泥水盾構(gòu)下穿侵限隧道箱涵施工技術(shù)研究

彭 剛

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

盾構(gòu)過既有建(構(gòu))筑物施工中[1－3]，如何確保盾構(gòu)順利實施以及對既有機構(gòu)的影響降低至最低限度，是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。

目前國內(nèi)外對于盾構(gòu)下穿箱涵工程的研究已取得了一些成果，李煒明等[4]對盾構(gòu)下穿雨水箱涵進行了研究，通過在臨近箱涵隧道上方進行注漿加固，可有效降低盾構(gòu)施工引起的箱涵結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險；朱垚鋒等[5]對淤泥地層盾構(gòu)隧道下穿四孔箱涵引起的沉降進行了研究；秦榛[6]對鄰近接收端盾構(gòu)下穿雨水箱涵風(fēng)險控制技術(shù)進行了研究，總結(jié)了風(fēng)險防控要點，并從盾構(gòu)參數(shù)、注漿、監(jiān)測等方面制定了相應(yīng)的技術(shù)措施；劉興福[7]針對盾構(gòu)穿越既有建筑物，采用了數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，通過盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整、刀具檢查、常壓換刀等一系列措施提高了施工安全性；周紹賓等[8]運用有限元軟件分析了盾構(gòu)施工中箱涵與地表沉降間的關(guān)系，并提出了既有構(gòu)筑物與地表沉降控制的有效技術(shù)措施。史曉濤[9]在未考慮地下水等理想狀態(tài)下對盾構(gòu)近距下穿雨水箱涵進行了研究。對于已有研究，由于盾構(gòu)施工和既有隧道結(jié)構(gòu)之間相互影響的情況比較復(fù)雜，且地質(zhì)情況、周圍環(huán)境以及施工特點差異很大，現(xiàn)有施工經(jīng)驗不能夠直接運用。本文依托廣州8號線9標(biāo)出入段線穿越箱涵，對盾構(gòu)過侵限隧道箱涵技術(shù)進行了研究。

2 工程概況

2.1 箱涵概況

廣州8號線9標(biāo)出入段線盾構(gòu)于鴉崗大道段下穿箱涵，該大道處人流車流繁忙，常有重車行走，地下管線復(fù)雜。入段線下穿箱涵段地面上方為鴉崗大道，影響環(huán)數(shù)為500～525環(huán)，出段線下穿箱涵段地面上方為鴉崗大道及華快上橋匝道，影響環(huán)數(shù)為465～485環(huán)。箱涵全長80.5 m，寬8.4～12.4 m，內(nèi)部凈高3.0 m，含2洞跨，箱涵排水從北至南，北處有1根800 mm市政水管，南側(cè)排入污水渠，箱涵流水量正常，內(nèi)填充淤泥。箱涵所處地層從上至下主要為回填土、中粗砂及粉質(zhì)黏土，盾構(gòu)穿越地層主要為中粗砂層。其中箱涵上部3～4 m處為回填土地層，箱涵下部1～2 m及以下為中粗砂。箱涵處地下水埋深為地面以下1.5 m。

2.2 箱涵與隧道間的關(guān)系

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，箱涵分為3部分箱體，兩端的華南快速建設(shè)期擴建箱涵位于南北兩側(cè)(長度約4 m，內(nèi)部凈高1.8 m，寬約10.5 m，含2洞跨)，與舊箱涵之間(長度約66 m，內(nèi)部凈高3.0 m，寬約10.5 m，含2洞跨)頂板齊平，但底板標(biāo)高不一。經(jīng)設(shè)計復(fù)核，中部原鴉崗大道舊箱涵侵入出段線隧道深度為0.974～1.534 m，箱涵侵入入段線深度為0.352～0.914 m。經(jīng)鉆探，中部箱涵底板頂標(biāo)高為4.05 m，厚度為900 mm，采用φ22鋼筋。箱涵基礎(chǔ)為30 cm厚中粗砂及1 m厚碎石。

3 刀盤及刀具改進

盾構(gòu)采用鐵建重工泥水盾構(gòu)，因工程地質(zhì)復(fù)雜，盾構(gòu)施工中存在刀盤刀具磨損嚴(yán)重，盾構(gòu)扭矩大，為保證刀盤正常使用，盾構(gòu)施工前需對刀盤及刀具優(yōu)化改造。

