张伟东
广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510010
摘 要 对于在建新线地铁盾构掘进施工下穿已运营地铁隧道，可能导致地铁结构沉降、位移，对地铁隧道使用功能及结构安全产生影响。本文以二十二号线番新盾构区间下穿地铁3号线汉-市区间为实例，对地铁盾构下穿即有结构运营线所遇到的风险及难点与采用地面水平孔注浆预加固处理措施进行简述，以供日后同类施工参考。
关键词 下穿运营地铁区间；风险及难点；地面水平孔注浆预加固
1工程简介
1.1项目背景
广州市轨道交通二十二号线土建施工项目位于广州市番禺区。施工项目包括祈福站、祈福站～中间风井盾构区间、中间风井、中间风井～祈番 2#盾构井区间；其中祈福站长 450.8m，祈福站～中间风井盾构区间右线长 2.397KM（左线全场 2.397KM）,中间风井长 87 m,中间风井～祈番 2#盾构井区间右线长 2.513K M（左线全场 2.513KM）。祈福站西接广州南站，东联番禺广场站。位于番禺区市广路与金山大道交叉路口以东，沿市广路布置，站址北侧自西向东依次为越华织造厂、金三谷花园；站址南侧自西向东依次为祈福新邨商业商务办公楼、祈福酒店。盾构区间主要沿市广路及东环路敷设，地表建筑物主要为 1～6层建筑，基础类型多为桩基础。本标段项目为番祈中间风井～番祈 2#盾构井区（区间长 2.513 KM），在光明北路与东环路交汇处下穿既有运营地铁 3号线（汉溪长隆站 ~市桥站）， 22号线隧顶距既有 3号线隧底净距约 5.5m，22号线左线隧顶埋深 26. 5m，既有 3号线隧顶埋深 15.1m。盾构通过时，先下穿 3号线右线，再下穿左线。 3号线处于 5Z-2和 6Z-2地层中，为盾构法隧道，管片外径 6米， 22号线盾构机刀盘开挖直径 8.840m，管片外径 8.5米。22号线隧道与三号线隧道斜交处掘进通过后，22号盾构下穿 3号线长度为 19.2~20.8m，因此盾构穿越三号线对三号线的安全及变形控制都变得十分重要。
1.2盾构下穿三号线附近管线情况
本区间线路沿线主要有电信、给水、电力、路灯电缆线、天然气、雨水、污水管道。管线主要分布在东环路两侧绿化带及人行道，几个十字路口管线（主要有电力、雨水、污水管道）呈纵横交错，较为复杂；地铁线路斜穿黄编商铺后沿沙圩村到达祈番 2#盾构井，此段管线较少。通信管线所属电信、移动、联通三家公司主要分布在东环路两侧人行道，最大埋深5.32m，管径主要为100mm，部分尺寸为200×100mm、300×200mm、400×300mm等几种；给水管道主要分布东环路两侧人行道，部分横穿东环路，最大埋深2.97m，管径主要为50mm、100mm、150mm，主管道为600mm、800mm二种；电力管道最大为1000×1000mm,最大埋深为5.64m；天然气管道最大埋深6.42m，管径100～600mm，主要以160mm、200mm二种为主；污水管道最大埋深7.06m，管径200～1500mm，主管道尺寸 4000×2600mm；雨水管道最大埋深 5.68m，管径200～1200mm。
隧道线路主要处于市光明路下方，部分线路段斜穿绿化带与沿线周边商铺临近。管线与隧道平面位置关系如下图 1所示。本区间隧道埋深28～43.5m，埋深最大管线为污水管道7.06m，距隧顶24.57m。
.png)
图1 管线与隧道平面位置关系图
2安全评估
