CN111677521B - 用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法 - Google Patents

用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，通过钻斜孔钢花管注浆加固形成“V”字形加固隔离层，并进行了注浆加固隔离参数、盾构掘进参数及管片壁后深孔补浆参数试验，得出合理的参数控制值，将大直径盾构下穿高压燃气管引起的沉降量值控制5mm范围内，确保大直径盾构下穿掘进中高压燃气管线的运营安全，同时通过钻斜孔钢花管注浆加固形成“V”字形加固隔离层还提高了高压燃气管围岩的长期稳定性。

Description

用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法
技术领域
本发明涉及地铁盾构隧道施工领域，具体涉及一种用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法。
背景技术
随着我国城市地铁的发展，地质与环境条件越来越复杂，如苏州3号线何山路站至苏州乐园站区间遇到上软下硬复合地层、南京地铁1号线盾构区间小间距下穿玄武湖隧道，且出现了地铁线间相互穿越和地铁下穿高铁的情况，如苏州地铁3号线金鸡湖西站至东方之门站区间下穿1号线，深圳地铁7号线笋岗站～洪湖站区间采用重叠盾构隧道的形式下穿广深高铁26股道。当地铁区间隧道盾构下穿高压燃气管时，若地层加固和盾构掘进控制不好，将导致高压燃气管沉降、爆裂和泄漏等事故，不仅影响城市居民的居家生活，而且会危及周围人员的生命和财产安全。因此，必须采取有效措施控制下穿高压燃气管的沉降，防止其发生爆裂和泄漏等工程事故，确保地铁区间隧道盾构下穿安全进行。
现有技术公开的发明专利(申请号2016101977060)采用钢桁架和桩梁框架组成的主支撑体系、悬吊体系和管道防护体系对纵跨车站基坑的高压燃气管进行悬吊保护和沉降控制，规避了高压燃气管迁改给周围市民生活造成不便和施工安全风险。发明专利(申请号2019112733650)采用围护桩、围檩、支撑、预制盖板、现浇钢筋混凝土挡墙和中粗砂组成高压燃气管道保护结构，有效隔断高压燃气管道上方来自道路路面的各种荷载，适用于城市软土地层中高压燃气管保护。发明专利(申请号201610279369X)包括位于高压燃气管道两侧的两道支撑单元，第一支撑单元包括两个内钢板桩组、若干平行设置的第一钢板桩和内支撑，第二支撑单元包括两个外钢板桩组、若干平行设置的第二钢板桩和腰梁和顶梁。
现有技术对高压燃气管沉降控制主要采用悬吊(高压燃气管纵跨地铁车站基坑)或者竖向隔离(位于地层中的高压燃气管采用围护桩或者钢板桩隔离)两种方式，而对于地铁区间隧道下穿采用明挖回填发建成的高压燃气管时，因其周围土体松软，大直径盾构下穿必将扰动高压燃气管周围的土体导致其沉降，沉降量超过5mm后将导致高压燃气管爆裂和泄漏，故盾构下穿安全风险极高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，采取从远离高压燃气管正上方地表一定距离钻斜孔加固高压燃气管和下穿区间隧道之间夹层土体形成“V”字形加固隔离层，同时进行注浆加固隔离参数、盾构掘进参数及管片壁后深孔补浆参数试验，得出合理的参数控制值，更好控制大直径盾构下穿高压燃气管引起的沉降量值小于5mm，确保大直径盾构下穿掘进中高压燃气管线的运营安全。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，包括以下步骤：
一、钻孔；钻孔用于安装钢花管，使得后续安装的钢花管在高压燃气管断面上，位于与高压燃气管线下垂直一段距离处、左右对称、交点在高压燃气管正下方；钻孔及其精度控制为钻孔中每钻孔进尺一定距离需进行一次测量计算，控制钻孔角度的精度；
二、安装钢花管；钢花管位于与高压燃气管线下垂直一段距离处、左右对称、交点在高压燃气管正下方；
三、注浆；仅对高压燃气管圆心水平线以下段钢花管进行注浆；由注浆加固隔离参数试验确定相关参数，包括注浆浆液的水灰比和注浆压力、钢花管直径及其间距、斜孔角度和钻孔位置与高压燃气管中线的水平距离；
