始发端盾构近距离下穿运营线施工工法(隧道注浆加固,附示意图)

'始发端盾构近距离下穿运营线施工工法GJEJGF中建xx建设集团有限公司1.前言目前，国内修建地铁的城市日益增多，各城市运营的线路条数也逐渐增多，盾构下穿运营线的施工方法的应用也日益广泛。并且在城市中心区繁华地段修建盾构区间隧道，经常会遇见始发阶段盾构近距离下穿运营线，对运营的影响风险非常大。常规的盾构始发便近距离下穿运营线的施工方法为地面端头加固、地面对运营线两侧加固，从始发端在运营线及施工隧道之间施工管棚，施工完后盾构始发加强盾构参数及同步二次注浆管理下穿运营线，该方法缺点是受地面占地条件及地下管线的影响，端头及运营线两侧的加固受到限制，同时在加固过程中对运营线的影响较难控制；其次管棚施工占用时间影响始发进度，同时管棚施工过程中会因施工精度较难控制可能对运营线造成结构损坏，引孔注浆过程中会对运营线造成偏移影响。为了始发阶段安全顺利下穿运营线，减少对社会环境的影响，深圳地铁上梅林-梅村左右线区间施工时，采用了自动化监测、运营隧道内平衡动态注浆加固、始发套筒始发、中盾壳体外注浆等组合措施施工，成功摸索出了盾构始发端近距离下穿运营线的施工工法，为今后工程施工提供了宝贵的意见和经验。2.工法特点2.1首次利用在运营隧道内预先动态平衡注浆加固穿越影响段隧道，解决了在地面加固占地难、对隧道的影响难以控制、注浆加固效果差等缺点，优于普通的地面加固。2.2采用洞内加固，因其对隧道水平纠偏及控制隧道下沉效果显著，约30MIN~1小时便可起到明显作用，可做为下穿过程中对运营隧道变形控制的应急措施，增加了下穿过程中的安全系数。2.3首次采用始发套筒，解决了在端头不具备加固条件的情况下，下穿运营线；盾构一始发就可建立土压，降低了盾构一始发就下穿运营线对运营线的影响的风险， 2.4采取运营隧道内平衡注浆加固、盾壳外注低强度的浆液、始发套筒的组合措施，把近距离下穿运营线对运营线造成的风险降到最低。2.5采用低强度快硬性溶液进行填仓及壳体外注浆，有效解决了盾构在运营线下方故障停机带来的风险。3.适用范围本工法适用于在城市繁华地段盾构近距离下穿运营线，且一始发就进入对运营线的影响区，盾构端头不具备加固条件的复杂环境下，盾构下穿运营线，盾构井为明挖施工，具备始发套筒安装条件；另外该工法中将始发套筒增加端头封盖变为接收套筒，可用于盾构近距离下穿运营线，且接收端头距离运营线很近在盾构接收的影响区内。4.工艺原理通过预先在受影响的运营隧道管片周边注浆，填充管片周边的空隙，切断之前运营隧道周边可能存在的水流通道，降低受影响的运营隧道管片周边土体的渗透系数，提供周边土体的无侧向抗压强度，降低土体受扰动时产生影响的程度（包括应力变化及应变变化）。其次利用始发套筒，使得盾构在一始发变可建立合适的土压，同时利用盾体周边注低强度的填充材料，这些措施使得在始发过程中，刀盘前方土体及盾壳周边土体在土压及盾壳周边填充材料的作用下，维持掌子面及盾壳外土体一个动态平衡，足量的同步注浆及二次双液浆补浆大大减少了管片脱出盾尾时造成的土体沉降，使运营隧道始终处于稳定状态。该方法解决了常规始发不能及时建立土压，不能及时进行同步及二次补浆，盾壳周边的施工间隙不能及时填充等因素引起对运营隧道的影响；同时解决了常规始发端下穿运营线前端头加固、管棚施工对运营隧道的影响不易控制问题；创造了在盾构井施工完后便可进行盾构下井组装条件，而不会因管棚施工使得工期延后。5工艺流程及操作要点5.1工艺流程 图5-1工艺流程图5.2操作要点5.2.1前期调查在盾构穿越施工之前，需完成对运营线内下穿影响区的管片外观质量、管片的椭圆度、管片渗漏水、管片背后密实程度、道床轨道现状、轨道平直度及轨面高差有一个初步鉴定，另外可根据设计的详勘情况，适当增加对运营线周边土体的补堪，主要的目的一方面避免引起和运营单位不必要的责任纠纷，另一方面对后期的隧道内预注浆提供一些基本资料以优化注浆参数及盾构掘进参数，对于管片椭圆度及管片背后填充情况调查可间隔4米一个断面和自动化监测的断面尽可能一致。