砂卵石地层大直径盾构始发下穿管线群施工技术———以成都轨道交通17号线温明区间盾构工程为例

摘要 :为解决砂卵石地层大直径盾构始发下穿高压燃气管线群的沉降控制技术难题,以成都轨道交通17号线一期工程TJ06标温泉大道站—明光站区间盾构隧道工程为依托,采用方案论证及现场实测等手段,对地铁大直径盾构始发下穿管线群加固方案、施工 工艺及控制参数等开展研究。

结果表明:1)采用双层大管棚、袖阀管注浆及井点降水组合方案可有效控制砂卵石地层盾构始发地表沉降;2)采用条形基础加固+钢丝悬吊固定的保护措施可有效控制砂卵地层管线沉降;3)在相同地质条件及埋深地段盾构掘进试验基础上,提出砂卵石地层始发穿越管线时盾构掘进两阶段控制参数建议值;4)管线沉降监测数据表明,盾构施工过程中管线累计沉降小于控制标准。

0.引言

在建筑物密集的城市环境条件下,地铁隧道建设不可避免地会涉及到隧道穿越市政管线或既有建筑物的情况,在保证隧道施工安全的前提下,如何采取加固措施避免盾构隧道施工对既有建(构)筑物产生过大的影响是一个重要的研究课题。近年来,相关研究人员对盾构隧道始发端土体加固和盾构下穿污水管、燃气管等管线施工保护措施开展了较多的研究工作。

沈俊杰针对粉质砂土地层盾构隧道下穿污水管引起的管线变形进行了研究。刘文黎等采用数值模拟方法,研究了盾构始发端头加固范围及加固参数。殷黎明采用解析法,推导出砂卵石地层盾构始发端土体加固范围。杜宝义等提出了一种素混凝土地下连续墙与高压旋喷桩相结合的盾构始发端头加固方法,保障了土体加固效果。张竹清采用理论计算与案例分析相结合的方法,总结了地铁盾构隧道下穿高压管线的距离要求及管线沉降控制标准。刘恕全等采用数值模拟和试掘进等手段掌握了盾构穿越施工参数,提出了盾构超近距离穿越污水管线时的施工控制参数建议值。文一鸣等以成都地铁4号线工程为依托,针对盾构下穿既有建筑物及铁路等建筑物情况,提出了盾构下穿施工的步进法。

分析上述既有研究可知,在盾构始发端头加固措施及加固范围等方面已经有较多的研究成果,在盾构下穿单根管线时的沉降控制标准及加固措施等方面也有较多的报道,但在区间盾构隧道始发即下穿管线群施工方面的研究则相对较为欠缺,尤其是对既有管线群的整体保护措施及具体施工工艺的研究更是鲜见报道。本文依托成都地铁17号线一期工程TJ06标温泉大道站—明光站区间盾构始发下穿高风险管线群工程,针对盾构隧道始发施工技术方案进行研究,以期为类似工程提供参考。

1.依托工程概况

1.1工程简介

成都轨道交通17号线一期工程温泉大道站—明光站区间(简称温明区间)总长1749m,盾构隧道外径为8.3m,内径为7.5m,管片宽度为1.5m,每环管片由7块组成。温明区间由温泉大道站始发,始发端头隧道埋深8.1m,采用2台?8.6m的土压平衡盾构施工,2台盾构在距离始发端2.5~13.8m集中下穿6根燃气管和1根10kV地埋高压线。盾构隧道始发井与管线平面位置关系如图1所示,各个管线距离盾构隧道右线始发井最近距离为2.5m,最远距离为12.3m。

管线埋深、管线规格型号、管线既有保护措施见表1。除1根低压燃气管及高压线管之外,原管线(材质为钢管)均有外套混凝土管保护,管线内气体压力最高达4MPa。

1.2工程水文地质

盾构在始发20m范围内穿越的地层从地面往下依次为〈1-2〉人工填土、〈2-3〉粉质黏土、〈3-8-1〉稍密卵石土、〈3-8-2〉中密卵石土及密实卵石土(隧道仰拱底面以下),隧道开挖后自稳能力差。勘察资料显示,地下水主要有2种类型:一是赋存于填土层的上层滞水,二是第四系砂卵石层的孔隙水。盾构始发端地下水位埋深为2.7m左右。盾构始发下穿管线区段地质剖面如图2所示,盾构隧道位于中密卵石土层和密实卵石土层之间。

