富水卵漂石地层大盾构区间下穿既有运营盾构区间加固方案分析

富水卵漂石地层大盾构区间下穿既有运营盾构区间加固方案分析

陶德敬

中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031

摘要：本文以轨道交通大盾构区间下穿既有盾构区间隧道工程实例为背景，分析了在高含量大粒径富水卵漂石地层下穿既有线采取的各种加固措施的实际效果，在素桩区采用了地面袖阀管注浆、中盾注浆、同步注浆及二次注浆等综合注浆加固措施确保了下穿既有线的安全，其成果对类似工程具有一定的参考价值。

关键词：大盾构；大管棚；地层加固；下穿；注浆；

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1. 引言

随着城市的发展城市轨道交通也正在加速成网，在此背景下新建线路穿越既有运营线的情况越来越多，对既有线的保护是工程技术的一个难题，针对成都富水砂卵石地层部分地段含大漂石地层，常规预加固措施质量难以保障加固效果，对大管棚（管幕）的加固措施提出了新的要求和挑战。但目前成都既有大管棚的打设长度有限，施工精度差，施工工艺急需改进，此外需考虑其他加固措施以满足下穿既有既有地铁、既有铁路、高速公路和市政工程等长距离安全的要求。

2. 工程背景

轨道交通17号线一期工程凤溪河站~温泉大道站盾构区间在YDK60+825～YDK60+850段下穿既有运营4号线盾构隧道，17号线盾构隧道外径8.3m，管片厚度0.4m，水平线间距为16.2m，隧道顶覆土厚度为19.55m。4号线为外径6m的盾构隧道，左右线间距15.6m，隧道顶部覆土9.986m，17号线隧道与4号线隧道最小垂直距离为3.564m。

图1 下穿隧道平面关系图

凤溪河站~温泉大道站区间靠近凤溪河站接收端17号线盾构通过区域地层主要为<2-9-3>密实卵石土层，17号线穿越4号线区域地层为<2-9-3>密实卵石土层，4号线与17号线重叠区域设有素桩。车站施工期间降水至基坑底部以下，施工区域无水施工。

3. 设计方案及采取的控制措施

3.1 管棚设计方案

既有4号线盾构隧道在下穿节点重叠区域预留了素桩加固措施，素桩群沿管棚打设方向布置有六排（隧道掘进方向），17号线隧道横向布置五排；素桩直径采用1米，间距1.35米，群桩长度7.75米，相邻群桩间距约7.816米，素桩从地面打设至17号线隧道底以下888mm。群桩之间采用地面袖阀管注浆加固。

管棚共设置两排，沿下穿隧道顶部120°角范围内布置，管棚采用Φ194×16mm规格，管棚长度38m，孔口环向间距400mm，上扬角度为1.5°，上、下两排管棚呈梅花形布置。下排管棚25根，上排管棚27根，管棚路径理论离既有线最小竖向距离为1.85m。

图2 下穿隧道剖面关系图

   图3 下穿隧道大管棚设计图

下穿节点大管棚共设置两排，沿下穿隧道顶部120°角范围内布置，管棚采用Φ194×16mm规格，管棚长度38m，孔口环向间距400mm，上扬角度为1.5°，上、下两排管棚呈梅花形布置。下排管棚25根，上排管棚27根，管棚路径理论离既有线最小竖向距离为1.85m。

3.2管棚施工情况

Φ194大管棚采用潜孔锤或扩孔锤冲击外周钢管挤扩成孔，将钻杆、冲击钻头连接好利用Φ194*16mm（内径164mm）钢管作为外套管进行顶部棚户。潜孔锤跟管钻进，钻进过程中利用空压机提供高压风使得前方钻头高频率冲击破碎，同时利用大顶力钻机推动钻杆、钻头和外套管同步向前，挤入卵石地层，从而完成管棚打设。主要施工步骤如下：

（1）水钻进行导向孔钻孔

（2）安装首节钢管并进行角度定向和尾部焊接固定，锤头冲击成孔钢管跟进

（3）钻进第一节钢管至合适位置，接长管棚钢管后继续钻进成孔。

（4）重复钻进至设计深度，清孔吹渣，水位测量，钻杆带出锤头，管棚支护

（5）管棚内注浆。

由于重叠区域存在素桩加固，管棚打设至设计长度成功率小于50%，导致管棚提前终孔的原因主要有顶进压力大、管棚上偏、管棚下偏以及钻头钻杆难以拔出等，单根管棚需穿越12根素砼桩，期间管棚打设长度越长，越容易造成变形，弯曲管棚在素桩中顶进困难。

