超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)技術(shù)研究

王德平

(蘇州交投規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)管理有限公司 江蘇蘇州 215007)

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和國產(chǎn)大盾構(gòu)的自主研發(fā)，盾構(gòu)法已逐漸成為城市地下工程建設(shè)的主要手段之一。受有限空間的影響，城市盾構(gòu)隧道下穿地面建構(gòu)筑物和河流的工況日益增多，穿越地層的地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜[1-2]。尤其對于盾構(gòu)隧道下穿河流施工，主要存在兩大問題：（1）土體擾動問題。盾構(gòu)開挖卸荷改變了土體的原始應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力平衡，不可避免對周圍土體造成擾動；尤其對于下穿河道淺覆土的大直徑盾構(gòu)隧道施工，土體擾動和變形更難以控制[3-4]。（2）管片上浮問題。大直徑盾構(gòu)在水中淺覆土層中掘進(jìn)時，由于覆土自重較輕和土體處于飽和狀態(tài)，容易造成河底地層隆起，并使盾構(gòu)機(jī)上移，在管片脫離盾尾時會受到漿液的浮力作用，當(dāng)管片與覆土自重小于浮力時，管片會發(fā)生上浮現(xiàn)象，易造成工程安全事故[5-6]。

目前，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對盾構(gòu)下穿河流時的沉降控制和管片抗浮問題進(jìn)行了研究。彭厚偉[7]以長沙市湘江大道瀏陽河市政道路隧道為工程背景，詳細(xì)分析和研究了隧道下穿河流的綜合施工技術(shù)。邵迅等人[8]通過對合肥地鐵1 號線盾構(gòu)隧道下穿南淝河進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)推進(jìn)過程中隧道周邊土體孔隙水壓力的規(guī)律。李自力等人[9]依托常州軌道交通2 號線下穿越京杭運(yùn)河區(qū)段工程，分析了注漿壓力及注漿量對隧道整體結(jié)構(gòu)位移、駁岸擋土墻變形及受力和地表沉降的影響。馮曉九等人[10]以常州地鐵二號線一期工程穿越河流的實(shí)際情況為例，研究了盾構(gòu)法在富水粉砂地層中穿越河流減小沉降的方法。楊建寅[11]通過考慮河道、隧道和地層等影響因素，針對地鐵盾構(gòu)隧道下穿某河道開展三維有限元數(shù)值分析。

傳統(tǒng)淺埋段盾構(gòu)施工覆土厚度一般大于0.7 倍盾構(gòu)隧道直徑，但盾構(gòu)下穿河流時隧道頂?shù)胶拥谆蚝椎木嚯x往往很近，針對施工段覆土深度無法達(dá)到最低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的超淺覆土情況，需采取反壓防護(hù)等輔助措施來完成超淺埋段大直徑盾構(gòu)開挖施工。結(jié)合蘇州桐涇路北延工程，該文對超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)技術(shù)開展系統(tǒng)研究，涵蓋駁岸加固、河底注漿加固、砂袋回填等關(guān)鍵技術(shù)，以期為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概述

蘇州桐涇路作為“七縱”主干路之一，是蘇州市穿越滬寧高速公路、滬寧城際鐵路、滬寧鐵路及北環(huán)快速路進(jìn)而聯(lián)系南北片區(qū)的重要通道。桐涇路北延項(xiàng)目施工隧道總長1 336 m，其中盾構(gòu)段長度490 m，線路最大縱坡3.95%，具有短（短距離連續(xù)穿越多類型高風(fēng)險源）、淺（超淺覆土，最淺處0.49 倍洞徑）、險（風(fēng)險源地段占比62%）、嚴(yán)（作為國內(nèi)首條下穿高鐵的大直徑盾構(gòu)項(xiàng)目，沉降要求控制在2 mm 以內(nèi)）、高（作為蘇州首條大直徑泥水盾構(gòu)，關(guān)注度高，社會影響大）等特點(diǎn)。該工程盾構(gòu)穿越地層主要為粉砂、粉質(zhì)黏土、黏土；隧道上部主要為粉砂、粉土地層，透水性大。

