2個(gè)拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖11?所示，通過自動(dòng)化監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺系統(tǒng)可隨時(shí)掌握沉降情況，如圖12所示。

圖12 盾構(gòu)施工自動(dòng)化監(jiān)測實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺Fig.12 Real-time Monitoring Platform for Automatic Monitoring of Shield Construction

4 結(jié)論

本文采用地面定向注漿、洞內(nèi)定向注漿、洞內(nèi)超前注漿及自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，使上軟下硬地層條件下盾構(gòu)近距離下穿既有運(yùn)營隧道施工安全得到了保證，同時(shí)在施工過程中深化完善技術(shù)措施，為同類型工程建設(shè)提供了有效參考。本文所得結(jié)論總結(jié)如下：

⑴區(qū)間左線隧道先行下穿既有地鐵3號線時(shí)，采用了地面水平定向鉆注漿加固左線隧道拱部土體，待左線隧道通過之后，在左線成型隧道內(nèi)側(cè)向打孔注漿加固右線隧道拱部，系統(tǒng)地形成了一套注漿加固下穿施工工藝。地面水平定向鉆可以解決地面環(huán)境復(fù)雜情況下的注漿加固難題，洞內(nèi)側(cè)向鉆孔注漿有效減少了地面水平定向鉆的工程量，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)也降低了施工造價(jià)。

⑵在上軟下硬富水地層中盾構(gòu)下穿既有線路，提前注漿加固，保證了地層的氣密性，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了水玻璃類化學(xué)漿液的可注性。實(shí)際證明，注漿壓力控制在0.5 MPa，采用少量、重復(fù)多次的注漿模式，對既有線的影響比較小，該工程注漿引起既有線道床隆起量在12 mm以內(nèi)。

⑶通過對注漿效果的鉆芯取樣試驗(yàn)證明，注漿管上方漿液擴(kuò)散距離比較遠(yuǎn)，但是漿液往更深層土體的滲透不明顯，因此需要采用洞內(nèi)超前注漿加固隧道拱部1.5 m范圍土體。實(shí)踐證明，定向鉆注漿加固之后，在既有線和下穿隧道之間形成了很好的板結(jié)效應(yīng)，超前注漿對既有線的變形影響不再明顯。

⑷通過上述措施，整個(gè)下穿期間，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的既有線沉降變形為1～2 mm，盾構(gòu)通過影響區(qū)之后，既有線道床隆起量最大在10 mm以內(nèi)，變形沒有出現(xiàn)負(fù)值。此套下穿施工工藝成功地解決了極其復(fù)雜的環(huán)境中盾構(gòu)上軟下硬地層下穿既有線的施工難題，為以后的盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源提供了寶貴的參考價(jià)值。