3.2数值模拟分析

针对管棚施工情况，对盾构穿越素桩分为进桩、穿桩和出桩的不同工况进行分析模拟，同时对砂卵石和素桩穿越的工况进行数值模拟分析如下：

图4 盾构下穿3排素桩工况模拟

图5 盾构完全穿越素桩工况模拟

表1  数值模拟计算结果

通过数值分析计算存在27mm缝隙的工况下盾构与素桩之间三种状态下的结构变形及受力，结果显示：

（1）管棚的存在对四号线的变形控制作用有限。   

（2）盾构穿越素桩后四号线最大沉降已达20mm，超过施工控制值，由此说明素桩的存在难以满足四号线变形控制要求。

3.3加固措施

1）地面注浆加固

考虑管棚实施情况及数值模拟计算结果增设地面垂直袖阀管及斜向袖阀管跟踪注浆、盾构机盾体惰性浆液注浆、盾构机盾尾同步注浆及盾尾脱出管片后二次注浆。为加固4号线隧道下方地层，将该区域地层和素桩连成整体，提高承载能力，采用从右线下穿段地面共打设垂直袖阀管4排32根，斜向袖阀管4排32根，共64根，分部在4号线隧道两侧。同时在地面预留袖阀管，在17号线盾构穿越4号线时进行地层补充跟踪注浆，弥补4号线下方地层损失。

图5 地面袖阀管注浆加固平面布置图

2）中盾注浆措施

由于盾体直径比刀盘开挖直径小54mm，导致盾体与开挖隧道之间存在缝隙，为了有效控制沉降，需及时填充此部分空隙。在前盾径向孔位置注惰性浆液。

表2  惰性浆液配合比

4. 监测结果

17号线盾构通过既有四号线隧道时，刀盘通过前隧道结构变形较小，盾构通过过程中沉降猛增，脱出盾尾后，沉降持续发生，一天后沉降稳定。由于后续持续注浆，隧道结构沉降有所减小。

       图6 四号线右线隧道沉降数据

图6 四号线左线隧道沉降数据

图6 四号线右线横向沉降槽

四号线右线沉降在17中心线两侧呈不规则分布，峰值出现在17号线开挖轮廓线附近，最大值为-4.16mm，沉降在峰值两侧基本呈左右对称，主要是四号线右线素桩加固对四号线的受力产生了影响，导致沉降曲线中心出现了偏移。

图6 四号线右线横向沉降槽

四号线左线最大位移出现在17号线中心线附近，最大值为-5.09mm。沉降沿17号线中线呈左右对称趋势，考虑左线素桩加固效果不佳，对四号线沉降没有产生明显的影响。

5. 分析结论及建议

从上述分析，可得出如下结论及建议：

（1）卵漂石地层下穿既有线节点预留素桩区长距离打设大管棚，采用目前工艺难以达到所需效果。

（2）下穿节点通过地面垂直袖阀管及斜向袖阀管跟踪注浆、盾构机盾体惰性浆液注浆、盾构机盾尾同步注浆及盾尾脱出管片后二次注浆等综合注浆措施可有效控制既有线沉降及变形要求。

  （3）盾构下穿4号线左线前，结构变形较大，主要时由于四号线左线素桩加固效果不好，且盾构机推力，扭矩都比较大，对地层扰动较大。

（4）盾体通过4号线时，沉降变化趋势有一定的减小，主要是由于提高了惰性浆的注入量，同时通过改动泥浆泵，通过前盾注浆孔向盾构外注入膨润土泥浆，有效的控制盾构通过沉降。

（5）盾尾脱出后，二次注浆采用单液浆配合双液浆，且每环管片多点多次进行补浆，及时有效的注浆，减小了后续沉降。

（6）另外需说明，上述数值分析的力学模型不能完全准确模拟实际情况，同时受相关技术参数取值影响较大，仅供设计施工借鉴参考。

参考文献：

[1] 程国良，刘宝林，董勇，等.盾构穿越既有地铁运营线控制措施与效果分析[J].施工技术，2021.

[2]祝思然，黄佩格，矫伟刚，等.盾构近距离下穿既有地铁隧道沉降控制技术研究[J].隧道建设，2016，036（002）：234-240.