超浅埋隧道盾构下穿既有管线施工方法与流程

本发明涉及超浅埋隧道盾构下穿既有管线施工方法。

背景技术：

随着我国经济的日益发展，大中型城市的人口越来越多，城市内部的交通压力也越来越大，我国的高铁网络已基本满足现在国内客流量的需求，国家下一步的发展规划将是城市轨道交通建设。目前北京、广州、上海、深圳等大城市已经建设了大量城市轨道交通线路，一些二线省会城市如石家庄、太原、哈尔滨等也相继开始规划和修建地铁。地铁是一个城市的窗口，它安全、准时、人文、科技，对于有效缓解城市内部交通压力起着不可替代的作用，也对于周边经济的带动作用相当显著。由于地铁主要目的是为了有效缓解地面交通压力，所以在线路设计时大多选在城市中心以及人口稠密的商业中心区域，在这些区域修建地铁会产生很多复杂因素，需要穿越较多的房屋建筑、桥梁及市政建设的管线等结构物。所以，在地铁的修建过程中怎样安全顺利地通过这些建筑物是每个隧道工作者需要时刻考虑的问题。隧道盾构施工掘进过程中会对周围的建筑物及土层产生不可避免的振动影响并引起一定程度上的变形，从而影响这些建筑物功能的发挥与安全。东南沿海地区由于城市内部多为海相沉积软弱土层，且地下水位较高，隧道施工过程中更应该小心谨慎，选取合理的施工方案及安全辅助措施更为重要。

目前很多学者也对于隧道施工过程中沉降规律进行了不少研究，但在东南沿海软弱地层进行隧道盾构施工过程中，怎样减少乃至避免施工沉降变形的研究还相对较少。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种施工方便、安全性高的超浅埋隧道盾构下穿既有管线施工方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种超浅埋隧道盾构下穿既有管线施工方法，盾构下穿我国东南沿海地区既有管线，具体包括：

一种超浅埋隧道盾构下穿既有管线施工方法，根据《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2008)、预穿管线施工试验注浆参数和施工掘进参数进行施工，具体为：

步骤1)对既有管线地表面进行加固；

步骤2)布设监测点位；

步骤3)进行预穿管线施工试验；

其中，预穿管线施工试验分两步进行，

第一步，首先，分别预先设定注浆参数和掘进参数的初始值，所述预先设定注浆参数和掘进参数的初始值是下穿既有管线试验段之前正在掘进施工的注浆参数及掘进参数；

然后在管线位置前20环之外选取3-5环(例如73-75环)距离的试验段进行预穿管线施工试验，调整注浆参数和掘进参数，得到符合《盾构法隧道施工及验收规范》的注浆参数和掘进参数；

如果得到的注浆参数和掘进参数不符合《盾构法隧道施工及验收规范》，调整注浆参数和掘进参数重新进行预穿管线施工，直到满足《盾构法隧道施工及验收规范》为止；

第二步在第一步试验段之后的3-5环(例如76-78)距离进行预穿管线施工试验，根据《盾构法隧道施工及验收规范》对第一步得到的参数进行验证与修改；

每次推进试验之前进行注浆，并对各监测点位进行数据采集，获取初始值，第一次推进管片长度的1/4至1/2距离后再进行量测，依据《城市轨道交通测量规范》(GB50308-2008)分析沉降的大小规律并及时修改掘进参数，再进行第二次管片长度的1/4至1/2距离的掘进施工，施工通过后再采集数据，掌握沉降情况并修改掘进参数，再进行第三次管片长度的1/4至1/2距离的掘进施工，以此类推，直至试验段结束；

步骤4)根据步骤3)得到的注浆参数和掘进参数进行下穿既有管线施工，施工过程中对各监测点位进行实施监测。

进一步，所述步骤1)具体为：首先，采用水泥-水玻璃双液浆对既有管线区域进行注浆加固，注浆孔间距2.5×2.5m，从不透水层上边界开始注浆至砂层顶部；在隧道洞身范围内相对于水管中心线，加固范围为纵向12m-15m，隧道正上方及两侧至结构外边线外侧3m-5m；