5.2.2穿越工况数学模型分析在正式实施穿越施工前，对本工程进行了数学模型分析，采用ABAQUS非线性有限元分析软件进行计算，分工况模拟盾构穿越过程。岩土工程中的数值分析有其本身的特点，结合土压平衡盾构开挖面稳定性及沉降控制的研究该数值模拟软件能较好的模拟盾构施工过程对周围环境的影响，能够较好的模拟岩土体材料的变形规律。通过数学模拟分析得出土量的理论方量，壳体与土体之间填充物质的弹性模量、泊松比、粘聚力参数要求，盾构在穿越运营线各风险等级区段的盾构掘进参数用以指导施工。5.2.3运营隧道内监测布点在距离盾构机在施隧道一定距离内（通常为在施隧道两侧50米范围）的既有线隧道中选择若干监测断面（在距离施工隧道中心30米范围，通常间隔12米左右一个主测断面，主测断面之间每间隔4米左右局部布点加密，在30米~50米范围，主测断面的间距可适当加大），在每个监测断面圆周上设置若干观测棱镜（通常每个主测断面5个观测楞镜，道床2个，拱腰2个，拱顶1个）作为监测点，每个监测区域设置3 个以上基准点，通过对设置在既有线隧道中轨道道床上的全站仪观测监测点来实时监测既有线隧道及其中的轨道变形引起的横向和纵向位移变化量，并通过全站仪数据输出端连接的数据采集设备和数传电台将监测到的位移变化量数据传送到监控中心；根据施工情况，监测频率可根据盾构与运营线的相对位置确定为30分钟~1小时，基准点分布在远离变形区两端的地方。5.2.4运营隧道洞内预加固为了将盾构穿越运营线过程中对运营线的影响控制在合理范围内，在盾构始发前在运营隧道内对影响区的管片周围进行预加固，在穿越区影响范围区段（施工隧道中心线外50m）从管片注浆孔注水泥——水玻璃双液浆，在距离施工隧道中心线10米范围，可每间隔2环对称从管片腰部进行注浆，10米~50米范围可每间隔4环管片从管片腰部注浆孔进行注浆，注浆以压力为主控，压力升至0.25~0.3MPa为止，但同时要结合自动化监测数据及对注浆管片观测有无异常，在一个注浆断面上，使用两套注浆设备同时对管片腰部两处注浆孔进行对称注浆，对于渗透性较好地层，可直接打开注浆孔进行注浆，对于软弱地层，渗透性不好地层，采用钢花管进行注浆，钢花管的长度可选择为2米左右，，钢管前部60cm范围内钻3组出浆孔，每组3个孔，孔组间距为20cm。第一次注浆完成后，不拆除注浆管，根据注浆效果，可利用预留的注浆管进行反复注浆，同时可做为盾构下穿运营线过程中的一项应急措施。 5.2.5施工准备（1）盾构始发装置在盾构机始发前，根据盾构机主机的外形尺寸（长度、宽度、高度及各部位的高差等指标），采用密闭式钢套筒始发方式，盾构机安装在钢套筒内，通过钢套筒这个密闭的空间提供平衡掌子面的水土压力，使盾构提前建立压力，避免了盾构刚始发即下穿的风险。同时在盾构机组装完成后，需反复进行盾构机各部件间的调试工作，加强盾构机的维修保养，确保以“无病“状态始发。（2）人员准备及设备物资准备 a.施工现场成立临时的工程协调中心，组成各方分别为业主、地铁运营方、监理、监测、施工各方主要负责人，在穿越过程中施行轮班值守，负责指导及协调各项事宜，另外在现场一线派专人负责发送施工掘进数据及施工情况至群共享，同时也负责传达领导指令指导施工。根据现场准备情况，工程协调中心需布设电脑一台，对外电话一部，对讲机若干，另外实行值班签到制度，每日值班同事需签到，值班人员表格张贴协调中心墙壁共享。盾构开始进行下穿，现场一线联络人在群内共享最新掘进动态情况，每推进一环分三次汇报：推进开始、推进1米盾构参数、推进结束。由测量监测方负责群内共享既有线内自动化监测数据，频率1次/h，刀盘进入运营线下方~盾尾脱出运营线该段时间段，频率加密至1次/30MIN，协调中心值班人员根据掘进参数与监测数据指导施工，若遇监测数据异常，工程协调中心及时分析各数据，并决策通过调整土压、同步注浆压力、加强盾尾后的二次补浆，甚至启动在非运营时段，进入运营隧道内进行相应纠偏。尽而使得运营隧道的姿态符合规范及运营方要求。始发前请业主方、地铁运营方、监理方、设计方及施工方组织进行始发关键节点验收会议，验收通过后方可始发。b.