盾構隧道下穿川陜立交施工技術研究

賈廣武

(中鐵六局集團成都地鐵3號線土建5標項目部，四川 成都 610500)

盾構隧道下穿川陜立交施工技術研究

賈廣武

(中鐵六局集團成都地鐵3號線土建5標項目部，四川 成都 610500)

基于成都地鐵3號線一期工程土建5標熊貓大道站—動物園站區(qū)間隧道穿越川陜立交橋工程為研究對象，針對盾構隧道縱斷面為泥巖地層，且地面立交橋對沉降要求高，主要采取以下措施：1)在施工過程中使用特殊化學改良劑來控制掘進參數(shù)；2)對沉降要求高的區(qū)段，首先于盾構經過前在地面進行預加固，盾構經過后在隧道內再加固的雙加固方法。施工證明：在泥巖地層中通過在盾構掘進過程中采用化學改良和地面、隧道雙加固措施，可以有效控制地面沉降，保證隧道施工順利進行和地面立交橋功能的正常發(fā)揮，為其他盾構工程在泥巖層，尤其是黏土地層中下穿既有橋梁施工提供了參考和借鑒。

成都地鐵；盾構隧道；川陜立交橋；加固；監(jiān)控測量

0 引言

為了緩解大中型城市日益增加的交通壓力，目前如北京、上海、廣州、深圳、重慶、成都等大城市都已經開始建設和運營地鐵[1]，其他一些人流比較密集的大中型城市也開始規(guī)劃和建設地鐵。因而可以預見的是，在近幾年內，會有越來越多的城內和城際輕軌線路進行規(guī)劃和建設。地鐵線路的修建一般都是為了緩解地面的交通壓力，所以規(guī)劃的地鐵隧道的建設大多都位于城市中心區(qū)和人口、商業(yè)集中區(qū)域，這就給地鐵隧道的建設帶來了極大的困難，隧道建設需要穿越這些既有的小區(qū)、商廈和立交橋等地面建筑物，以及市政建設的管道和線纜等地下構筑物[2-3]。因而，地鐵隧道在修建過程中如何安全地通過這些既有地面建筑物和地下市政構筑物，是每個盾構工作者不得不考慮的問題[4-5]。地鐵隧道在盾構掘進過程中不可避免地會造成地面的振動和一定程度的沉降，從而影響到地面建筑物功能的發(fā)揮和施工安全。目前針對地面的沉降規(guī)律和沉降量的預測在國內研究較多，馬超等[6]以合肥市府廣場地下通道工程中的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，總結了暗挖法中的地表沉降規(guī)律；馮超等[7]以西安地鐵2號線下穿護城河和城墻的地表檢測沉降數(shù)據(jù)總結出預防地表沉降的施工措施是足量的同步注漿和及時補漿；羅新文[8]、楊天亮等[9]對盾構施工過程中的地面沉降進行了數(shù)值模擬，總結出了一般規(guī)律。但上述文獻在盾構通過泥巖地層如何減少甚至避免地面沉降的研究還較少。本文以成都地鐵3號線穿越川陜立交橋的盾構施工為研究對象，對泥巖地層中盾構施工控制地面變形進行研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都地鐵3號線一期工程土建5標包含駟馬橋北站—動物園站區(qū)間和動物園站—熊貓大道站區(qū)間。區(qū)間隧道出駟馬橋北站后，沿川陜路向北入動物園站，出動物園站，繼續(xù)沿川陜路北行，在川陜路與熊貓大道交叉路口進入熊貓大道站。其中動物園站—熊貓大道站區(qū)間隧道在YCK36+231.3～YCK37+113.5位置下穿川陜立交橋，隧道左線側穿立交橋跨線橋、匝道橋和主線橋橋樁，右線側穿立交橋匝道橋和主線橋橋樁。隧道與川陜立交橋平面示意和現(xiàn)場照片如圖1所示。