然后，在注浆加固完成后，在分别位于既有管线两侧且靠近既有管线的一排注浆孔上预留安装袖阀管。

注浆孔位布置原则：

根据计算注浆扩散半径为R＝2.3m，考虑注浆加固需咬合，故选取R＝1.5m，即注浆孔间距为3m，隧道开挖直径为D＝8.8m，考虑盾构施工影响范围，故每横断面布置5个孔，考虑到之前地面隆起情况，可能为注浆压力偏大，故在注浆孔之间，距注浆孔1.5m位置布设泄压孔。

进一步，所述步骤2)具体为：沉降监测点位的布置依据：一个横断面布设五个点，中间拱顶位置一个点，两边各对称布设两个点，两边的点位中其中一个在隧道限界里面，另一个在隧道限界外面。

进一步，所述沉降监测点位的施工方法为：

采用地质钻机钻孔布设监测孔；孔径108mm；

首先钻至设计深度；然后将钻机移开；其次将Φ50mmPVC管放至孔内；再次在PVC管与孔壁之间回填砂将PVC管固定，回填深度为设计深度的1/2-2/3；紧接着，采用Φ18mm钢筋放入PVC管内做为监测点，最后，完成后取得初始值。

进一步，所述步骤3)具体为：

步骤I，第一次试注浆；

首先，确定注浆孔布置及注浆参数；

首次试注浆共注浆两排，每排至少5或7个点；间距3m-5m；

然后，对试注浆过程的沉降监测，在两处横断面布设监测点，取得初始值；

布设范围为现盾构机刀盘位置前方距离不小于10m；每横断面设3个点，在管片中心点位置水管底部以下0.5m至1m之间布设深层监测点；在管片与管片之间中心点位置水管顶部以上0.2m至0.5m布设浅层监测点，监测频率为3次/天；

最后，通过对试注浆试验段的地表监测数据依据《城市轨道交通测量规范》(GB50308-2008)进行分析，从而得到符合《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2008)的注浆参数；

步骤II，第二次试注浆；

在第三处横断面重复步骤I中横断面施工的内容，对之前步骤I中第一次试注浆得到的参数进行验证及修改。

进一步，所述步骤4)具体为：

首先，按照试验段确定的掘进参数，匀速推进盾构机，控制出土量，保证同步注浆量充足，同时安排拼装手拼装管片，穿越既有管线区域；

然后，在施工中根据地层情况采用注入添加泡沫或膨润土；并应适时的进行监控。

进一步，在对既有管线表面进行加固前，还应进行下述步骤：

I)进行风险评估，设计方案；

II)按检修保养手册对盾构机进行保养检修；提前对盾构机进行检查保养，对盾构机各系统进行全面检修，保证盾构机处于良好运转状态，避免盾构机因机械故障而造成停机或开仓检查机具，减少附加沉降；

III)结合步骤b盾构机的工作参数以及步骤a的资料，进行初始参数设计。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

为了确保水管完好无损，进行了预穿施工试验，采用化学改良剂对土体进行加固，试验过程中通过实时监测并及时修改注浆参数和掘进参数，监控上层土体的扰动，从而得到更加合理的施工参数。施工证明:预穿管线施工试验后得到的参数合理，可以有效控制了地面沉降，保证下穿供澳水管隧道施工安全顺利地完成，为其他盾构工程在沿海软弱土层中下穿既有管线施工提供了参考和借鉴。

附图说明

图1是本发明实施例部分供澳水管监测点布置平面图。

图2是本发明实施例监测点剖面图。

图3是本发明实施例注浆孔位布置图。

图4是本发明实施例盾构下穿供澳水管参数确定流程图。

图5是本发明实施例3m深度处刀盘通过水管期间各监测点位沉降。

图6是本发明实施例3m深度处盾尾通过水管期间各监测点位沉降。

图7是本发明实施例1.5m深度处刀盘通过水管期间各监测点位沉降。

图8是本发明实施例1.5m深度处盾尾通过水管期间各监测点位沉降。

具体实施方式

实施例

本发明以新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目拱北至横琴段隧道下穿供澳水管工程为背景，针对隧道纵横断面为软弱土层，且上面供澳水管沉降要求较高，首先进行了预穿施工试验，并进行了沉降实时监测，确定最优的注浆参数和掘进参数，然后依据这些参数进行下穿供澳水管盾构施工，整个过程中总结出了一套超浅埋盾构隧道下穿既有管线施工变形控制技术。