制定详细的物资供应计划，公司物资部门确保施工物资材料的及时供应。在穿越前对盾构机及各辅助设备进行一次全面彻底检修，排除盾构机上存在的各种故障及隐患。并备好易损易坏零部件，在盾构机穿越期间，保证在盾构机出现故障时能及时更换零配件，另外现场要存有足量的管片、同步注浆材料、盾构耗材，清理好渣土坑。5.2.6盾构施工（1）始发套筒安装及对盾构施工区段划分在盾构机装入钢套筒、组装完成后，合上上盖。拼装2环负环、管片顶至反力架上，从灌料口灌入砂及膨润土泥浆，使盾壳、负环管片与钢套筒间填充密实，达到密封的效果。为保证套筒与洞门钢环密封，钢套筒在反力架连接处增设小型千斤顶，顶住钢套筒贴紧洞门钢环。洞门预埋钢环和钢套筒间安装一套过渡环，过渡环与洞门预埋钢环满焊连接，以保障接口处的密封性。由于始发钢套筒系统中有千斤顶向前的预顶力，加上盾构始发推力，反力架承受的推力将比正常始发时增强，因此在计算反力架时，其设计能力必须能承受超过2000吨的推力。分阶段控制区划分：根据盾构穿越运营线的工况特点，将盾构穿越前后60m距离划分为三个施工控制阶段，即控制段（I区）、穿越段（II区）和穿越后控制段（I区）。左线：1环~6环为控制段(从盾构始发到刀盘距离运营线边2环时的区段)，7环~27环为穿越段（刀盘距离运营线2环至盾尾脱出运营线后2环时的区段，28环~40环为控制段（盾尾脱出运营线后2环至盾构施工对运营线近乎没有影响时的区段）；以下右线类同。 右线：1环~7环为控制段，8环~28环为穿越段，29环~40环为控制段。 （2）施工技术措施A.推进速度土压平衡盾构机压力仓内土压大小还与盾构推进速度以及出土量有关：若推进速度加快而出土率较小，则土压仓土压力会增大，其结果将导致造成地面隆起。反之推进速度放慢，出土量增加将令土仓土压力下降，引起地面下沉。为此盾构推进过程中应做到：降低推进速度，严格控制盾构方向、姿态变化，减少纠偏，特别是杜绝大量值纠偏，保证盾构机的平稳穿越。 B.盾构推进速度在穿越区施工过程中，盾构掘进速度控制在40mm/min~60mm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡。匀速的穿越港铁四号线，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。C.出土量出土量在控制在理论值的95%左右，即V=46.4×95%=44.1m3/环，保证盾构切口上方土体能微量隆起，以减少土体的后期沉降量。D.盾构姿态控制因盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中。在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。以减少盾构施工对港铁四号线和地面的影响。将四号线隧道结构沉降控制在±7mm范围内。E.设置土压力值在盾构穿越运营线过程中，设定土压力变化大致分为三个阶段：穿越前，随着与运营线之间的距离不断接近土压力值逐渐增加；穿越中，此时土压力基本保持在一个相对稳定值；穿出阶段，盾构头部脱出后土压力逐步恢复至正常。穿越各区域土压力设置如下，实际土压力设定值根据监测数据值进行微调。穿越各区控制要点：a.控制段I区特点及控制措施I区的特点是盾构掘进时对运营线有影响，但影响要比穿越区小的多，该区段管理上让参与施工的各管理人员更进一步熟悉管理责任及管理流程，选择合适的始发时间点，尽可能控制盾构穿越段的起点点从周五下班开始，为穿越段创造一个合适的时间段，减小对运营线的影响。此段施工时主要控制推进速度为40mm/min左右，并保持1.2bar~1.4bar压力。此段施工时重点控制同步注浆工序，适时在盾尾后第三环开始实施双液浆二次补浆，根据监测反馈的情况实时调整注浆量和注浆压力及盾构土仓压力。b.穿越段II区特点及控制措施 穿越段II区的特点是盾构机进入运营线结构正下方，对运营线的影响最大，此段施工时控制推进速度在60mm/min左右，并适当保持土压为1.4bar~1.8bar左右。