2.管线保护方案及盾构施工参数

2.1盾构端头加固方法

目前对盾构端头土体加固方法主要有搅拌桩加固、旋喷桩加固、注浆加固、SMW法、冻结加固以及组合加固法等。由于本区间盾构始发端地层以砂卵石为主,且地下水位较高,根据文献研究成果可知,不宜采用高压旋喷桩和搅拌桩等加固方法。另一方面,若采用冻结法,一般需要地层中具有一定的含水率,而本项目依托工程砂卵石地层车站施工降水造成盾构多在无水地层中始发,因此,冷冻法效果往往不理想,且冻结法的工期较长、造价高,也不宜采用。成都地铁富水砂卵石地层为了确保盾构始发安全,均采用井点降水,将水位降至隧底1m以下,由于始发段一般处于稍密和中密地层,加之降水导致地层细颗粒流失,盾构始发时极易产生超方甚至坍塌,故在盾构始发前均要对地层进行加固处理。结合本区间地质条件,为最大限度地控制管线沉降,经过综合比选论证,采用以双层水平大管棚注浆加固为主,以地面袖阀管注浆加固和井点降水为辅的加固方案。其中上层大管棚在洞门环梁外侧布置12根,临时环梁上方布置22根,钢管环向中心间距300mm,外插角0°~1°,长20m;下层大管棚在洞门钢环内布置34根,大管棚孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外200mm布置。双层大管棚加固示意如图3所示,管棚施工情况分别如图4和图5所示。

2.2盾构端头加固范围

通过大量文献调研,结合本工程的具体情况,提出加固标准为:端头土体加固后的无侧限抗压强度应≥0.8MPa;砂卵石透水地层中,土压平衡盾构帘布橡胶洞门密封,端头土体纵向加固长度取值为盾构主机长度+1~2倍管片宽度。但鉴于始发端2.5~13.8m下埋管线密集,因此,适当加大了地层加固纵向范围,具体加固措施及范围见图6—9。根据理论计算,在盾构上半断面8m以上范围进行注浆加固即可有效减少地面沉降。

2.3管线保护措施

下埋管线主要承受由内部工作压力、上覆土压力、动静荷载、安装应力及环境影响等因素共同作用的初始应力和盾构掘进扰动土体引起的管线不均匀沉降和水平位移产生的附加应力。目前针对管线主要有隔离、悬吊、主动支撑、土体加固、卸载等保护措施。该工程结合端头土体加固采用袖阀管注浆加固管线与隧道间土体,减小周围土体的竖向位移导致的管线竖向拉压作用;卸载管道上层覆土,利用地面硬化混凝土板(盾构吊装场地)形成保护舱并对管道进行悬吊保护。燃气管线外套有混凝土管,混凝土管每节2m,每节混凝土管由2根18mm钢丝绳悬吊,从而保护燃气管。钢丝绳通过紧线器固定悬挂在20号工字钢上,便于管线发生沉降后调节紧线器纠正变形。盾构隧道下穿施工前管线保护措施见图10。

另一方面,为防止沿隧道垂直方向管线发生不均匀沉降,在燃气管长度方向两侧预埋袖阀管,根据盾构施工时管道沉降监测情况进行跟踪注浆,一旦发生沉降,可通过预留注浆孔进行相应填充加固。

2.4盾构掘进参数

在对管线群采用了保护措施后,还需要对盾构掘进施工相关参数进行设定。本区间盾构始发施工开始即穿越管线,不具备在始发开始试掘进确定控制参数的条件。

为此,在另一个相邻盾构区间选取地质条件、埋深、隧道线型等与本区间相类似的始发端头进行掘进试验,重点进行施工参数经验值的分析,为盾构始发下穿高风险管线群掘进时提供合理的参数依据。参考段地面隆起和沉降控制目标为:地面单次最大隆起量<2mm,地面累计隆起量<10mm;地面单次最大沉降量<3mm,地面累计沉降量<30mm。根据地面监测结果不断调整掘进参数,直到达到目标要求。通过参考段总结,得出了磨桩阶段、始发阶段及正常掘进阶段盾构控制参数值见表2。考虑到地层中存在管线时,地层参数与试验段会有所差别,因此,正式下穿掘进施工时以表2的控制参数为初始值,施工期间结合监测数据分析结果不断优化掘进参数。

3.盾构始发下穿管线群施工

3.1准备工作及管线复核

为应对施工过程中可能出现的突发情况,项目单位开展了如下准备工作:配备各种应急物资;施工前调试好盾构、电瓶车、龙门吊等施工机械;各岗位人员就位,对人员进行岗位培训及技术交底工作。