根据CJJT/T202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，从接近程度判断，本项目盾构隧道下穿地铁三号线隧道，相对净距小于0.1D（D为本项目盾构隧道的外径），属于“非常接近”；从外部作业的工程影响分区判断，属于“强烈影响区（A）”，由此综合判定本项目对地铁结构的影响等级属于特级。
盾构隧道对地铁隧道的不利影响主要体现为盾构隧道施工诱发地铁隧道产生的位移变化。因此，结合国内已运营地铁的保护经验和相关规范，并结合地铁隧道结构现状初步分析结果，初步拟定盾构下穿过程中地铁三号线隧道结构的总位移控制值为6mm。同时地铁三号线监测范围为综合22号线盾构隧道东、西两侧各40m，重点监测范围为盾构隧道东、西两侧各35m。
3下穿过程的重难点分析及应对措施
根据拟建的22号线隧道与已建成的三号线隧道的平面位置关系和祥勘及补勘地质资料揭示盾构开挖全断面为“上软下硬”地层，决定盾构机在穿越“上软下硬”地层过程中对既有线保护的好坏将直接影响三号线运营的安全。广州地铁保护管理办法规定，保护等级为特级，对隧道结构、行车轨道的沉降、变形控制要求高。对即有地铁线路的变形量的控制是本工程的难点。
本区段下穿既有运营地铁3号线，这种“上软下硬”地层对22号线盾构下穿 3号线时会对其产生一定程度的影响，严重时会影响3号线的运营及安全，所以穿越地铁时解决降低22号线盾构机通过时的超方风险。是本工程控制的重点。
3.1对穿越运营地铁的应对措施
1)采用水平孔注浆预加固技术对22号线与3号线交叉重叠区域进行预加固，通过注浆固结全风化和强风化复合花岗岩，提高岩体整体稳定性和强度，降低盾构通过时的超方风险。
2)采用全自动监测对运营地铁进行全程监测，注浆试验要严格控制注浆量和注浆压力，并根据地面沉降监测数据及时调整注浆参数；根据每次注浆期间，地面深层位移监测数据信息，及时调整注浆参数，确保注浆施工不对 3号线造成不良的安全影响。
3)当盾构机掘进至加固范围时，根据地面沉降监测数据，进行水平孔跟踪注浆。
4注浆技术目的及参数控制
4.1注浆目的
22号线盾构下穿 3号线时会对其产生一定程度的影响，严重时会影响 3号线的运营及安全。水平定向钻孔注浆技术的目的是通过钻探成孔后，全孔下入钢阀管，并进行定点、定量控制注浆，实现钢阀管管棚支护效果 +预注浆加固 +跟踪注浆加固的技术目的。注浆目的是把能凝固的浆液通过水平钻孔注入 22号线与 3号线交叉重叠区域的岩土层中，待浆液硬化将岩土胶结成一个整体，起到固结松散的全风化和强风化复合花岗岩的作用，提高其自稳强度和抗扰动能力，降低 22号线盾构下穿 3号线的风险。
4.2注浆施工策划
根据盾构下穿 3号线的地质与水文资料、建筑物分布及周边场地条件和管线分布，本次注浆在不影响盾构施工和建筑物周边居民生活的前题下，采用在环城东路左侧附近从地面钻进水平定向钻孔注浆加固盾构上覆地层的方式，施工时钻机布置于东环路和绿化带上，通过定向钻进水平钻孔，成孔后下入预制钢阀管，用分段注浆方法对治理区域进行注浆加固，具体注浆方式、注浆参数、注浆材料根据第一个钻孔成孔后，注浆试验确定。注浆试验要严格控制注浆量和注浆压力，并根据地面沉降监测数据及时调整注浆参数；根据每次注浆期间，地面深层位移监测数据信息，及时调整注浆参数，确保注浆施工不对 3号线造成不良的影响。
当盾构机掘进至加固范围时，根据地面沉降监测数据，进行水平孔跟踪注浆。
5注浆工程难点
5.1钻孔成孔难度大
受运营线路 3号线动荷载的影响，在 22号线与 3号线交叉重叠区域钻进时，钻孔容易塌孔，对泥浆护壁和快速安全钻进技术要求高。
5.2钻孔轨迹控制难度大
