淺覆土大粒徑富水砂卵石地層下穿跨河橋梁基礎(chǔ)技術(shù)研究

中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300000

1 工程概況

（1）工程簡(jiǎn)介。成都軌道交通10號(hào)線二期工程土建5標(biāo)區(qū)間隧道采用1臺(tái)直徑6.28m土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)掘進(jìn)左線完成接收，轉(zhuǎn)場(chǎng)后從右線始發(fā)，最終從右線接收井吊出。盾構(gòu)始發(fā)后40m在DK37+185～K37+205段下穿電廠河橋，現(xiàn)電廠河橋?yàn)榧訉捀脑鞓蛄?，原橋?yàn)?m×20m板橋，位于京昆線主干道，車輛通行頻繁，交通流量巨大。橋面寬20m，建成于1999年，2014在既有橋兩側(cè)各加寬10m，用于設(shè)置人行道及部分非機(jī)動(dòng)車道，加寬橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1m×20m預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支板，下部結(jié)構(gòu)采用樁接蓋梁橋臺(tái)。

（2）工程地質(zhì)情況。此段上部為人工填土，其下依次為粉質(zhì)黏土、砂卵石。隧道洞身主要位于<2-5-2>稍密卵石、<2-5-3>中密卵石，地層穩(wěn)定性較好，巖性較為單一，穩(wěn)定性整體較好。

2 施工的重難點(diǎn)分析

（1）淺覆土大粒徑富水砂卵石地層掘進(jìn)。該隧道工程盾構(gòu)掘進(jìn)穿越電廠河橋埋深淺，最小凈距為5.5m，砂卵石地層，土的粒徑大小不一，最大粒徑為60cm，砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間空隙大，沒有黏聚力，砂卵石地層在無(wú)水狀態(tài)下掘進(jìn)時(shí)，顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，刀盤磨損大，刀盤扭矩大，同時(shí)很容易破壞原來(lái)相對(duì)較穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。砂卵石地層在富水狀態(tài)下掘進(jìn)時(shí)，水流會(huì)帶走沙土等細(xì)顆粒，造成水土流失，進(jìn)而造成渣土改良困難及地面沉降。這樣盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，很容易出現(xiàn)刀盤扭矩過大，刀盤前方土體出現(xiàn)空洞，螺旋輸送機(jī)產(chǎn)生噴涌，引起掌子面坍塌，導(dǎo)致地面沉降[1]。為此，必須采用一定的措施使盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)達(dá)到堵水、減磨、降扭及保壓的效果。

（2）橋梁基礎(chǔ)侵入盾構(gòu)隧道。根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆心取樣抗壓試驗(yàn)結(jié)果顯示，橋臺(tái)基礎(chǔ)混凝土等級(jí)為C15，并且橋梁基礎(chǔ)侵入盾構(gòu)隧道左線約2.2m、右線約2.2m，樁基長(zhǎng)度約27m，刀盤旋轉(zhuǎn)切削樁體時(shí)，擾動(dòng)過大，容易造成樁體發(fā)生位移、傾斜、沉降，從而發(fā)生橋面行車安全事故。

3 主要技術(shù)措施

為最大限度地減小施工對(duì)電廠河橋的影響，應(yīng)在施工前優(yōu)化施工方案，選擇合理的掘進(jìn)方法，在盾構(gòu)施工時(shí)，采取變形監(jiān)控與橋面車輛運(yùn)行聯(lián)動(dòng)的綜合控制措施來(lái)保證盾構(gòu)順利通過電廠河橋[2]。

3.1 河底防沖刷及河橋?qū)Я?/h3>

（1）工藝流程。場(chǎng)地清理→測(cè)量放樣→拆除電廠河橋上部分欄桿→砂袋準(zhǔn)備→施工砂袋下墊塑料薄膜圍堰→清理河底淤泥→擋水墻鋼筋綁扎→支?！鷿仓﨏25素混凝土對(duì)河底進(jìn)行硬化處理→安裝Φ800mm導(dǎo)流管→澆筑擋水墻→加固導(dǎo)流管→混凝土養(yǎng)護(hù)→清理場(chǎng)地。

（2）材料準(zhǔn)備。編織袋、模板、2m木樁、Φ800mm波紋管、腳手架、木模板、防汛砂袋、塑料薄膜、施工用砂及碎石。

（3）電廠河水導(dǎo)流處理。電廠河施工前應(yīng)對(duì)河道南半側(cè)用沙袋進(jìn)行圍堵，然后將導(dǎo)流范圍內(nèi)的河水用水泵抽干，再清除雜物及淤泥，然后對(duì)擋水墻進(jìn)行鋼筋綁扎，對(duì)河底及擋水墻進(jìn)行支模，用澆筑C25素混凝土對(duì)河底進(jìn)行硬化處理，然后放置800mm的波紋管進(jìn)行河水導(dǎo)流，波紋管順河水的流向布置，并澆筑擋水墻混凝土加固波紋管，進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將河水導(dǎo)流至南半側(cè)，再進(jìn)行河道北半側(cè)的導(dǎo)流施工，根據(jù)南半側(cè)的施工方法對(duì)河道北半側(cè)進(jìn)行河水導(dǎo)流。保持河床平整，根據(jù)圖紙進(jìn)行水準(zhǔn)點(diǎn)定位。鋼筋綁扎必須符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求以及電廠河橋的導(dǎo)流要求。

