盾構(gòu)側(cè)穿高速公路橋樁施工關(guān)鍵技術(shù)

彭顯曉， 周 鑫， 胡學(xué)智， 孔 慧

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300011）

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，地鐵隧道經(jīng)常需要近距離穿越重要的建（構(gòu)）筑物；施工過(guò)程中，必須盡量減小建（構(gòu)）筑物的位移和基礎(chǔ)差異沉降，確保安全。圍繞盾構(gòu)近距離側(cè)穿建構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作[1～3]；但針對(duì)實(shí)際施工措施的研究相對(duì)較少。盾構(gòu)法施工影響建（構(gòu)）筑物變形的主要因素有地質(zhì)條件以及土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、同步注漿、二次注漿等[4～5]。本文以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿高架橋樁為背景，圍繞影響建（構(gòu)）筑物變形的主要因素，研究了減少盾構(gòu)機(jī)近距離側(cè)穿施工對(duì)建（構(gòu)）筑物影響的具體措施。

1 工程概況

天津地鐵6 號(hào)線某區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，側(cè)穿某高速公路高架橋樁。高架橋樁基礎(chǔ)為直徑1 500 mm、長(zhǎng)50～63 m的鉆孔灌注樁；橋面結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單跨46.5 m，橋面單幅寬17.8 m，雙向8 車道。區(qū)間右線與橋梁樁基的最小水平距離為7.5 m，左線與橋梁樁基最小水平距離為8.5 m，隧道與橋涵豎向凈距約30 m。見圖1。

圖1 區(qū)間側(cè)穿高速公路橋樁

高速公路橋樁位置的地基土為第四系全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)的河床以及河漫灘相、濱海潮汐帶相等沉積物，主要為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等。淺水層埋深0.44～5.30 m，第一承壓含水層為⑨2粉細(xì)砂層，第二承壓含水層主要為?2粉砂層。見圖2。

圖2 高速公路橋樁位置的地質(zhì)斷面

2 盾構(gòu)側(cè)穿橋梁樁基施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

選用ZTE6760 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾體直徑6 760 mm，開挖直徑6 770 mm，主機(jī)長(zhǎng)8.96 m，整機(jī)總長(zhǎng)約75 m。合理的設(shè)定盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)是保障盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度、有效控制建構(gòu)筑物和地面沉降的前提。

1）土倉(cāng)壓力。根據(jù)地質(zhì)情況，盾構(gòu)機(jī)的土倉(cāng)壓力采用水土合算方式計(jì)算的靜止土壓力，計(jì)算深度取盾構(gòu)機(jī)的中心位置。初步估算土倉(cāng)壓力時(shí)，地面荷載可取20 kPa；實(shí)際設(shè)定值應(yīng)根據(jù)每環(huán)埋深和地面荷載實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整。

式中：P 為土倉(cāng)壓力；P1、P2分別為水體壓力、變動(dòng)荷載；K0為靜止土壓力系數(shù)；h為在盾構(gòu)中心上方的各土層厚度；γ為在盾構(gòu)中心上方的各土層重度。

2）總推力及扭矩。土倉(cāng)壓力是影響盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)總推力的主要因素。

掘進(jìn)總推力=盾體周長(zhǎng)×盾體長(zhǎng)度×土倉(cāng)壓力×摩擦系數(shù)＋盾構(gòu)面積×土倉(cāng)壓力+盾尾與管片之間的摩擦力+盾構(gòu)機(jī)后配套的牽引阻力±盾構(gòu)機(jī)自重沿掘進(jìn)方向的分力

其中，摩擦系數(shù)可在掘進(jìn)試驗(yàn)段根據(jù)實(shí)際情況反算得出，初步估算時(shí)可暫取0.1。

盾構(gòu)機(jī)扭矩主要受穿越土層性質(zhì)影響。

盾構(gòu)機(jī)的扭矩=刀盤的面積×開挖面黏聚力系數(shù)＋刮刀數(shù)量×刮刀的切削扭矩＋攪拌柱的扭矩＋支撐臂的扭矩

3）掘進(jìn)速度及刀盤轉(zhuǎn)速。盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度控制不當(dāng)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)。為確保盾構(gòu)機(jī)順利側(cè)穿高速公路橋樁，掘進(jìn)的速度應(yīng)盡量平穩(wěn)均勻，施工應(yīng)不間斷；在土壓力和同步注漿系統(tǒng)允許的前提下，提高盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度也可在一定程度上降低側(cè)穿施工對(duì)橋梁樁基的不利影響。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)試驗(yàn)段積累的經(jīng)驗(yàn)，本工程側(cè)穿橋樁時(shí)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度設(shè)為40 mm/min。