如圖1所示，盾構(gòu)左線K1+353～K1+398.5、盾構(gòu)右線K1+330～K1+378 處下穿山塘河。山塘河垂直寬約38 m、深2～3.7 m，駁岸為漿砌片石，為重點(diǎn)旅游觀光河道，山塘街為歷史文街；盾構(gòu)線路與山塘河斜交，隧道拱頂距河底設(shè)計(jì)為7.5 m屬于超淺覆土穿越，且隧道拱頂?shù)貙又饕獮榉圪|(zhì)黏土、粉土及粉砂地層，透水性大，盾構(gòu)穿越掘進(jìn)時極易造成駁岸沉降、損壞及河底擊穿、冒頂。

圖1 盾構(gòu)隧道線路平面圖

2 反壓防護(hù)技術(shù)原理

針對盾構(gòu)隧道在駁岸與河段掘進(jìn)時覆土厚度突變，切口水壓難以及時隨之改變所導(dǎo)致駁岸沉降、坍塌等風(fēng)險，該工程在河道兩側(cè)坡面設(shè)置纖維袋注漿錨桿，纖維袋注漿錨桿上部依次設(shè)置防滲土工布、混凝土封底、土工格柵、回填土臺階等提高坡面的穩(wěn)定性。根據(jù)圖2 施工工藝原理圖可知，駁岸兩側(cè)施工范圍內(nèi)開挖冠梁槽，并在槽內(nèi)施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區(qū)兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，砂袋回填范圍為順河向?yàn)樗淼纼蓚?cè)結(jié)構(gòu)外邊緣10 m內(nèi)，通過砂袋拋填堆疊形態(tài)與下方掘進(jìn)盾構(gòu)里程方向垂直，促使掘進(jìn)時刀盤面覆土厚度同步改變，同時及時調(diào)整切口壓力，提高穿越安全。

圖2 超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)施工工藝原理圖

針對超淺覆土大直徑盾構(gòu)穿越過程中可能造成的河底擊穿、冒頂?shù)蕊L(fēng)險，綜合采用了河底注漿加固、砂袋回填等技術(shù)。在河道兩側(cè)施工纖維袋注漿錨桿，在河床先進(jìn)行注漿加固形成河底注漿加固區(qū)，河底注漿加固區(qū)上部依次設(shè)置防滲土工布、混凝土封底、土工格柵，在河道坡上根據(jù)砂袋尺寸施工混凝土臺階，通過砂袋上的砂袋追蹤器調(diào)整砂袋拋填位置，砂袋與駁岸空隙較小時在空隙內(nèi)填入塊石，空隙較大時填入自適應(yīng)砂袋，砂袋兩側(cè)設(shè)置支撐斜桿，并在頂部設(shè)置可調(diào)式沙箱，提高隧道盾構(gòu)施工時上部防護(hù)體系抗浮承載力及穩(wěn)定性。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)施工工藝流程具體見圖3。

圖3 超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)施工工藝流程圖

3.1 雙壁鋼管樁施工

在盾構(gòu)穿越超淺覆土河床時，首先設(shè)置圍堰，圍堰大小根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間線間距有直接關(guān)系，設(shè)置圍堰區(qū)域?yàn)閰^(qū)間隧道邊緣向外延伸不低于1倍的隧道底部埋深的距離，圍堰沿河流橫斷面布置，兩圍堰寬度為區(qū)間隧道邊緣需要分別向外延伸，約3.5～4倍的寬度，放坡1∶1截流。采用雙壁鋼管樁作為圍堰，抽水形成施工面。

3.2 冠梁開挖

駁岸兩側(cè)施工范圍內(nèi)開挖冠梁槽，并在槽內(nèi)施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區(qū)兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，同時在駁岸外側(cè)設(shè)置植筋，植筋彎折形成環(huán)箍，箍于冠梁主筋外側(cè)，冠梁主筋上焊接護(hù)欄預(yù)埋段，并在護(hù)欄預(yù)埋段上安裝護(hù)欄套筒，并對護(hù)欄套筒做好防護(hù)，隨后澆筑混凝土，混凝土終凝后在護(hù)欄套筒上安裝后接護(hù)欄，并同時安裝后接護(hù)欄間的系桿，施工時先固定土工格柵后設(shè)置植筋及綁扎鋼筋。