四、盾构控制
由盾构掘进参数试验确定掘进参数，通过对下穿高压燃气管前一定区间的隧道的盾构掘进速度、刀盘转速、总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力和注浆量以及土压掘进参数进行试验，并通过地表沉降监测进行验证，得出盾构下穿高压燃气管的掘进参数控制值；
由盾构隧道管片衬砌壁后深孔补浆参数试验确定深孔补浆参数，通过在下穿高压燃气管前一定距离进行盾构隧道管片衬砌壁后深孔补浆的注浆压力、注浆量、注浆深度、注浆速度、浆液类型和浆液配比试验，并通过地表沉降监测进行验证，得出盾构隧道管片衬砌壁后深孔补浆参数控制值。
进一步地，在步骤三中，采用注浆加固隔离效果检测试验检测加固隔离效果：注浆加固14d后对5％的钢花管进行抽样检测，对加固范围内土体进行密实度试验，其平均密实度大于最大值的95％以上方为合格。
进一步地，在步骤三中，还包括预留跟踪注浆管，在盾构隧道的正上方高压燃气管两侧已打入的钢花管之间再次打入一定数量的钢花管，当注浆加固隔离效果检测试验不能满足要求或者沉降控制效果达不到要求时，利用预留的跟踪注浆管进一步对隔离层进行注浆加固。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术主要采用悬吊和竖向隔离两种方式控制高压燃气管的沉降，因而无法解决地铁区间隧道大直径盾构下穿采用明挖回填法建成的高压燃气管因周围土体松软易产生较大沉降的技术难题。本发明针对地铁区间隧道大直径盾构下穿高压燃气管沉降超过5mm后将导致爆裂和泄漏的工程事故，提出了通过钻斜孔钢花管注浆加固形成“V”字形加固隔离层。并进行了注浆加固隔离参数、盾构掘进参数及管片壁后深孔补浆参数试验，得出合理的参数控制值，将大直径盾构下穿高压燃气管引起的沉降量值控制5mm范围内，确保大直径盾构下穿掘进中高压燃气管线的运营安全，同时通过钻斜孔钢花管注浆加固形成“V”字形加固隔离层还提高了高压燃气管围岩的长期稳定性。
附图说明
图1为本发明用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法最终效果侧视图。
图2为本发明用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法最终效果俯视图。
图中：盾构隧道1；高压燃气管2；钢花管3；袖阀管4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一、钻斜孔钢花管加固隔离范围确定
高压燃气管2线采用明挖回填法铺设，因周围土体不密实而管线正上方地表不能承受钻机等载荷，钻机不能距离管线太近钻竖孔，故只能离开一定距离钻斜孔。钢花管3钻孔与隧道和高压燃气管2间的空间关系如图1所示，加固隔离范围为：在高压燃气管2断面上，钢花管3位于与高压燃气管2线下垂直距离等于1.2m处、左右对称、交点在高压燃气管2正下方，仅对高压燃气管2圆心水平线以下段钢花管3进行注浆，注浆扩散范围为1.0m，即注浆加固隔离层厚度为2.0m；在盾构隧道1断面上，盾构隧道1两侧1倍盾构外径范围，即注浆隔离层的长度为3D(D为盾构外径)。
二、钻孔及其精度控制
钻孔中严格控制钻孔角度，避免打穿高压燃气管2，孔位平行分布于高压燃气管2线两侧，沿管线轴线方向孔间距为1m。每进尺20cm需进行1次测量控制钻孔角度，方能满足斜角精度达到95％以上。
三、注浆加固隔离参数试验确定
注浆加固隔离参数包括注浆浆液的水灰比和注浆压力、钢花管3直径及其间距以及斜孔角度。
四、浆液水灰比和注浆压力试验确定
在该地层中进行了注浆加固试验，注浆浆液的水灰比分别为0.8:1、0.9:1和1:1，注浆压力分别为0.7MPa、0.8MPa和0.9MPa。试验结果表明当水灰比1:1、注浆压力0.8MPa时加固后土体的密实度大于最大值的95％。所以，注浆浆液水灰比应取1:1，注浆压力为0.8MPa。
五、注浆管直径试验确定