（4）電廠河橋地面處理。①施工過程中對(duì)橋墩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果決定是否進(jìn)行跟蹤注漿。②盾構(gòu)穿越橋梁時(shí)對(duì)盾構(gòu)上方的半幅橋梁進(jìn)行臨時(shí)封路，待盾構(gòu)通過后再開放路面交通。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

（1）穿越前應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，確保下穿時(shí)不停機(jī)，一次性通過。

（2）穿越該段前，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)合修正，確保順利通過橋梁樁基基礎(chǔ)。

（3）掘進(jìn)參數(shù)的控制。要想控制地面沉降，就要做到快速開挖、快速支護(hù)、快速注漿，以此縮短從開挖到最終注漿的時(shí)間差，這就對(duì)掘進(jìn)速度及施工管理連續(xù)性提出了較高的要求。常見問題及處理：①扭矩不穩(wěn)及卡刀盤。刀盤扭矩不穩(wěn)卡刀盤可能是由以下方面的因素造成。第一，大粒徑卵石不能進(jìn)入土倉(cāng)，扭矩波動(dòng)，甚至刀盤卡死。第二，底部渣土在水和細(xì)顆粒流失的情況下造成沉積，沉積物密實(shí)，內(nèi)摩擦角較大，一般發(fā)生在停機(jī)階段，現(xiàn)象刀盤無(wú)法啟動(dòng)。處理方式：使用膨潤(rùn)土漿或者高分子聚合物從螺旋及螺旋兩側(cè)底部注入口大流量沖刷，如無(wú)效可進(jìn)倉(cāng)清理。第三，砂土板結(jié)。砂土板結(jié)一般是指渣土改良不好長(zhǎng)期堆積及壓力作用形成的，一般位于螺旋機(jī)兩側(cè)及螺旋機(jī)上部。如果持續(xù)改良不佳，板結(jié)區(qū)域會(huì)逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致進(jìn)渣困難，造成推力大，貫入度小，最終產(chǎn)生扭矩大且不穩(wěn)的現(xiàn)象。處理此問題，除了開倉(cāng)處理，還要持續(xù)增加渣土改良，使板結(jié)區(qū)域越來(lái)越小。②卡螺旋?？菪幸韵聝煞N情況：一種是噴涌條件下限制螺旋轉(zhuǎn)速，停機(jī)后容易產(chǎn)生螺旋卡死，此時(shí)，打開觀察口會(huì)發(fā)現(xiàn)螺旋內(nèi)渣土密實(shí)，且無(wú)細(xì)顆粒；處理方式是人工清理，預(yù)防措施停機(jī)前注入膨潤(rùn)土且間隔反轉(zhuǎn)螺旋（螺旋扭矩一直高位運(yùn)行）。另一種是掘進(jìn)過程中螺旋卡死。掘進(jìn)過程中螺旋卡死是較大異物進(jìn)入螺旋造成的，此時(shí)螺旋壓力迅速升高，同時(shí)伴有震動(dòng)。對(duì)此，應(yīng)迅速停止推進(jìn)，緩慢旋轉(zhuǎn)刀盤，最高速度反轉(zhuǎn)螺旋直至螺旋扭矩平穩(wěn)，然后再緩慢恢復(fù)推進(jìn)。③間隙性噴涌。間歇性地由螺旋口噴出水及砂土壓力與流量不可控制，存在噴涌時(shí)土倉(cāng)內(nèi)太多水，噴完后土倉(cāng)內(nèi)太干；易造成砂土沉積，造成渣土改良效果進(jìn)一步變差；土倉(cāng)內(nèi)部壓力不穩(wěn)，且間歇性變化，不利于掌子面穩(wěn)定；噴涌較大時(shí)對(duì)工作區(qū)域污染較大，清渣時(shí)間較長(zhǎng)，是造成施工不連續(xù)的最大因素之一。間歇性噴涌的原因：渣土改良效果差，土倉(cāng)內(nèi)渣土隔水性較差；土倉(cāng)內(nèi)倉(cāng)位較低；土倉(cāng)內(nèi)持續(xù)加水過多。對(duì)此，應(yīng)選擇關(guān)閉螺旋，持續(xù)緩慢掘進(jìn)，過程中大量注入膨潤(rùn)土漿或者惰性漿液，土壓上升后恢復(fù)正常掘進(jìn)，連續(xù)幾次后會(huì)有改善。④出渣量不能控制呈發(fā)散狀態(tài)。解決辦法：可降低推力，同時(shí)增大渣土改良投入，同時(shí)提高倉(cāng)位，不要強(qiáng)調(diào)掘進(jìn)速度，直到出渣量達(dá)到正常；如不能改善可通過，需要注入改性水玻璃或者膨潤(rùn)土砂漿，待其凝固后，形成新的掌子面后重新恢復(fù)掘進(jìn)。