新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目拱北至横琴段盾构隧道下穿供澳水管，隧道围岩为软弱土层，且上面供澳混凝土水管属于生命线工程，距离近(4.8m)，强度低，沉降控制要求较高。为了确保水管完好无损，进行了预穿施工试验，采用化学改良剂对土体进行加固，试验过程中通过实时监测并及时修改注浆参数和掘进参数，监控上层土体的扰动，从而得到更加合理的施工参数。施工证明:预穿管线施工试验后得到的参数合理，可以有效控制了地面沉降，保证下穿供澳水管隧道施工安全顺利地完成，为其他盾构工程在沿海软弱土层中下穿既有管线施工提供了参考和借鉴。

其中：根据的沉降控制标准参考：《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2008)；.分析沉降大小规律参考：《城市轨道交通测量规范》(GB50308-2008)；3.所谓“较为合理的注浆参数及掘进参数”是指使沉降变形更小，对周边土体扰动更小的施工参数《盾构法隧道施工及验收规范》，具体的是沉降控制在7mm以内的施工参数；具体的参数为：①注浆参数：注浆压力：0.18～1.2MPa；浆液(A液)水灰比：1:1；水玻璃(B液)配比(水玻璃:水)：1：8～1：9；A液：B液：1:1；水泥用量(包/m)：5.5～6；②掘进参数：推力：2200～2300KN；推进速度：0～12mm/min：扭矩：1.3～1.6MNm；土仓压力：0.7～0.75bar；刀盘转速：0.8rpm。

具体包括：

步骤a：进行风险评估，设计方案；

为确保盾构机安全顺利通过供澳水管，参照《盾构法隧道施工及验收规范》(GB50446-2008)；《横琴隧道进口～湾仔北区间工程地质补充勘察报告》；《城市轨道交通测量规范》(GB50308-2008)；《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T11836-1999)；结合1#工作井至湾仔北站至湾仔站区间平纵横断面图；珠海市区至珠海机场城际拱北至横琴段新建工程横琴隧道施工图变更设计进口段～湾仔北站区间隧道地层加固设计图；珠海水务集团供澳公司提供相关资料；施工队伍在广州、深圳、东莞等地盾构隧道区间注浆施工经验和研究成果及现有的施工管理水平、技术水平、科研水平、机械设备配套能力。

步骤b：按检修保养手册对盾构机进行保养检修；

提前对盾构机进行检查保养，对盾构机各系统进行全面检修，保证盾构机处于良好运转状态，避免盾构机因机械故障而造成停机或开仓检查机具，减少附加沉降；

步骤c：结合步骤b盾构机的工作参数以及步骤a的资料，理论计算，进行初始参数设计；

步骤d：对供澳水管地面加固；

首先，采用水泥-水玻璃双液浆对水管区域进行注浆加固，注浆孔间距2.5×2.5m或3×3m，从不透水层上边界开始注浆至砂层顶部；在隧道洞身范围内相对于水管中心线，加固范围为纵向12m-15m，隧道正上方及两侧至结构外边线外侧3m-5m；

进一步，在隧道洞身范围内注浆孔钻至隧道底部，目的是以探明供澳水管区域隧道范围内是否有孤石；

然后，在注浆加固完成后，在分别位于供澳水管两侧且靠近供澳水管的一排注浆孔上预留安装一定数量的袖阀管；当盾构机下穿供澳水管时若沉降出现异常，及时启动补充注浆；

其次，因为在供澳水管上方有一层厚约20cm的钢筋砼盖板，且在盖板上方钻孔施工比较困难，控制不到位容易造成供澳水管扰动，所以在盖板外侧施做一排斜孔进行注浆保护供澳水管，斜孔间距为1.2m-1.5m；