(a)示意圖

(b)照片

1.2 立交橋概況

川陜立交橋建設完成于2001年7月，其主線橋采用連續(xù)箱梁，設雙柱橋墩及輕型擋土橋臺，基礎為挖孔樁基。根據(jù)基礎資料該立交橋基礎為1.3,1.5，1.8 m直徑樁基礎，樁高為13.5～19.5 m。隧道左右線側穿其主橋、跨線橋、匝道橋橋樁，影響范圍內橋樁共計47根，最近凈距不足2 m。

川陜立交橋所在的川陜路作為進出四川、連接陜西的唯一交通要道，沿途連接著廣漢、德陽、綿陽、廣元直到西安，平時車流量大，人流集中，這些問題都給盾構的施工帶來了很大的風險。

1.3 地質概況

盾構隧道在下穿川陜立交橋里程范圍內的開挖面處于全斷面風化泥巖層。此處泥巖呈紫紅、褐紅、磚紅色；以黏土礦物組成為主，泥質結構，塊狀構造，泥質膠結。

根據(jù)泥巖層風化程度的不同，還可以分為3個亞層：1)5-1全風化泥巖，褐黃色、褐紅色、紫紅色夾灰白色，主要由黏土礦物組成，巖質極軟，巖芯呈土柱狀，少量碎塊狀。本層廣泛分布，發(fā)育厚度不均勻。區(qū)間層厚為0.50～3.90 m。2)5-2強風化泥巖，褐紅色、紫紅色，泥質結構，裂隙較發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀、短柱狀，巖質軟，為極軟巖，巖芯碎塊手可折斷，巖體基本質量等級為Ⅴ類。層厚在0.90～9.20 m。3)5-3中等風化泥巖，褐紅色、紫紅色，中厚層狀，泥質或微鈣質結構，泥質膠結。巖芯多呈柱狀，少量呈碎塊狀，較完整，巖質較軟，為極軟巖，錘擊易碎，部分地段軟弱夾層或差異風化明顯，易風化，遇水易軟化，RQD值一般為75～90，巖體基本質量等級為Ⅴ類。本次勘探未揭穿該層，揭露厚度一般為2.50～16.60 m。

1.4 施工風險

對立交橋進行了多次調查和專業(yè)鑒定，橋身存在眾多裂縫、損壞及修補痕跡，建筑狀況較差，施工風險較大。川陜立交橋為進出城交通主干道，車流量大、人流集中，盾構下穿距離長；工程特殊的地理位置、工程地質水文等特點，預計盾構下穿川陜立交橋的主要風險有：

1)橋樁沉降風險。盾構在掘進過程中，對土體產生擾動，如果控制不當會導致橋樁沉降，從而引起橋身變形、開裂甚至坍塌，造成公共財產損失和周邊人員的人身、財產危害。

2)管線損害風險。區(qū)間沿線管線較多，對沉降敏感，盾構在掘進過程中，極易造成管線變形、破損。在對橋樁進行加固時，需要進行地面加固，加固過程中如果對管線了解不詳細、不真實，也容易造成管線的損害。

3)結泥餅風險。區(qū)間隧道在穿越川陜立交橋過程中，洞身處于全斷面風化泥巖層，該種地層遇水后黏性極大，切削下來的渣土極易粘附在刀具和刀盤上面，容易將刀具包裹、糊住，從而導致部分刀具失效，甚至會引起刀盤的工作障礙，且在穿越立交橋過程中不宜進行停機，否則后果嚴重。

2 施工措施

通過預估盾構隧道穿越川陜立交橋可能存在的風險，針對性地對盾構施工做出了專項設計，具體措施如下。

1)盾構掘進施工下穿川陜立交橋之前，對盾構進行檢修，保證能夠在穿越川陜立交橋過程中快速、恒速通過。

2)嚴格控制盾構掘進參數(shù)，控制地層損失率在2%以內以及盾構掘進過程中推進壓力不小于0.8倍理論水土壓力。盾構通過后及時同步注漿，并注意控制同步注漿的量與壓力。