（4）對(duì)超挖段作好記錄，盾尾到達(dá)該里程時(shí)適當(dāng)加大注漿量，必要時(shí)在盾尾通過后在該里程處進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

（5）砂卵石地層渣土改良：①增加土倉(cāng)內(nèi)渣土的流動(dòng)性，避免排土不暢而導(dǎo)致的閉塞事故，避免艙內(nèi)結(jié)砂餅，同時(shí)降低刀盤面板對(duì)掌子面的正壓力，減少擾動(dòng)量；②提高土倉(cāng)內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免噴涌造成較大的地表沉降或坍塌事故；③降低土倉(cāng)內(nèi)渣土以及掌子面土體的內(nèi)摩擦角，減少對(duì)刀盤、刀具的磨損，降低盾構(gòu)刀盤扭矩；采用泡沫劑和膨潤(rùn)土進(jìn)行土倉(cāng)內(nèi)渣土的改良，最好使用膨潤(rùn)土進(jìn)行改良，在掘進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控刀盤扭矩及渣土的溫度，同時(shí)合理配置隔板中心攪拌棒攪拌位置，以保證渣土在土倉(cāng)內(nèi)攪拌均勻。

（6）注漿速率需與推進(jìn)速度保持一致，保證注漿均勻飽滿。同時(shí)避免因注漿壓力過大而將漿液直接注入土倉(cāng)；調(diào)整合適的砂漿配比，縮短砂漿初凝時(shí)間，盡快穩(wěn)定管片姿態(tài)。

（7）盾構(gòu)施工過程中，進(jìn)行系統(tǒng)、全面的監(jiān)控測(cè)量，及時(shí)反饋數(shù)據(jù)。

3.3 盾構(gòu)通過后控制措施

（1）盾構(gòu)通過電廠河橋后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，及時(shí)對(duì)周圍土體進(jìn)行地面跟蹤注漿。

（2）待電廠河橋沉降穩(wěn)定后，由第三方鑒定單位再次對(duì)電廠河橋進(jìn)行鑒定，并與通過前的鑒定報(bào)告做對(duì)比，確定盾構(gòu)通過是否對(duì)電廠河橋結(jié)構(gòu)造成影響。

（3）洞內(nèi)二次注漿加固，加固長(zhǎng)度為20m，注漿漿液須有一定的防水功能，必要時(shí)做一道止水環(huán)。

（4）盾構(gòu)穿越橋臺(tái)后對(duì)橋梁進(jìn)行安全評(píng)估，并作評(píng)估報(bào)告。

3.4 河橋北側(cè)降水井布置

在橋臺(tái)北側(cè)布設(shè)3口降水井，水位降至隧道底1m，確保盾構(gòu)開倉(cāng)人員進(jìn)倉(cāng)安全。為盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)換刀做準(zhǔn)備，降水井在盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)前15d保持不間斷抽水，以確保水位于隧道底下方1m以下。在盾尾后面制作2道止水環(huán)，確保后方河流水回流。保證施工的安全及連續(xù)性。

3.5 常壓換刀施工方案

為保證盾構(gòu)后續(xù)正常掘進(jìn)，通過電廠河橋后需開倉(cāng)檢修刀具；檢查點(diǎn)設(shè)置在河橋北側(cè)地表空曠地帶，待盾尾通過河橋10環(huán)以后，在不影響交通的情況下，結(jié)合交通特點(diǎn)（降水施工），在新平站明挖區(qū)間—?jiǎng)⒓夷胝緟^(qū)間，劉家碾站ZCK37+155處設(shè)置開倉(cāng)檢查點(diǎn)，換刀作業(yè)前結(jié)合后盾構(gòu)施工，在換刀區(qū)設(shè)置3口降水井，左右線隧道外側(cè)及左右線之間分別設(shè)置一口降水井，降水井有效降水深度為隧底3m以下，保證開倉(cāng)作業(yè)前水位在遂底2m以下。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過綜合應(yīng)用河底硬化、河橋?qū)Я魈幚怼⑽灰票O(jiān)測(cè)等技術(shù)方法，在穿越跨河橋梁的樁基基礎(chǔ)河橋的施工全過程中，橋墩累計(jì)沉降2.34mm，滿足設(shè)計(jì)要求，確保了橋面行車運(yùn)行的安全，為類似工程施工提供了一定的可供參考的施工經(jīng)驗(yàn)。