为了确保施工前掌握的管线信息正确无误,需要对管线数量、材质及管线隧道相互位置关系进行复核。复核结果显示和既有管线走向及埋深与勘察资料吻合度较好,无新的重要管线发现。复核时对特征点现场进行了标识,并完成所有地下管线及特征点的初始测量工作。

3.2地层加固施工

3.2.1地面袖阀管注浆施工

在盾构始发区域内,避开管线影响区域进行袖阀管注浆施工。钻孔选用HM90S钻机,采用优质泥浆护壁。套壳料采用黏土和水泥配制,配比范围为水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88。浆液比重约为1.5,漏斗黏度为24~26s。注浆液采用P·O42.5普硅硅酸盐水泥,注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。开环压力为0.35MPa左右,正常注浆压力为0.2~0.4MPa,注浆压力最大值控制在0.6MPa以内,并由上而下逐渐减小。每次都必须跳开一个孔进行注浆,以防止发生窜浆现象。全孔段注浆完成后,间歇一段时间再进行第2次注浆,间歇时间控制在10~30min。当注浆压力≥0.6MPa且吸浆量<2.5L/min时,稳定25min。在注浆过程中,一方面要保证浆液不发生窜流或漏失;另一方面,要密切监测地面及建筑物的变化情况,如发现被加固管线有上抬的趋势,需立即停止注浆,并采取相应措施。

3.2.2大管棚加固施工

大管棚导向管按设计钻孔,导向管采用?133mm、壁厚4mm、长度1.2m的钢管。采用HTG350钻机成孔,管棚采用外径?108mm、壁厚6mm的垫轧无缝钢管,分节安装,沿管壁钻?10mm压浆孔,间距200mm梅花型布置。围护结构段采用钻机钻孔,钢管沿隧道周边以?1°~2°外插角直接打入围岩。注浆管采用42mm镀锌管,加工成3.5m每节,采用丝扣连接,由钢管内安放至底端。管棚施工完成1根,注浆1根,注浆时钢管尾部设止浆塞,并在止浆塞上设注浆孔和排气孔。水泥浆水灰比(质量比)为0.8∶1~1∶1,注浆过程应随时注意注浆压力的变化,采用注浆压力和注浆量双控指标,当2个指标都达标后,即可停止注浆。

3.2.3加固效果检查

采用垂直钻孔取芯试验检测加固土体强度,加固后抗压强度应大于1MPa。在洞门上方按米字形均布设9个直径70mm、长度2m的水平探孔,当探孔平均出水量<0.2L/min或任1孔出水量<5L/min即符合要求。如未达标则进行再加固。完成检查后,应及时用M10水泥砂浆进行封堵。本隧道始发下穿段加固后,取加固区域土体进行了无侧限抗压强度试验,结果表明,加固后的土体无侧限抗压强度平均值为4.8MPa,满足要求。

3.3管线保护施工

该工程中,侧墙与地面硬化混凝土板(盾构吊装场地)形成保护舱,经过计算,既满足盾构吊装时地基承载力要求,又对DN406高压燃气管道进行了长期的保护。由于该段位置埋设较多燃气管线,采用人工分层开挖,条形基础内壁侧距离高压燃气管道不小于0.6m。条形基础混凝土采用C30混凝土,待强度满足要求后,开挖管道上层覆土,分层开挖至管道底下2cm位置。条形基础施工情况见图11。

开挖时注意对管道进行保护,每挖出1节混凝土管,就在距其两端30cm位置分别穿引1根直径为18mm钢丝绳。钢丝绳悬吊在20工字钢上,且处于拉紧状态。钢丝绳外穿有直径为5cm软管,钢丝绳与混凝土管接触位置垫有橡胶垫。钢丝绳悬吊和管线施工见图12。

待上述工作完成后,在管道底部浇筑5cm厚M10砂浆垫层,再分层回填细土至管道上方50cm并及时压实。然后支模施工60cm厚盾构吊装场地钢筋混凝土,在混凝土浇筑前沿10kV地埋高压线走向位置上方铺设30m×1m×1cm(长×宽×厚)钢板,再在钢板上铺设一层油毛毡。地面贝雷梁悬吊安装施工如图13所示。

3.4盾构掘进施工

3.4.1掘进参数

本项目采用试验段确定了掘进参数初始值,掘进过程中,通过现场实践及总结分析,将掘进参数分为磨桩与原状土阶掘进2个阶段。磨桩阶段：1)刀盘转速0.5~0.7r/min；2)刀盘转矩3000~5000kN·m；3)推进油缸总推力9500kN;4)推进速度5~10mm/min。