確定盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度后，刀盤的轉(zhuǎn)速主要受刀具的貫入度影響。

刀具的貫入度偏大將加大刀具的磨損；刀具的貫入度偏小又容易導(dǎo)致刮擦，無(wú)法順利切削土體。本工程初步設(shè)定刀具的貫入度為40 mm/r，進(jìn)而得出刀盤的轉(zhuǎn)速約為0.9 r/min。刀盤的轉(zhuǎn)速還應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)試驗(yàn)段的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制

土倉(cāng)壓力可通過(guò)調(diào)整排渣量和掘進(jìn)速度來(lái)控制。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開始時(shí)，首先注入適量泡沫對(duì)渣土進(jìn)行改良；再調(diào)整盾構(gòu)機(jī)刀盤的轉(zhuǎn)速，逐步達(dá)到設(shè)定值；然后緩緩增加千斤頂?shù)挠蛪?，上部、中部、下部的油壓差控制在約2 MPa，用于平衡盾構(gòu)機(jī)前體和刀盤的重力，防止盾構(gòu)機(jī)低頭。當(dāng)?shù)侗P的扭矩過(guò)大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整水和泡沫的注入量或者將刀盤反轉(zhuǎn)，待盾構(gòu)機(jī)的扭矩恢復(fù)至設(shè)定范圍再逐漸增加千斤頂?shù)耐屏?。?dāng)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，應(yīng)停止增加推力并觀察土倉(cāng)壓力的變化，當(dāng)土倉(cāng)壓力升高至設(shè)定值時(shí)開始出渣。掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)土倉(cāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，可適當(dāng)調(diào)低螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少出渣量；當(dāng)土倉(cāng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，可適當(dāng)提高螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加出渣量。側(cè)穿施工時(shí)，為避免土倉(cāng)壓力大幅波動(dòng)，螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整不宜過(guò)大。

處于上坡段時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大盾構(gòu)機(jī)下部千斤頂?shù)耐屏Γ藭r(shí)對(duì)管片存在斜向下的推力，脫出盾尾后的管片將產(chǎn)生下沉趨勢(shì)，故盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)標(biāo)高宜高于設(shè)計(jì)標(biāo)高約15 mm。

2.3 同步注漿

同步注漿壓力取決于注漿位置的水土總壓力與地層性質(zhì)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)充分注漿而不發(fā)生劈裂。確定同步注漿壓力設(shè)定值時(shí)，需要考慮注漿管的壓力損失，即

同步注漿壓力=注漿孔處的水土總壓力+盾構(gòu)機(jī)注漿管壓力損失

注漿管壓力損失應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，初步估算時(shí)可取0.13 MPa。

本工程注漿量按理論空隙體積的2 倍考慮，即注漿量為2×1.5π（6.772－6.62）/4＝5.34（m3）。

同步注漿漿液選用水泥砂漿，由水、砂、粉煤灰、膨潤(rùn)土以及水泥拌和而成。見表1。

表1 1 m3同步注漿漿液的配合比kg

根據(jù)地層條件和掘進(jìn)速度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整配合比并加入早強(qiáng)劑，進(jìn)一步縮短凝結(jié)時(shí)間，保證注漿效果。

同步注漿的速度應(yīng)匹配盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，在完成一環(huán)管片掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)應(yīng)速度均勻地完成整環(huán)同步注漿。根據(jù)注漿量及掘進(jìn)速度，計(jì)算得到注漿速度在3.7 L/s 左右。每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中（環(huán)寬1.5 m），進(jìn)尺的理論注漿量控制值見表2。