3)盾構通過橋梁基礎前，選擇合適地點預埋注漿管進行地面注漿預加固，盾構通過時由地面注漿管和隧道內同時進行補漿。

4)在盾構通過立交橋時，使用分散劑對土倉內土體進行改良，保證渣土的“塑性流體”狀態(tài)，穩(wěn)定掌子面，降低、甚至避免對地面的擾動和沉降。

5)強化監(jiān)控測量，盾構通過全過程實行信息化施工，密切監(jiān)視建筑物的位移情況和地面沉降。

2.1 掘進控制措施

盾構掘進施工下穿川陜立交橋之前，對盾構進行檢修，加強各流程間的施工銜接，保證施工連續(xù)性和盾構勻速、快速通過，減少開挖過程中對土體的擾動。

在盾構下穿川陜立交橋過程中，需要對盾構的各項參數(shù)進行嚴格控制，以降低對地面的擾動和沉降。1)土倉內土壓力值不小于靜水壓力和地層土壓力之和。2)土倉壓力通過掘進速度、排土量2種方法建立，并維持切削土量與排土量的平衡，排土量采用體積、質量雙重控制以保持土倉內的壓力穩(wěn)定。3)強調合理的貫入度，避免過多刀盤空轉，防止土體間的鑲嵌摩擦沖擊造成的切削作用，造成掌子面坍塌，推進過程中速度不宜過快，還要保證同步注漿的時間和質量。4)在實際掘進施工中根據(jù)地質條件、排出的渣土狀態(tài)以及盾構的各項工作狀態(tài)參數(shù)等動態(tài)地調整優(yōu)化。盾構下穿川陜立交橋參數(shù)設置如表1所示。

表1 盾構下穿川陜立交橋參數(shù)設置Table 1 Parameters of shield boring underneath Chuanshan interchange

2.2 地面和隧道雙加固措施

為保證盾構既能夠順利、安全地通過川陜立交橋，又能確保川陜立交橋的穩(wěn)定和功能發(fā)揮，減小或避免地面的沉降，在盾構通過川陜立交橋前，需要對盾構掘進區(qū)間內的橋樁進行地面預加固處理，以降低盾構對橋樁的應力?？紤]到泥巖本身的孔隙度對注漿的要求，此處注漿采用化學雙液注漿硬化技術，漿液分為A液和B液，注入前，均為黏度很低的液體，注漿時在注入口混合，通過調節(jié)A，B液的比例來控制硬化速度和強度。通過建模對盾構通過橋樁基礎的應力影響進行了計算，盾構通過對橋樁的應力由加固前的6.49 MPa降低至加固后的2.78 MPa，數(shù)據(jù)顯示加固后橋樁的受力明顯降小，減少量達57%左右。主線橋、跨線橋和匝道橋的地面預加固如圖2—4所示。

對本身抗壓強度不足0.7 MPa的橋樁周邊區(qū)域加固完成后，對加固區(qū)域進行取芯檢測，實測抗壓強度大于1 MPa后進行后續(xù)作業(yè)，對不滿足要求區(qū)域進行重新加固處理。

在盾構通過立交橋過程中，還需要在橋樁波及范圍內通過增加管片內部均勻布有注漿孔的特殊管片，并及時對地面沉降的區(qū)域進行隧道內二次徑向注漿，以起到穩(wěn)定地面、減少地面變形的目的。每根橋樁加固長度為樁前后6 m，管片徑向1 m范圍。隧道內加固橫、縱剖面示意如圖5所示。

這種在地面預注漿加固，然后再在隧道內補充注漿的雙注漿模式工程實施在最大程度上降低了盾構對地面變形的影響，尤其是在隧道內的注漿更是避免地面變形的重要措施。

2.3 土體改良措施

川陜立交橋下的盾構掘進掌子面為全斷面黏性泥巖，在盾構施工過程中，渣土遇水之后，黏度增加，極易粘附于刀盤及土倉內壁，導致施工中盾構推力和扭矩增大，這不但在一定程度上增加了結泥餅的幾率，還加劇了盾構施工對地面的擾動。