通过三种钢花管Φ42、Φ48和Φ50在水灰比1:1和注浆压力0.8MPa下进行了注浆加固试验，其地层密实度分别达到了最大值的95.3％、88.2％和82.7％。因此，注浆管选取直径为Φ42mm的钢花管，才能保证加固后地层的密实度大于最大值的95％。注浆压力为0.8MPa，直径为Φ42mm的钢花管注浆扩散半径为1.0m。为了加强注浆加固效果，钢花管3的间距布设为1m，则钢花管3间注浆加固有0.5m的搭接范围，即一个钢花管3注浆加固范围的边界为左右两个钢花管3的圆心位置，发挥充分的咬合作用，确保注浆加固隔离层对高压燃气管2的支撑和隔离作用。
六、钻斜孔角度试验确定
高压燃气管2线采用明挖回填法铺设，因周围土体不密实而管线正上方地表不能承受钻机等载荷，钻机不能距离管线太近钻竖孔，故只能离开一定距离钻斜孔。但是，距离太远又导致斜孔角度太小，钻孔距离太长，角度难以控制、且成孔率低。进行了斜孔角度75°、60°和45°三种情况下对角度控制准确率以及成孔合格率等进行了比较分析(见表1)，斜孔角度为75°时，钻孔设备离高压燃气管2线太近，而45°导致钻孔的距离比较长，且角度控制准确率和成孔合格率不满足要求。因此，斜孔角度应选择60°，能确保角度控制准确率和成孔合格率大于90％，也能离开高压燃气管线一定的距离，且要求钻机等设备均应安置在远离高压燃气管2线一侧，目的是减小其重量经地层传递后作用到高压燃气管2线上的荷载，确保高压燃气管受力安全。
表1斜孔不同角度下成孔效果试验
倾斜角度/° 45 60 75
角度控制准确率/％ 80 90 95
成孔合格率/％ 85 91 96
综合对比 差 良 优
七、注浆加固隔离效果检测试验
注浆加固14d后，对5％的钢花管3进行抽样检测，并对加固范围内土体平均密实度进行试验，加固后土体平均密实度为最大值90％以上，确保加固隔离效果。同时，盾构隧道正上方高压燃气管2两侧各多打入4根钢花管3作为预留跟踪注浆管，当注浆加固隔离效果达不到要求或者对高压燃气管线沉降的控制满足不了要求时，即其沉降监测数据增速过快，则必须利用预留的跟踪注浆管进一步注浆加固隔离层，直到高压燃气管2沉降监测的最大值控制在5mm范围内。预留跟踪注浆管的4根钢花管打入的位置在盾构隧道的正上方高压燃气管2两侧已打入的钢花管3之间，间隔为1m，对称地分布在盾构隧道1圆心的两侧。
八、盾构近距离下穿高压燃气管掘进参数试验确定
通过对下穿高压燃气管2前长200m区间隧道盾构掘进的参数进行试验，以地表沉降3mm为判断标准，得出掘进速度、刀盘转速、总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力和注浆量以及土压掘进参数控制值，见表2。采用试验前盾构掘进参数后引起地表的沉降量大于5mm，而经200m长度掘进试验，采用试验后盾构掘进参数引起的地表沉降量均小于3mm。
表2下穿高压燃气管盾构掘进参数试验结果
参数 试验前 试验后 试验目的
掘进速度mm/min 40-50 30 控制对土体的扰动
刀盘转速r/min 1.3～1.5 1.0 控制对土体的扰动
总推力kN 2500～3000 1500～2000 控制高压燃气管的隆起
刀盘扭矩kN.m 4000～5000 2500～3000 控制高压燃气管的隆起
注浆压力/bar 3 5 确保壁后注浆饱满控制沉降
土压/bar 0.6～1.0 1.0～1.2 确保土舱压力平衡控制沉降
每环注浆量/m<sup>3</sup> 10 12 确保壁后注浆饱满控制沉降
九、盾构隧道1管片衬砌壁后深孔补浆参数试验
由于盾构掘进对地层具有一定的扰动，同时盾构隧道1管片衬砌结构壁后同步注浆不能完全密实以及凝固收缩变形，均会导致盾构掘进过后高压燃气管2继续沉降，从而使得其沉降量值逐渐超过5mm控制值。故必须对盾构隧道1管片衬砌壁后进行深孔补浆抵消高压燃气管的部分沉降，并确保其沉降不会继续增加，使得其沉降达到稳定的状态。通过在下穿高压燃气管2前200m进行盾构隧道1管片衬砌壁后深孔补浆参数试验，盾构掘进过后随着时间的推移其地表沉降均增加了1～2mm。采用试验前的管片衬砌壁后深孔补浆参数后，其地表沉降增大了1mm左右。而对深孔补浆参数提高后，即采用试验后的管片衬砌壁后深孔补浆参数后，其地表沉降未有增加。管片衬砌壁后深孔补浆参数注浆压力、注浆量、注浆深度、注浆速度、浆液类型和浆液配比试验后的参数列于表3中。
表3管片壁后深孔补浆参数