(1)在盾構(gòu)機刀盤外周增加滾刀8把，其中偏心滾刀4把，邊緣滾刀4把，4把邊緣滾刀對稱設(shè)置在刀盤副輻臂邊緣，4把偏心滾刀交替設(shè)置在每2把邊緣滾刀之間，且相互對稱。盾構(gòu)機掘進過程中，滾刀將箱涵內(nèi)回填的素混凝土擠破，并通過邊緣刮刀將碎石送入土倉。

(2)在刀盤副輻臂邊緣設(shè)置邊緣刮刀，利用邊緣刮刀將底部土渣刮入土倉，可保護刀盤免受磨損；同時，在邊緣刮刀上增設(shè)耐磨塊，避免邊緣刮刀磨損失效。

(3)在刀盤面板焊接復(fù)合耐磨鋼板，外周鑲嵌合金耐磨板，可有效保護外周刮刀和滾刀，防止因磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致刀具損壞、掉落；在刀盤邊緣刮刀外周無耐磨板覆蓋的地方加焊耐磨柵格，耐磨柵格尺寸為40 mm×40 mm，網(wǎng)條高度為5 mm，寬度為5 mm，耐磨柵格可有效解決邊緣刮刀易磨損問題，保證盾構(gòu)掘進過程中刮刀的正常使用。

4 盾構(gòu)過箱涵關(guān)鍵技術(shù)

4.1 箱涵清理

因箱涵侵入隧道斷面約為1.6 m，因此需對箱涵進行破除處理，處理前需先清理箱涵內(nèi)淤泥。具體清理:在箱涵內(nèi)淤泥周圍施作圍堰，其圍堰高度高于淤泥堆高，阻斷污水水流，圍堰采用磚塊或沙袋砌筑而成，其高度為1～1.5 m，圍堰施工完成后，圍堰內(nèi)存水用水泵抽出，為避免污水流入箱涵影響清理工作，采用抽漿車直接將箱涵內(nèi)淤泥抽至車內(nèi)外運拉走，清理至箱涵底板深度；箱涵底部的硬泥漿，采用高壓水槍沖稀后利用抽漿車抽走，底部較硬沉淀采用人工清除。箱涵內(nèi)部淤泥如圖1所示。箱涵淤泥清理示意如圖2所示。

圖1 箱涵內(nèi)部淤泥

圖2 箱涵清理示意

4.2 箱涵處理

(1)鑿除侵入隧道范圍內(nèi)箱涵底板

清淤完成后，對箱涵侵入隧道部分進行處理。通過測量確定侵入盾構(gòu)隧道區(qū)域內(nèi)的箱涵底板范圍，鑿除侵入范圍內(nèi)的底板鋼筋保護層，后依次對箱涵底板面層鋼筋、底部鋼筋進行切割鑿除。因前期資料有限，箱涵清理完成后對底板進行取芯，取芯鉆取出兩層鋼筋后，若有較大漏水甚至涌砂，則需立即封堵取芯孔，重新處理。

(2)回填

底板鋼筋鑿除完成后，對鑿除區(qū)域周圍的側(cè)墻進行鑿毛，后在箱涵內(nèi)回填素混凝土，其回填范圍為盾構(gòu)隧道穿過區(qū)域兩側(cè)2～3 m，且回填高度為盾構(gòu)隧道區(qū)域上方30～50 cm；素混凝土填充采用分層澆筑，每40～60 cm為一層，填充過程中對混凝土進行檢測和振搗。

(3)施作抗壓浮板

為防止隧道上浮，并能給盾構(gòu)掘進提供反力，需在回填混凝土上增設(shè)一層壓板，即待回填層的混凝土終凝后，在回填層頂部兩側(cè)墻植入鋼筋，后在回填層頂面施作30～50 cm厚鋼筋混凝土板，形成抗壓浮板。施工回填層及抗壓浮板示意如圖3所示。

圖3 施工回填層及抗壓浮板示意

4.3 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制和沉降監(jiān)測

待箱涵處理完成后，因原箱涵箱體結(jié)構(gòu)被破壞，受力發(fā)生改變，為保證箱體整體穩(wěn)定性，確保上方路面的穩(wěn)定，盾構(gòu)下穿箱涵侵限區(qū)時，對其盾構(gòu)參數(shù)[10]進行控制。參數(shù)設(shè)置具體見表1所示。

表1 盾構(gòu)掘進參數(shù)