在本工程盾構下穿川陜立交橋過程中，對地面的擾動和變性要求較高，因而在盾構過程中需要外加土體改良試劑對渣土進行改良。

明潔公司的分散劑產品是一種針對黏性土層而研發(fā)的土體改良劑。當分散劑與高黏性土混合時分散劑分子上的基團會通過微觀作用力作用于黏土表面的負電荷，進而進入大塊土體內部，將大塊的土體進行分散、分離，此時向土體中注入充分的水以提高土體的含水率，最終使得高黏性土體對盾構刀具的黏附性得到顯著降低，使高黏性土體的高黏性狀態(tài)變成具有流塑性的理想狀態(tài)。

(a)平面圖

(b)剖面圖

在盾構通過川陜立交橋過程中，對土體的改良主要采取以下措施：1)利用泡沫劑的止水性，以泡沫置換渣土空隙中水，降低渣土的含水性和致密度，穩(wěn)定壓力，有利于掌子面的穩(wěn)定。在使用泡沫劑的同時，使用另外一套管線向掌子面和土倉內注入分散劑，用分散劑降低切削土體與盾構刀盤及結構間的黏附力，保證土倉內土壓力的穩(wěn)定性和出土的順暢性。2)在土壓力的設定上，以理論的土壓力為基礎，適當降低實際土壓力，在施工過程中要時刻關注盾構開挖面的土體特性，在盾構推進時，要把握好適合的施工進度，不要圖快；同時還要利用經驗和專項研究確定盾構參數(shù)和土倉中土體狀態(tài)的函數(shù)關系式，通過掘進參數(shù)來控制土體狀態(tài)，以降低“泥餅”產生的幾率。3)在掘進前對盾構的土倉進行改造，在土倉中垂直線的不同高度上安裝壓力傳感器，并將壓力數(shù)值還原于掘進參數(shù)控制面板上，通過檢測不同高度上的壓力差值來計算土倉內渣土的表觀密度，進而預估渣土的狀態(tài)是否有結“泥餅”的趨勢，并用調整泡沫劑和分散劑的注入量來進一步改良渣土的和易性。

(a)平面圖

(b)剖面圖

2.4 其他施工措施

1)在加固施工過程中，對每個橋樁周圍進行挖孔探測橋樁的沉降和傾斜程度，探孔深度不小于2 m。

2)嚴格控制掘進參數(shù)和注漿量、注漿壓力，掘進參數(shù)和注漿量、注漿壓力以試掘進總結成果進行掘進。

3)利用管片吊裝孔作為注漿孔，打鋼花管對管片外3 m范圍進行注漿加固，鋼花管長3.5 m。

4)根據(jù)監(jiān)控量測情況，及時進行洞內二次注漿或補充注漿。

5)提前預估盾構穿越過程中的風險及專項預防措施和風險解決方案，做好突發(fā)事件的應急準備工作。

6)在盾構穿越川陜立交橋時，提前和相關部門協(xié)商溝通，以保證施工期間的供電和交通對施工的影響。

7)施工過程中嚴格按照設計監(jiān)測要求和《監(jiān)測方案》進行系統(tǒng)、全面的監(jiān)控量測，實行信息化施工。

(a)平面圖

(b)剖面圖

(a)橫斷面

(b)縱剖面

3 施工監(jiān)測結果

2013年6月29日晚，熊貓大道站—動物園站區(qū)間盾構隧道開始穿越川陜立交橋，右線于7月31日6點30分，順利通過，左線于2013年8月1日23點順利通過，至此，2條隧道均順利穿過川陜立交橋。在穿越過程中對隧道影響范圍內的地面擾動、沉降和立交橋的橋墩沉降、橋樁傾斜等進行了定時監(jiān)測，以降低盾構過程對地面和立交橋的影響。