再次，由于斜孔中心线距水管最小距离不小于1m，例如按注浆压力0.15Mpa计算，则斜孔扩散半径为2.2m，因此对斜孔注浆时必须适当选择注浆点，例如当采用后退式注浆，则每隔1m对斜孔注浆一次，并严格控制注浆压力，避免因注浆压力过大造成水管损坏；

步骤e：进行试注浆预穿管线施工试验；

为确定下穿供澳水管施工参数，避免在施工过程中参数选择不当造成水管损坏，应当在穿越供澳水管施工前YDK2+886～YDK2+895里程范围内进行试注浆预穿管线施工试验；并在试注浆期间对地面沉降进行监测，根据监测数据情况确定供澳水管处加固注浆参数。

预穿管线施工试验分两步进行：

步骤I，第一次试注浆；

首先，确定注浆孔布置及注浆参数；

首次试注浆共注浆两排，每排优选5个点，间距3m，注浆里程分别为YDK2+887.9、YDK2+890.9；YDK2+887.9里程注浆时间为1月4日至1月7日，YDK2+890.9注浆时间为1月8日至1月10日；

然后，对试注浆过程的沉降监测；

按要求布设监测点，布设范围为现盾构机刀盘位置前方距离最近为10m。监测横断面间距0.8m，每横断面设3个点，在管片中心点位置布设3m深层监测点(钢筋底标高与供澳水管底标高相同)；在管片与管片之间中心点位置布设1.5m浅层监测点(钢筋底标高与供澳水管顶标高相同)，监测频率为3次/天；

其中，采用地质钻机钻孔布设监测孔，孔径100mm—108mm，钻至设计深度(3m或1.5m)后，将钻机移开，将Φ50mmPVC管放至孔内，并在PVC管与孔壁之间回填砂将PVC管固定，回填深度为设计深度的1/2-2/3，然后采用Φ18mm钢筋放入PVC管内做为监测点，完成后取得初始值；

每次监测均由专人现场监督，确保监测数据的及时性和真实性；

其次，通过对试注浆试验段的地表监测数据的分析，73至75环横断面的地表都存在隆起现象，YDK2+880横断面最大隆起71.63mm(含前期回填注浆隆起约15mm)，YDK2+890横断面最大隆起20.10mm，，从而得到较为合理的注浆参数和掘进参数；

最后，通过基本施工经验和以往注浆情况，针对该试验段地层确定以下参数，并进一步现场技术员和试验人员进行试验验证，确定符合该地层的合理的施工参数：如表a：

表a

步骤II，第二次试注浆；

在76至78环重复步骤I中73至75环的内容，对之前第一次试注浆得到的参数进行再优化使之更加合理；确保在下穿供澳水管施工过程中不至于变形过大，对供澳水管造成损坏，影响其功能的正常发挥；为确定供澳水管处注浆加固施工参数，避免在加固过程中因注浆参数选择不当造成水管损坏，

首先，注浆孔布置及注浆参数；

根据计算注浆扩散半径为R＝2.3m，考虑注浆加固需咬合，故选取R＝1.5m，即注浆孔间距为3m，隧道开挖直径为D＝8.8m，考虑盾构施工影响范围，故每横断面布置5个孔，考虑到之前地面隆起情况，可能为注浆压力偏大，故在注浆孔之间，距注浆孔1.5m位置布设泄压孔；

然后，布设范围为现盾构机刀盘位置前方10m。每横断面设5个点，点与点之间距离3m，每日通过对监测点的量测，统计注浆加固对地面沉降的影响；

其次，根据第一次试注浆加固期间沉降数据和第一个试验段第73至75环掘进情况及掘进期间的地面沉降数据分析得出第二次试注浆的施工参数；

针对步骤I以及步骤II，具体说：

试验段第73环上半环掘进完成后，进行地面沉降监测，监测数据显示地面隆起(最大隆起12.35mm)，分析掘进参数得出原因为土仓压力偏大，遂在后半环掘进中降低土仓压力，掘进完成后再次进行地面沉降监测，监测数据显示地面隆起值明显减小。