市政工程中钢材质管线、盾构体本身会对随钻测斜仪方位测量造成干扰，需采用光纤陀螺进行复测并及时纠正钻孔轨迹。钻进要慢速轻压，及时测量，若有异常情况，及时停钻。
5.3注浆参数控制难度大
采用预加固方式对 22号线与 3号线交叉重叠区域的软弱地层进行加固，存在注浆压力及注浆量控制风险，注浆压力和单次注浆量控制不当，会对 3号线结构偏移造成影响，严重时会对 3号线造成抬升，影响线路运营安全。
6注浆的总体思路与实施原则
6.1地面钻场位置设置
本着不影响东环路与光明北路道路交通的原则，结合场地情况，灵活布置；
1、钻、注施工不影响盾构施工；
2、水平钻孔采用预置钢阀管，既可以达到注浆的目的，又可以起到部分管棚支护的效果；
3、设置 3号线和地表变形监测点，根据注浆时及盾构推过之后的监测结果，进行多次、定点、定量的加固和跟踪注浆；
4、对注浆区域（水平范围、竖向范围）本着保证效果、节约成本的原则进行划分。
6.2注浆加固范围
1、水平范围
注浆区域水平范围与注浆孔布置、地层特点、注浆参数等相关，根据以往工程经验类比，本着节约成本的原则，确定本工程水平方向治理范围：以 3号线隧道和 22号线隧道交叉重叠区域为基础，沿 22号线隧道方向注浆范围各向两侧扩展约 5m；沿 3号线隧道方向注浆范围各向两侧扩展约 2m。治理范围为 28m×28.17m。
（2）竖向范围
以 22号线隧道顶线向上偏移 1.5m为中心，上下各扩展 2m为竖向注浆治理范围。即 L型钻孔的水平段垂深应为 25m（第一顺位）和 24.5m（第二顺位）。
6.3钻孔设计
.png)
2、钻孔施工顺序为，先施工22号线左线钻孔，左线钻孔施工完成后再施工右线钻孔；左线先施工第一排钻孔（第一顺位），第一排钻孔施工完成后再施工第二排钻孔（根据第一排孔的施工情况再论证分析第二排孔施工的必要性），施工时采用间隔打钻施工。
暂定利用第二台钻机辅助进行注浆施工，注浆顺序与钻孔施工顺序相同。
3、钻探量及钻探泥浆配比。
（1）第一顺位 14个钻孔的总钻探量为 1792m。第二顺位 12个钻孔的总钻探量为 1536m。
（2）钻探泥浆参数
由于表土层以砂层、砂砾石层为主，为提高钻孔质量、维护孔壁、防止孔内事故、确保钻孔安全及顺利下放钢阀管等目的，钻进过程中采用高粘度化学泥浆作为钻井液，根据钻孔情况调整泥浆浓度和浆液配方。
.png)
6.4注浆套管的安装
钻孔施工完成以后需要进行注浆套管的安装。注浆套管结构如图 3-3所示，分为造斜段和水平段两个组成部分。造斜段不注浆，采用普通钢管；水平段需进行定位注浆，采用注浆阀管。注浆阀管采用 ? 108mm×8mm的无缝钢管加工，每隔 0.5m加工一条环槽，环槽内加工 6个? 12mm的圆孔，然后套上橡胶密封套，实现浆液只出不进的单向阀的功能。环形空间充填注浆套管下放至设计位置后，应立即采用充填材料对注浆套管与钻孔孔壁之间的环形空间进行充填。充填材料配制的难点在于既要满足固管止浆的强度要求，又能够在一定程度上被浆液压力击穿，渗入地层实现加固的目的。
.png)
图4 注浆套管总体结构
1、针对由风化混合花岗岩组成的松散地层或半胶结地层进行前期加固注浆，因上覆 3号线的制约，注浆不能采用劈裂注浆等高压力注浆，首先进行渗透注浆试验，即浆液在低压力作用下以渗透方式进入岩体空隙中，所以首选渗透性好的溶液型注浆材料。本项目计划优先选用水玻璃类化学浆
2、注浆流程
①钻孔内下入阀管后，首先注入低强度快凝充填材料充填阀管与孔壁环形空间。
②下入水力止浆塞进入钻孔底部，后退式分段注浆。
③每次注浆完成后，扫孔至阀管末端，以便根据盾构推进时及后期的地层沉降情况，随时进行定点加固注浆，主要施工工艺流程如下图所示：