参数 试验前 试验后 试验目的
注浆压力 2～3bar 6～8bar 提高注浆密实度抵消部分沉降
注浆量 1m<sup>3</sup> 2m<sup>3</sup> 提高注浆密实度抵消部分沉降
注浆深度 0.3m 0.6m 增大注浆加固范围抵消部分沉降
注浆速度 1.0m<sup>3</sup>/h 0.5m<sup>3</sup>/h 增大注浆加固范围抵消部分沉降
浆液类型 单液浆 双液浆 缩短凝固时间提高加固效果
浆液配比 水灰比1:1 水玻璃：水灰比0.8:1:1 缩短凝固时间提高加固效果
十、沉降监测点布设
沿管线方向布设沉降观测点9个，每个管线沉降监测点的埋设采用PVC管作为套管，沉降监测点利用直径为16mm的钢筋头，直接连接到高压燃气管2的套管DN1500混凝土管上，测点的间距为盾构隧道外径的三分之一。测点中回填细砂并露出钢筋头，对测点进行编号并加盖钢盖板，防止沉降监测点被破坏。
十一、沉降控制效果评判
采取注浆加固隔离、盾构掘进参数控制以及管片壁后深孔补浆后，大直径土压平衡盾构掘进施工引起高压燃气管线沉降测点的监测值稳定后的最大值小于控制值5mm，方能满足沉降控制要求。
下面通过一个具体实例来验证本发明技术效果：
某市地铁18号线兴隆站～天府新站区间盾构近距下穿高压燃气管威青线，型号为DN720，气压4MPa，供应某市1/3区域。高压燃气管2为厚8mm的螺纹钢管，外面的套管为DN1500混凝土管。区间隧道隧顶距离套管底5.2m，管线套管埋深6.5m，盾构隧道埋深13.5m。区间盾构穿越地层为中风化泥岩，威青线采用明挖回填施工，地层松散。兴隆站～天府新站区间长度超过5km，根据工期要求，设风井兼作盾构始发与接收井将该区间分层4段，兴隆站—中间风井左线长2383.4m、右线长2372.849m，中间风井—天府新站左线长2712.018m、右线长2714.291m。采用中国铁建重工集团有限公司研制的ZTE8600土压平衡盾构机掘进，外径为8.65m，要求盾构穿越全程高压燃气管2不停气。
本实例的的实施过程如下：
(1)注浆加固隔离参数确定
注浆管选取直径为Φ42mm的钢花管3，注浆钢花管3斜孔角度为60°。注浆浆液的水灰比1:1，注浆压力为0.8MPa。注浆压力为0.8MPa下的浆液扩散半径为1.0m，钢花管3的间距布设为1m、注浆加固搭接范围0.5m。
(2)注浆钢花管3钻孔与盾构隧道1和高压燃气管2间的空间关系确定
钢花管3长度为13.4m、钻孔位置与燃气中线水平距离为6.7m，钢花管3与高压燃气管2线套管的垂直距离为1.2m，钢花管3最低点与盾构隧道1间净距离为1.9m、与高压燃气管2套管间净距离为3.3m。
(3)注浆加固隔离范围确定
钢花管3钻孔位置对应的地面范围长26m、宽13.4m。钢花管3的加固长度为4.85m、在盾构隧道1断面上钢花管注浆加固宽度为4.2m。在高压燃气管2断面上，加固隔离范围的形状为“V”字形，边长4.85m、厚度2m、沿高压燃气管2方向长度为26m。加固范围在地面的投影面积为长28m、宽4.85m。
(4)注浆加固用钢花管数量确定
钢花管3的间距设置为1m，其钻孔范围长26m，则单侧需要26根钢花管3、再加上预留的跟踪注浆管4根共30根，两侧共需钢花管60根。每根钢花管3长13.4m，60根钢花管3需要的总长度为804m。采用Φ42×4钢花管3，每米的质量为3.75kg，考虑1.1的加工损坏系数则804m需要3.3吨。
(5)沉降监测
沿管线方向布设沉降观测点7个，间距从中间向两侧分别为2m、4m和7m、测点深6.5m。
(6)钻孔及其精度控制
钻孔中严格控制钻孔角度，避免打穿燃气管，孔位平行分布于高压燃气管2线两侧，沿管线轴线方向孔间距为1m。每进尺20cm需进行了1次测量控制钻孔角度，现场斜角精度达到了96％，满足钻斜孔精度控制要求。
(7)注浆加固隔离效果
注浆14d后，通过对管线两侧52根钢花管3的5％进行抽样检测，实际抽样检测4根。加固隔离层厚度均大于2m、加固范围长度和宽度均满足要求，加固后土体平均密实度为其最大值的95.8％，大于95％的要求，加固隔离效果良好。
(8)盾构近距离下穿高压燃气管掘进控制值