3.1 監(jiān)測項目

1)地面監(jiān)測。盾構推進過程會影響隧道附近的土體，進而導致推進面的地面產生擾動，因而需要對隧道中線的橫斷面的變形進行監(jiān)測。

2)橋樁監(jiān)測。對距離盾構中線30 m范圍內的橋樁布設沉降監(jiān)測點和傾斜監(jiān)測點，以隨時了解盾構過程對橋梁的影響。

3.2 監(jiān)測標準和數(shù)據(jù)

川陜立交橋為震后修復橋梁，對其沉降允許范圍進行相關調整，具體如表2所示。

表2 監(jiān)測控制值和川陜立交橋變形控制基準Table 2 Control values of deformation of Chuanshan interchange

3.3 監(jiān)測結果

盾構隧道穿越川陜立交橋期間，橋樁沉降、傾斜和地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總見圖6—8。

圖6 橋梁沉降監(jiān)測結果

成都地鐵3號線一期工程土建5標熊貓大道站—動物園站區(qū)間隧道穿越川陜立交橋過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示左線地面累計沉降最大9.78 mm，橋樁累計沉降最大3.10 mm，橋樁傾斜最大0.16‰L(L為樁長)；右線累計最大沉降8.76 mm，橋樁累計沉降最大2.62 mm，橋樁傾斜最大0.12‰L，左右線的沉降均遠低于施工要求的控制基準。

圖7 橋梁傾斜監(jiān)測結果

圖8 地面沉降監(jiān)測結果

4 結論與建議

成都地鐵3號線一期工程土建5標熊貓大道站—動物園站區(qū)間隧道成功近距離下穿成都北三環(huán)川陜立交橋，通過采取掘進控制、地面和隧道內雙加固措施以及土體改良等手段，最大程度上降低了盾構施工對地面的影響。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，立交橋地面累計沉降最大9.78 mm，橋樁累計沉降最大3.10 mm，橋樁傾斜最大0.16‰L，滿足盾構施工控制標準要求。

成都地鐵3號線盾構施工成功穿越川陜立交橋，既確保了盾構施工的安全，又保證了立交橋功能的正常發(fā)揮，施工過程采取的控制措施有效地降低了地面沉降和施工對地面的擾動影響，這一成功案例為泥巖層中盾構施工穿越地面建筑物提供了參考依據(jù)。

此施工方法還無法在根本上避免地面的擾動和沉降，無法實現(xiàn)盾構施工中的零沉降，這還有待于繼續(xù)研究和實踐。

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ConstructionTechnologiesforShield-boredTunnelCrossingunderneathChuanshanInterchange

JIA Guangwu

(ProjectDepartmentofNo.5BidSectionofNo.3LineofChengduMetro,ChinaRailway6thBureauGroup,Chengdu610500,Sichuan,China)

The shield-bored running tunnel from Panda Avenue Station to Zoo Station of No.5 bid section of Phase I project of Line 3 of Chengdu Metro crosses underneath Chuanshan interchange.The mentioned running tunnel is located in mudstone and clay ground,and the interchange above the running tunnel has strict requirement on the ground settlement.The following countermeasures are taken: 1)Special chemical ground conditioning agents are used to control the boring parameters;2)For sections with high settlement control requirement,pre-reinforcement from the ground surface is executed before shield passes and reinforcement from inside the tunnel is executed after the shield passes.The construction practice shows that the countermeasures taken can bring the ground surface settlement under effective control and can ensure the safety of the tunneling and the normal operation of the interchange.The paper can provide reference for similar projects in the future.

Chengdu Metro;shield-bored tunnel;Chuanshan interchange;reinforcement;monitoring

2014-03-03;

2014-04-22

賈廣武(1982—)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，2006年畢業(yè)于蘭州交通大學，鐵道工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事盾構施工和技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.012

U 45

B

1672-741X(2014)08-0778-06