同时同步注浆压力要适当增大，该段同步注浆压力在2.5bar~4bar，同时注意盾尾后第三环双液浆二次补浆紧跟其后，双液浆的凝结时间控制在30秒~1分钟，在中盾进入运营隧道下方时，根据自动化监测情况，假如有沉降趋势，可通过中盾壳体上的超前钻孔向盾构壳体外注凝结时间调整在30秒左右，凝结后强度与粘土强度接近的浆液（水玻璃溶液+鹏润土溶液+适量外加剂），假如没有沉降趋势可不采用该措施，但需加强后面同步注浆及二次注浆工作。c.穿越后控制段I区特点及控制措施控制段I区此段施工时主要控制推进速度为50mm/min，并保持土压在1.2bar~1.4bar左右，该段随着盾构的掘进，对运营线的影响会越来越小，该段施工在保证正常的盾构施工下，加强穿越段区域的管片补浆工作，补浆点位选择及注浆压力、注浆量要结合自动化监测数据。F.管片拼装在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后，不要立即拼装，等待2~3分钟之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶应尽可能少，以满足管片拼装即可。拼装过程中，盾构操作手应注意土压力的变化，必要时通过反转螺旋机维持盾构前方土体平衡。G.同步注浆a.注浆量每环同步注浆量一般控制在“建筑空隙”的130%~180%，即6.5m3/环~7m3/环。b.注浆压力为保证浆体较好的渗入周围土体中，注浆压力须大于隧道底部的土压力值。而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂。根据经验可取为1.1~1.2倍的静止土压力,且注浆压力在在穿越段适当增大。c.浆液配比同步注浆采用惰性浆液，浆液选用以下配比，适当提高了浆液的稠度。实际掘进时在盾构机送浆泵正常运作情况下，尽可能提高含沙量，减小后期沉降。粉煤灰（t）水泥(kg)膨润土(kg)水(m3)2t400kg240kg1300m3 d.低强度的注浆浆液在利用盾构中盾的超前注浆孔，向盾构外壳注低强度的凝结时间可调的浆液，达到填充与止水的目的。在注入过程中，通过Y型注浆头混入A、B两种浆液，B液的注入率约为5%-6%。浆液混合后在40s内达到初凝，形成粘性较高且难以稀释的膏状物。浆液由两部分组成，分别是特殊膨润土浆液（A液，鹏润土溶液加定量的外加剂），配比为膨润土：水=1：2，水玻璃液（B液），配比为水玻璃：水=1:1。F.双液注浆a.在穿越过程中，当0环为脱出盾尾第三环时，即可开始进行双液浆的二次补浆，注浆可从管片两个腰上部注浆孔进行（因拱顶不易操作），需“边掘进，边注浆”，务必做到掘进注浆同步进行，以防浆液抱死盾尾。后期每隔一环随着盾构掘进的同时，双液浆注浆沿隧道方向同步向前施工，注浆压力结合自动化监测情况，且不能超过0.3MPa。b.当前盾进入运营线下方时，可根据运营线的监测情况，从中盾上的超前注浆孔向盾壳外侧注入低强度的凝结时间可调的溶液，通常凝结时间取40秒~60秒。 c.当盾尾脱出运营线后，可在运营线下方的管片砼过注浆孔反复进行双液浆注浆，注浆压力及注浆时间可结合自动化监测，直到运营隧道稳定。d.在整个穿越过程中，在既有线隧道影响范围内，根据隧道变形情况（假如沉降或偏移接近7MM），可利用晚间运营间歇时间，采取洞内注浆施工对运营隧道进行加固抬升及纠偏。6.材料与设备6.1材料主要材料见表6.1。表6.1主要材料表 序号材料名称型号单位数量1水泥50kg/袋袋20t2水玻璃桶若干3催化剂m3若干4彩条布10m*8m块55塑料袋个506.2设备主要机械设备见表6.2。表6.2主要机械设备表序号名称规格型号数量（每工作面）用途1手电筒3照明2管钳3拧固注浆头3电钻34对讲机若干各方联络（以实际情况为准）5输送小车3输送水泥6二次注浆机4注浆7高压注浆管若干输送浆液（以现场实际情况为准）8注浆三通接头5连接注浆头7.质量控制7.1建立健全质量管理制度和质量保证体系，并认真贯彻执行。7.2详细调查施工中可能存在的质量隐患，有针对性地制定切实可行的保证措施。 