大直径土压平衡盾构近距离下穿高压燃气管2施工中，盾构掘进参数控制为掘进速度30mm/min、刀盘转速1.0r/min、总推力1500～2000kN、刀盘扭矩2500～3000kN.m、注浆压力5bar、土压1.0～1.2bar、每环注浆量12m3，盾构掘进通过时高压燃气管2的沉降仅为3.9mm，小于控制值5mm的要求。
(9)盾构隧道1管片衬砌壁后深孔补浆参数控制
由于盾构掘进对地层具有一定的扰动，同时受盾构隧道1管片衬砌结构壁后同步注浆不能完全密实以及浆液凝固收缩变形的影响，导致了盾构掘进过后高压燃气管继续沉降，其沉降量值达到了4.8mm，非常接近控制值5mm。所以，必须对盾构隧道1管片衬砌壁后进行深孔补浆抵消高压燃气管2的部分沉降，同时抑制其沉降不会继续增加以便达到稳定的状态。采用了管片壁后深孔补浆参数控制值为注浆压力6～8bar、注浆量2m3、注浆深度0.6m、注浆速度0.5m3/h、双液浆的水玻璃与水灰比为0.8:1:1进行施作补浆后，高压燃气管2线的沉降量值不但未继续增加，反而略有减少，稳定后沉降量最大值为4mm，满足在控制值5mm范围内的要求。
(10)沉降控制效果分析
大直径土压盾构下穿高压燃气管2段长26m，平均每班掘进4环、每环幅宽1.5m、每班掘进6m，共用了4班、每天2班，共用了2天完成了大直径土压盾构下穿高压燃气管2段施工任务。同时，采取了本发明的注浆加固隔离、盾构掘进参数控制以及管片壁后深孔补浆后，大直径土压平衡盾构掘进施工引起高压燃气管线沉降测点的监测值稳定后的最大值仅为4mm，小于控制值5mm，满足沉降控制要求，未使用预留的8根跟踪注浆管。
采取本发明的沉降控制方法经某市地铁18号线兴隆站～天府新站区间盾构近距下穿高压燃气管威青线(气压4MPa，供应某市1/3区域)现场应用验证了该方法的可靠性，确保了地铁区间隧道大直径盾构下穿明挖回填法建成的高压燃气管施工的安全。

Claims (3)

1.一种用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、钻孔；钻孔用于安装钢花管（3），使得后续安装的钢花管（3）在高压燃气管（2）断面上，位于与高压燃气管（2）线下垂直一段距离处、左右对称、交点在高压燃气管（2）正下方；钻孔及其精度控制为钻孔中每钻孔进尺一定距离需进行一次测量计算，控制钻孔角度的精度；
二、安装钢花管（3）；钢花管（3）位于与高压燃气管（2）线下垂直一段距离处、左右对称、交点在高压燃气管（2）正下方；
三、注浆；仅对高压燃气管（2）圆心水平线以下段钢花管（3）进行注浆；由注浆加固隔离参数试验确定相关参数，包括注浆浆液的水灰比和注浆压力、钢花管（3）直径及其间距、斜孔角度和钻孔位置与高压燃气管（2）中线的水平距离；
四、盾构控制
由盾构掘进参数试验确定掘进参数，通过对下穿高压燃气管前一定区间的隧道的盾构掘进速度、刀盘转速、总推力、刀盘扭矩、同步注浆压力和注浆量以及土压掘进参数进行试验，并通过地表沉降监测进行验证，得出盾构下穿高压燃气管（2）的掘进参数控制值；
由盾构隧道（1）管片衬砌壁后深孔补浆参数试验确定深孔补浆参数，通过在下穿高压燃气管（2）前一定距离进行盾构隧道（1）管片衬砌壁后深孔补浆的注浆压力、注浆量、注浆深度、注浆速度、浆液类型和浆液配比试验，并通过地表沉降监测进行验证，得出盾构隧道（1）管片衬砌壁后深孔补浆参数控制值。
2.根据权利要求1所述的用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，其特征在于，在步骤三中，采用注浆加固隔离效果检测试验检测加固隔离效果：注浆加固14d后对5%的钢花管进行抽样检测，对加固范围内土体进行密实度试验，其平均密实度大于最大值的95%以上方为合格。
3.根据权利要求2所述的用于地铁区间隧道施工中高压燃气管沉降控制方法，其特征在于，在步骤三中，还包括预留跟踪注浆管，在盾构隧道（1）的正上方高压燃气管（2）两侧已打入的钢花管之间再次打入一定数量的钢花管（3），当注浆加固隔离效果检测试验不能满足要求或者沉降控制效果达不到要求时，利用预留的跟踪注浆管进一步对隔离层进行注浆加固。
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