6.5注浆量及注浆压力控制措施
1、本工程距离 3号线隧道较近，注浆压力的取值和控制应确保 3号线隧道的结构变形和位移等不超预警值。采用双控措施，以控制注浆量和注浆压力为关键（控制单次注浆总量，控制注浆施工流量，确定最小注浆压力即开环压力）。根据注浆经验，该工艺注浆开环压力在 0.5-0.8Mpa，初步暂定注浆压力不超过1.5-2个Mpa，并根据注浆试验确定。
2、每次注浆施工都与线路运营方及第三方监测公司保持联动，当达到预警值时及时停泵泄压；
3、严格按照技术措施进行注浆，并且根据注浆时压力的变化情况，实时分析地层情况和浆液的扩散规律，及时调整注浆泵量，以保证好的注浆质量。
.png)
图5注浆区域示意图
6.6施工监测与信息化施工
1、采用地表沉降监测及 3号线洞内自动化监测。地表监测主要沉降，自动化监测对象主要为隧道结构水平位移、竖向位移；地铁轨道道床水平位移、沉降；隧道结构净空收敛。监控测量反馈系统建立两套模式：第一，与施工的反馈，通过，无线数据系统与施工决策部门建立通信网络，做到准确快捷；第二，与地铁运营部门建立通信及时通报轨道及道床的沉降数据，同时了解列车进发动态。
2、根据现场实际情况，结合隧道下穿对 3号线的影响强弱情况进行布设，位于下穿位置 1倍洞径范围内约 45m强烈影响区域 5m一个共 7个监测断面；1倍洞径范围外至 3倍洞径范围内约 30m的影响区域 10m一个共 6个监测断面；共计13个监测断面。每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设两个拱顶沉降监测点，即每个监测断面布设 6个监测点。
3、水平定向注浆加固过程中可能对周围地表沉降、管线沉降、深层土体沉降位移、构筑物沉降变形和既有运营地铁三号线造成影响。注浆施工要严格控制单次注浆量和注浆压力，并根据深层位移监测仪数据和三号线洞内自动化监测数据，以及地表监测数据进行施工控制。施工过程中与 3号线隧道变形监测中心建立专线联系或微信群，钻孔或注浆施工前将施工部位报送至监测中心；隧道变形达到预警值时通知现场，则立即停止施工并泄掉注浆泵或泥浆泵的压力。
成孔及注浆期间应加强三号线影响区域的洞内变形监测，成孔期间不少于4次／天，注浆期间 1次／1h，如出现预警则加大监测频率。钻孔施工时与地面及 3号线监测网联动，设定沉降预警值 2mm，当触发预警值时调整泥浆配比和调整注浆量，当超过控制值 3mm时，停止钻进，迅速配置水泥 -水玻璃双液浆（或快硬硫铝酸盐水泥浆），凝结时间 5min，注浆封孔。
4、加固效果对地铁的影响
盾构按计划先后顺利下穿运营地铁三号线，未发生长时间停机等异常情况，掘进进度正常，按要求快速、连续顺利下穿三号线，未出现沉降监测报警超限等异常情况，水平注浆加固总工期为56天。主要参数数据如下：
.png)
8结束语
本文通过对22号线盾构隧道成功近距离下穿运营中的轨道交通三号线区间隧道的案例进行总结，本项目采取的地面水平注浆加固措施与施工参数，是适合应用在类似环境与地层中的。随着城市轨道交通的发展，未来城市地下空间必定会出现有更多的隧道项目相互穿越，如何能确保重要建（构）筑物的安全，只有在施工的各个环节都能认真组织，事前有针对性地设置技术参数，并加强过程中的控制，才能确保把对周边环境影响降到最低。
参考文献
[1]李冀伟．地铁隧道盾构下穿对既有隧道的影响研究[D]．西安科技大学博士论文，西安，2011
[2]白海卫．新建隧道下穿施工对既有隧道纵向变形的影响和工程措施研究[D]．北京交通大学硕士学位论文，北京，2007