7.3对进场的物资、设备等严格进行质量检验与评定，禁止使用不合格品。7.4施工前，根据浆液配合比进行试验检测，测试浆液配合比的强度。7.5始发套筒必须与周围结构连接牢固。并确保钢套筒与洞门预埋钢环间的密封性。7.6注浆前，通过注浆孔取出管片后的土体，观察土体状态；待注浆完成后，同样，通过注浆孔取出注浆后的土体进行观察，从而判断注浆的效果。8.安全措施8.1建立健全施工现场安全管理规章制度、安全监控网络和安全保证体系，并认真贯彻执行。8.2详细调查施工中可能存在的安全隐患，有针对性地制定切实有效的防护措施。8.3严格控制进场物资、设备等的质量，并对物资、设备等及时报废，杜绝安全隐患的存在。8.4针对现场施工所用机械设备，制作安全操作规程，并实时进行维护保养和检修，确保其处于良好的工作状态。8.5设置专职安全员和现场责任工程师，实时监督操作人员严格执行操作规范和安全技术交底，严禁违章指挥或违章操作。8.6当注浆管道内的压力未降至零时，严禁拆卸管路。9.环保措施9.1建立健全施工现场环保管理规章制度，并认真贯彻执行。9.2详细调查施工中可能存在的影响环境的因素，有针对性地制定切实可行的保护措施。9.3对主要噪声源如吊车等采用有效的吸音、隔音材料施作封闭隔声屏，同时，夜间施工严禁大声喧哗，装卸物料及码放时轻拿轻放，最大限度地减少噪声扰民。9.4注浆结束应及时按盾构操作规程将注浆设备及管路清洗干净。在注浆过程中被浆液污染的地方，要及时清理，清洗。 10.效益分析10.1利用该种工法下穿运营线，过程中最大沉降6.7毫米，最终沉降3.7MM，穿越过程未对运营线造成任何影响。10.2结合通常的下穿运营线，地面加固费用实际的施工成本约300万，管棚的施工成本约70万，且加固及管棚施工过程中可能对运营线路造成不利影响，通过运营线隧道内平衡动态注浆预加固（施工成本约50万），采用中盾壳体外注低强度浆液及采用始发套筒，总的施工成本约150万；约为正常施工成本的40.5%。10.3从工期上来说，因运营线隧道内平衡动态注浆，可在盾构下井前完成，不占用盾构施工时间，故相比通常过运营线的施工方法（地面加固及管棚施工），工期上能提前约1个月。10.4采用在运营线路内动态控制，平衡注浆预加固，中盾壳体外注浆、始发套筒始发过运营线的组合工法，近乎零风险下穿运营线，大大减少了施工对社会造成的不利影响。11.应用实例11.1XX地铁9号线XX站~XX站盾构区间工程11.1.1工程概况XX地铁正在运营的四号线位于XX站西侧，XX路下方，为外径6米的盾构隧道。隧道拱顶覆土约8.5米，轨面标高9.048m，其隧道围岩为<6-1>可塑状砂砾质粘性土及<6-2>硬塑状砂砾质粘性土。正在施工的XX号线XX站-XX站区间隧道与四号线隧道基本正交，在九号线左线交叉点处（北），四号线右线外缘距离九号线上梅林站基坑为16.7米，在九号线右线交叉点处（南），XX号线右线外缘距离九号线上梅林站基坑为19.1米，如图1.3所示。 北图1.3四号线隧道与线路关系平面图XX号线隧道与XX号线隧道上下净距最小仅为2.497米，位于右线与四号线左线交叉处；最大净距为3.108米，位于左线与四号线右线交叉处，夹层地质为<6-2>硬塑状砂砾质粘性土层，九号线隧道围岩主要为<6-2>硬塑状砂砾质粘性土及<11-1>全风化混合岩。图1.4四号线隧道与右线关系剖面图 图1.5四号线隧道与左线关系剖面图11.1.2工程应用结合XX地铁XX站~XX站区间盾构始发、穿越、监测、注浆的实际施工情况，通过采用钢套筒装置进行始发提前与掌子面水土平衡压力，降低了始发的风险。同时在始发过程中采用合理的掘进参数，并及时填充盾构壳体与土体之间的间隙的施工方法，如图11.1.2-1、图11.1.2-2所示，保证了盾构在穿越过程中浆量补充的及时与足量，并确保了施工安全，其中左右线均历时3天4夜，最终实现港铁四号线的成功穿越，积累了盾构始发（接收）即近距下穿既有线隧道施工（即本工法）经验。 图11.1.2-1始发钢套筒装置图11.1.2-2四号既有线隧道内管片壁后注浆'