表2 注漿量控制

2.4 其他措施

2.4.1 土體改良

為保證土倉(cāng)內(nèi)渣土的流動(dòng)性和黏度，宜向土倉(cāng)內(nèi)注入一定量的水。加水量應(yīng)根據(jù)掌子面的地質(zhì)情況確定，以使土的液性指數(shù)達(dá)到0.5 為標(biāo)準(zhǔn)。隨著土中含水量的增加，土體的穩(wěn)定性將會(huì)降低并可能導(dǎo)致無(wú)法攪拌均勻，故不能僅依靠加水來(lái)改良土體，必要時(shí)需注入一定量的泡沫。加入水和泡沫也能防止刀盤前端形成“泥餅”。

2.4.2 二次注漿

二次注漿能夠彌補(bǔ)同步注漿的不足，有效減小地表沉降。本工程二次注漿的漿液選用水泥-水玻璃雙液漿。其中，水玻璃漿液中水和水玻璃的質(zhì)量比為3∶1；水泥漿的水灰比為1∶1（質(zhì)量比）；水泥漿和水玻璃漿液的體積比為1∶1。注漿壓力約為0.3～0.4 MPa，二次注漿在盾尾脫出5～10 環(huán)后及時(shí)進(jìn)行，注漿量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

注漿施工前應(yīng)查看周圍管片情況及土倉(cāng)壓力，檢查盾尾油脂腔的壓力值；如果壓力值偏低，應(yīng)注入適量的盾尾油脂，確保在注漿過(guò)程中盾尾有足夠的壓力，避免盾尾漏漿。注漿過(guò)程中，若盾尾發(fā)生漏漿，應(yīng)停止注漿約10 min 再重新注入。注漿過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)觀察周圍管片的情況以及土倉(cāng)的壓力，發(fā)現(xiàn)異常，立即停止注漿。

2.4.3 出渣量控制

如果盾構(gòu)機(jī)的出渣量過(guò)大，掌子面就可能發(fā)生坍塌，因此應(yīng)合理地控制出渣量。根據(jù)計(jì)算，實(shí)際每環(huán)出渣量為65 m3左右（松散系數(shù)取1.2）。為保證出渣不超量，在關(guān)鍵地段可采用手動(dòng)模式出渣。在每環(huán)掘進(jìn)即將結(jié)束時(shí)，可首先關(guān)閉螺旋機(jī)的閘門，再停止掘進(jìn)，以確保土倉(cāng)內(nèi)保持輕微的超壓，進(jìn)一步減小地面沉降。

3 施工監(jiān)測(cè)

側(cè)穿的高速公路高架橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨度46.5 m，根據(jù)JTGH 11—2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，墩臺(tái)頂面水平位移的允許值為2.6 cm，墩臺(tái)均勻總沉降的允許值為10.6 cm，相鄰墩臺(tái)總沉降差值的允許值為5.3 cm。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)在下穿高速公路橋梁過(guò)程中所引起的橋梁變形控制建議值：墩臺(tái)均勻總沉降的控制值為20 mm，相鄰墩臺(tái)沉降差的控制值為10 mm，墩臺(tái)頂面水平位移的控制值為5 mm。預(yù)警值：F＜0.7 為安全；0.7≤F＜0.85為黃色預(yù)警；0.85≤F＜1為橙色預(yù)警；F＞1為紅色預(yù)警（F 為實(shí)測(cè)值/控制值）。如監(jiān)測(cè)值達(dá)到黃色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)頻率；達(dá)到橙色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，除加強(qiáng)監(jiān)測(cè)外，必須分析原因，采取處置措施；如監(jiān)測(cè)值達(dá)到紅色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，必須停止掘進(jìn)并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)先后安全通過(guò)，地面沉降最大值為10.75 mm，橋梁墩臺(tái)沉降最大值為7.18 mm，見圖3 和表3。

圖3 橋梁墩臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

表3 橋墩沉降mm

4 結(jié)論

根據(jù)該工程的經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿高速公路橋樁時(shí)可采取以下施工措施：

1）側(cè)穿施工前宜設(shè)置不少于50 m的試驗(yàn)段；

2）側(cè)穿施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；

3）加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)的控制，設(shè)定合理的掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)機(jī)均衡勻速通過(guò)；

4）根據(jù)地質(zhì)條件合理地控制出渣量，嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量；

5）當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接近或到達(dá)黃色預(yù)警值時(shí)，可采取地面豎向注漿的方式進(jìn)行補(bǔ)救。