总结分析第73环掘进过程中地面沉降情况，对掘进参数进行调整，继续掘进第74至75环，同样在掘进中和掘进后进行地面沉降监测，掘进中监测数据显示，地面有轻微沉降(最大沉降2.9mm)，该数值在沉降允许范围内，遂在后半环对土压进行微调，掘进完成后再次进行地面沉降监测，监测数据显示地面沉降值减小为1.8mm。

总结分析前两环掘进情况中地面沉降情况，保持参数不变，继续掘进第76至78环，同步骤I中73至75环的内容一样，在掘进中和掘进后进行地面沉降监测，掘进中监测数据显示，地面有轻微隆起(最大值为4.05mm)，该数值在隆起允许范围内，遂在后半环掘进中对土压做微调，掘进完成后进行地面沉降观测，监测数据显示地面隆起值减小，且管片脱出盾尾后有轻微沉降，分析为注浆量偏小，故决定在供澳水管段掘进时将同步注浆量进行适量增加(改为14方)，其他参数保持不变。

步骤f：在步骤e之后，采集定段推进的注浆参数及掘进参数，

每次推进试验之前进行步骤e注浆并对各监测点位进行数据采集，获取相应的初始值；

作为优选，定段推进为800mm即管片的1/2长度；当推进第一次800mm后再进行重复上述步骤d和步骤e，分析横断面沉降量的大小规律并及时修改掘进参数；

按照修改的掘进参数，再进行第二次800mm的掘进施工，施工通过后重复上述步骤d和步骤e，分析横断面沉降量的大小规律并及时修改掘进参数；按照修改的掘进参数，再进行第三次800mm的掘进施工。

具体举例；

1.注浆参数确定

根据计算得出的注浆扩散半径为R＝2.3m，考虑注浆加固需咬合，故选取R＝1.5m，即注浆孔间距为3m；

隧道开挖直径为D＝8.8m，依据盾构施工影响范围，故每横断面布置5个注浆孔，由于之前盾构时地面出现隆起情况，可能为注浆压力偏大，故在注浆孔之间，距注浆孔1.5m位置布设泄压孔，具体布置图如图3；

根据第一次试注浆加固期间沉降数据和第一个试验段第73至75环掘进期间的地面沉降数据分析得出第76至78环试验注浆的初始施工参数。试验段的注浆参数如表1。

表1预穿管线施工试验注浆参数

步骤g：掘进参数确定

同注浆参数的确定一样，掘进参数也是在两步试验掘进过程中得到最优的、对土体扰动最小的、使沉降最小的参数。具体的部分掘进参数如表2。

根据前面的预穿管线施工试验得到的合理的注浆参数和掘进参数，进行下穿供澳水管施工，并在掘进施工过程中仍对各监测点位进行实时监测，严密观测沉降变形情况，整个盾构下穿供澳水管流程如图4。

表2部分施工掘进参数汇总表

表3沉降控制值标准

监测结果分析

1、监测项目具体如下

1)土体深度为3m处各横断面在刀盘及盾尾通过供澳水管时的沉降变化。

2)土体深度为1.5m处各横断面在刀盘及盾尾通过供澳水管时的沉降变化。

2、监测标准和数据

供澳水管由于年代久远，极易发生破损，故对其周边土体的沉降控制标准进行调整。具体沉降控制标准如表3。

3、监测结果

深度3m及深度1.5m处刀盘通过供澳水管期间及盾尾通过供澳水管期间的沉降变形曲线见图4-5。

综上，新建珠海市区至珠海机场城际轨道交通项目拱北至横琴段盾构隧道下穿供澳水管过程中，监测数据显示深度为3m处各监测点位刀盘通过水管时最大变形量为6.8mm，盾尾通过水管时最大变形量为6.98mm；深度1.5m处各监测点位刀盘通过水管时最大变形量为5.7mm，盾尾通过水管时最大变形量为6.74mm，下穿供澳水管期间所有点位的最大变形量远远低于施工要求的控制标准。