原状土阶掘进阶段：1)刀盘转速0.7~1.55r/min；2)刀盘转矩5000~15000kN·m；3)推进油缸总推力9500~33000kN；4)推进速度30~55mm/min。始发开始在敞开模式下掘进,掘进+4环封洞门后开始逐步加压，中心土舱压力初值设定为0.05MPa。

盾构推进轴线偏斜、衬砌环法向面倾斜均会造成盾构蛇形推进,导致周围土体产生很大扰动,因此,必须在穿越前确保盾构及管片姿态正常。始发穿越过程中,盾构及管片纠偏应严格遵守“勤纠缓纠”的原则,每次纠偏量不得大于5mm。在管片拼装过程中,安排熟练的拼装操作人员进行拼装,减少拼装的时间,缩短盾构停顿的时间,拼装结束后,应当尽快恢复推进,减少上方土体的沉降。

3.4.2同步注浆

注浆压力过大,易造成劈裂注浆,且衬砌外的土层会因浆液扰动而造成后期地层较大沉降及隧道本身的沉降;而压力过小,则填充不充足,也会使地表沉降变形增大。因此,应综合考虑地质条件、管片强度、浆液性能和土压力的基础上确定最佳注浆压力,同时还须根据监测情况及时调整。

始发掘进时的同步注浆采用注浆压力和注浆量双指标控制标准,即当注浆压力达到设定值,注浆量达到设计值的90%以上时,即可认为达到了质量要求。实际施工时,注浆压力取值为0.2~0.3MPa,注浆量控制在9~13m3/环。同步注浆的配合比见表3。

4.监控量测及评价

4.1技术指标及检测频率

根据设计图纸、成都轨道交通建设工程监控量测管理办法及GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》的相关规定,地表沉降及燃气管线的累计沉降监控标准及监测频率分别见表4和表5。

4.2监测结果及评价

隧道施工期间,采用直测法对地表及管线特征点累计沉降进行了监测,地表及管线沉降测点平面布置示意如图14所示(实际布置测点较图示多,此处只对沉降较大的测点位置进行了标识),管线测点布置横断面如图15所示。实测数据分析结果显示,其中DK62+860~+865断面附近地表累计沉降较大,盾构下穿施工时地表累计沉降曲线和盾构下穿施工时管线累计沉降曲线如图16和图17所示。

由图16可知,DK62+860断面地表实测沉降最大值为-23.9mm,小于控制标准30mm,说明采取的加固方案有效控制了地表沉降。

由图17可知,管线实测沉降普遍大于地表沉降,在盾构掘进过程中,除1号管线几乎未发生沉降之外,其余编号管线均发生不同程度的沉降。其中2号管线沉降最大,累计沉降值为29.93mm,接近控制值。监测数据表明,本区间盾构始发下穿管线群施工技术有效控制了地层的后期沉降,保障了盾构始发下穿高风险管线群的施工安全。

5.结论及讨论

盾构始发下穿高风险管线群施工难度大、风险高,采用稳妥的加固方案并设置合理的掘进控制参数是确保施工安全的重要保障。基于本工程的成功经验,得到如下结论:

1)采用双层大管棚注浆、地层注浆、管线悬吊、监控量测及跟踪注浆的综合施工技术可保障地铁盾构始发穿越高风险管线群施工安全。现场监测数据表明,盾构穿越后,地表及管线最大沉降最大值均小于预警标准,说明该技术对于盾构始发段土体加固及管线保护的应用效果良好。

2)盾构掘进的过程中,地面沉降主要发生在刀盘切入土体位置及盾尾脱出的位置,且地面沉降与管线沉降趋势大体相近。及时的进行同步注浆和二次补压浆能够迅速稳定地表沉降,本案例中,同步注浆量控制在9~13m3/环时,地表沉降得到有效控制。

3)较为详细地介绍了盾构下穿高风险管线群施工控制参数及施工工艺,提出地层加固方法、施工工艺及盾构掘进控制参数,以期为类似条件下盾构始发下穿管线群掘进施工提供参考。

4)砂卵石地层大直径盾构隧道施工对地表的扰动相对较大,本工程案例中在已经采用了双层大管棚加固,地中袖阀管注浆加固及地表悬吊等多重保护方案的前提下,管线累计沉降值仍然达到29.93mm,后续有必要对砂卵石地层大直径盾构隧道施工导致的地层沉降规律开展进一步的研究。