盾構(gòu)掘進施工過程中，做好對雨水箱涵及周邊道路、管線的沉降監(jiān)測[11]，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有明顯單次沉降或累計沉降值超過沉降預(yù)警值6 mm時，沿箱涵側(cè)墻向箱涵底部和周圍壓注水泥漿(注漿壓力控制值為0.3 MPa)對箱涵周圍及底部地層進行補償注漿，以減少因地層沉降對箱涵的影響。補償注漿采用WSS雙液注漿機，沿箱涵側(cè)墻布設(shè)間距為3 m，打入箱涵側(cè)墻下5 m，管長則由不同位置的埋深計算確定。

4.4 施工緩沖砂漿層

盾構(gòu)通過后，隧道成型管片與箱涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)直接接觸，會引起地面沉降，影響后期地鐵運營等風(fēng)險。經(jīng)現(xiàn)場試驗，配制特定的惰性砂漿作為管片與箱涵之間的緩沖層，通過管片吊裝孔在成型隧道與箱涵之間注入該惰性砂漿，可增強成型隧道與箱涵之間的受力傳遞，同時隔斷地下水滲流侵蝕，對隧道的防水抗?jié)B起到了加強作用，保證了隧道后期運行安全穩(wěn)定。該漿液粘度為30～38 s，比重1.15～1.2 g/cm3，坍落度為220～240 mm，具有優(yōu)越的流動可塑性，良好的粘結(jié)力和和易性，有更好的充填效果，能夠填充成型隧道與箱涵之間通道和間隙。注漿時，注漿壓力為該處水土壓力加0.1～0.3 bar。惰性砂漿配比如表2所示。施工砂漿緩沖層結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 施工砂漿緩沖層結(jié)構(gòu)示意

表2 緩沖砂漿層惰性漿液配方 kg

5 注意事項

(1)清理箱涵因空間小，必須由專業(yè)隊伍施工，且需做好各項安全防護措施。清理過程中若發(fā)現(xiàn)箱涵出現(xiàn)漏水，漏水較小，立刻用快干水泥進行封堵；漏水較大，則進行埋管引流，然后在漏水處采取開孔注漿措施。若漏水較大且涌砂，則立即采取回填措施，臨時封閉地面相關(guān)道路。

(2)利用盾構(gòu)掘進線路上的袖閥管加固體作為試驗段[12]，模擬盾構(gòu)下穿侵限箱涵盾構(gòu)施工，通過對試驗段的掘進參數(shù)及地面沉降情況進行統(tǒng)計分析，預(yù)測盾構(gòu)機通過侵限箱涵時可能出現(xiàn)的沉降值，以最優(yōu)的盾構(gòu)掘進參數(shù)通過箱涵。

(3)由于侵限箱涵施工過程中周圍存在較多的回填土，盾構(gòu)穿越過程中極易因泥水倉壓力不足導(dǎo)致超方，進而引起地面大面積沉降，故須提高停機保壓值[13]，確保掌子面及上方水土穩(wěn)定，確保盾構(gòu)機安全快速下穿侵限箱涵。

(4)當(dāng)盾構(gòu)隧道通過污水箱涵前7 d開始進行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/2 d，當(dāng)盾構(gòu)掘進面與箱涵距離小于100 m時，按表3進行監(jiān)測，當(dāng)盾構(gòu)通過污水箱涵后仍需持續(xù)觀測直至穩(wěn)定。

表3 箱涵及箱涵周圍地表監(jiān)測指標(biāo)

6 結(jié)束語

該技術(shù)成功應(yīng)用于出入段線泥水盾構(gòu)下穿箱涵，針對箱涵進行前處理，使盾構(gòu)直接穿過箱涵侵入?yún)^(qū)，并配合合理的推進速度不僅能保證同步注漿的填充效果，同時推進速度的提高有利于減少因刀盤擾動而造成侵限箱涵周圍回填土的塌陷；設(shè)置合理的同步注漿量和注漿壓力的控制、地面跟蹤補償注漿保證沉降可控。另外，通過配制的惰性砂漿，作為管片與箱涵直接的緩沖層，極大地保證了成型隧道與箱涵之間的受力傳遞，凝固后不收縮，后期強度穩(wěn)定，隔水性、耐久性優(yōu)異，同時隔斷地下水滲流侵蝕，對隧道的防水抗?jié)B也起到了加強作用。該砂漿與傳統(tǒng)水泥砂漿相比，流動可塑性強，能更好堵塞土倉與盾尾之間的通道和間隙，同時不易粘在盾體盾殼外影響后期盾構(gòu)掘進；與膨潤土、塑料泡沫劑等相比，又具有粘聚性和穩(wěn)固性，不易讓地下水沖刷流失而影響盾構(gòu)土倉密閉安全性，確保盾構(gòu)能正常掘進。