步骤h，按照步骤g优化修改的注浆参数及掘进参数，盾构机下穿通过供澳水管；具体如下：

(1)按照确定的掘进参数，严格控制出土量，保证同步注浆量充足，同时安排熟练拼装手加快管片拼装速度，快速均衡穿越供澳水管区域；推进通过水管下方时可根据需要将其中一条水管停水不超过3h。

(2)土体改良

盾构隧道所穿越的地层，地质条件不均匀，施工中根据地层情况采用注入添加材料(泡沫、膨润土等)对砂性土体及不均匀地层进行改良；注入添加材料改良土体后，还可控制地表过量沉降。

①提高土体的和易性和防渗性

将添加材料注入开挖面和泥土仓，通过搅拌，使渣土变成具有可塑性、流动性、防渗性的泥土，这种泥土充满土仓和螺旋输送机内。当土仓内压力小于开挖面压力时，开挖面渣土继续进入土仓，土仓内土压力升高，达到开挖面内外土压力平衡，稳定前方地层，控制地层变形。管片拼装过程中保持全土压。

注入添加材料后，可以提高强渗透性土体的粘性，降低土体渗透系数，当经过改良处理的土体充满压力仓时，对阻止开挖面地下水的渗入，减少地层失水沉降有积极的作用，同时可以防止喷涌事故的发生，确保施工安全。

②降低刀盘扭矩，减少机械故障率

注入添加材料在提高土体和易性的同时还具有润滑的作用，可以降低盾构掘进中的刀盘扭矩，使盾构机始终处于良好的机械状态下施工作业，减小机械故障发生率，保证掘进施工的连续性。

(3)合理安排施工计划

编排循环施工进度计划时，分配好掘进出土与管片拼装等主要施工工序的时间，尽量缩短测量、管片等待的时间，提高运输效率，维持作业面连续施工，并及时按照计算确定的管片拼装顺序组织管片材料的下井运输，加快管片拼装作业。

控制盾构机推进速度，保证每环施工进度大致均衡，防止因推进速度不均匀而导致地表出现较大的差异沉降，减少土体的扰动和管片变形。

(4)确保管片质量和制作精度

管片制作精度和抗渗性满足设计和规范要求，严格按设计要求施工管片接头防水，确保管片拼装质量和接头防水效果，减少地下水渗入，同时充分紧固连接螺栓，以免管片衬砌变形而引起土体变形。

(5)强化注浆量

每环掘进拼装完成后及时进行二次注浆，为减少地面变形，控制地基不均匀沉降量，采用水泥+水玻璃浆液进行壁后双液注浆。二次注浆控制好注浆量和注浆压力，减少对地层的扰动，并防止因注浆压力过大造成地基隆起。

步骤j，地面监控量测方案；

注浆施工过程及盾构推进经过加固区域尤其是供澳水管在加固和盾构通过时应跟踪监测及时提供准确的监测数据，根据现场实际情况对监测频率进行调整，监测的布置点位按照本区间监测方案进行以准确把握跟踪注浆时机、区域和跟踪注浆结束控制，避免随意注浆造成局部注浆量过大，而引起地面隆起或者水管接头错位。

竖向位移点埋设采用钢筋。根据具体情况在地面砼路面或沥青路面钻孔至砂层，钻孔直径5cm,安装5cm直径pvc套筒，将钢筋埋入套筒中深度至原砂层中，顶部略微底于地面。将观测标志埋入原土层中，在孔中灌入砂。观测标头应低于路面(地表面)3～5mm，并在旁边用红色油漆标注点号。

供澳水管地面监测点布置同加固地面监测点布置，由于供澳水管横跨南湾南路。南湾南路为市区主要干道车流量相当大，因此在绿化带(不影响交通)中央处开挖暴露水管，在水管上面布设2个监测点对水管进行监测。在水管接头位置一侧0.5m处设置监测点，钻孔直径5cm,安装5cm直径pvc套筒，将钢筋埋入套筒中深度至原砂层中。在孔中灌入砂，观测标头应低于路面(地表面)3～5mm。为监测频率按照监测方案进行量测或根据施工具体情况进行加密调整。在注浆加固供澳水管地层和盾构机通过供澳水管时在原有监测频率基础上进行加密(每4h进行监测一次)。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。