3.3 河道防護(hù)

根據(jù)圖4河道防護(hù)示意圖可知，整平河底輪廓線，在河道兩側(cè)施工纖維袋注漿錨桿，在河床先進(jìn)行注漿加固形成河底注漿加固區(qū)，河底注漿加固區(qū)施工時在相應(yīng)位置安裝圍欄預(yù)埋段，并在圍欄預(yù)埋段上安裝螺紋套筒，并做好螺紋套筒防護(hù)，隨后在河床上鋪一層防滲土工布，并在防滲土工布上及河道兩側(cè)澆筑混凝土封底，混凝土初凝前在混凝土封底上鋪設(shè)土工格柵，土工格柵兩端跨過駁岸埋入冠梁開挖槽內(nèi)。

圖4 河道防護(hù)示意圖

3.4 填拋砂袋

通過圖5 和圖6 的砂袋拋填平面與剖面示意圖可知，制作砂袋，并在砂袋上安裝砂袋追蹤器，在靠近駁岸位置根據(jù)實(shí)際施工需要制作自適應(yīng)砂袋；在河道坡上根據(jù)砂袋尺寸施工混凝土臺階，并在混凝土臺階上放置首層砂袋。拆除雙壁鋼管樁圍堰，在圍欄后接段頂部安裝警示燈，隨后進(jìn)行砂袋拋填，通過砂袋上的砂袋追蹤器調(diào)整砂袋拋填位置，砂袋與駁岸空隙較小時在空隙內(nèi)填入塊石，空隙較大時填入自適應(yīng)砂袋。

圖5 砂袋拋填平面圖

圖6 砂袋拋填剖面圖

3.5 砂袋支撐

拆除螺紋套筒上的防護(hù)裝置，在螺紋套筒上安裝圍欄后接段，圍欄后接段上的支撐斜桿通過連接鉸旋轉(zhuǎn)至砂袋形成的斜坡上壓緊固定，隨后在圍欄后接段及支撐斜桿間設(shè)置支撐橫桿，支撐橫桿上安裝支撐系桿。

3.6 沙箱就位

可調(diào)式沙箱通過沙箱底板底部的沙箱扣槽置于支撐橫桿上，并調(diào)節(jié)沙箱伸縮段長度，隨后灌入砂石，隨即恢復(fù)航道。

3.7 隧道注漿

盾構(gòu)開挖后在拱頂半圓范圍內(nèi)注漿，形成隧道注漿加固區(qū)。掘進(jìn)過程中通過同步注漿及時充填空隙，保證管片不發(fā)生錯臺和上浮現(xiàn)象，減少施工過程中的土體沉降。

4 施工效果分析

圖7 為施工結(jié)束后的河道反壓防護(hù)現(xiàn)場。經(jīng)觀測，在盾構(gòu)下穿河流期間，河道駁岸與河道的變形均在控制范圍內(nèi)，反壓防護(hù)效果較好。進(jìn)一步分析，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

4.1 河流駁岸加固質(zhì)量高

河道兩側(cè)坡面設(shè)置纖維袋注漿錨桿，駁岸外側(cè)開挖冠梁槽后施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區(qū)兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，同時在駁岸外側(cè)設(shè)置植筋，植筋彎折環(huán)箍于冠梁主筋外側(cè)，避免盾構(gòu)施工引發(fā)的駁岸沉降、坍塌風(fēng)險。

4.2 景觀保護(hù)與生態(tài)效益好

順河向隧道兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣10 m 范圍內(nèi)臺階狀回填砂袋增加覆土厚度，在河道中部預(yù)留槽道，供游船臨時通行使用，保持水流通暢，保持駁岸的傳統(tǒng)砌筑形式和河道的天然狀況。

圖7 反壓防護(hù)效果圖

4.3 施工效率高，回填質(zhì)量好

通過砂袋上的砂袋追蹤器調(diào)整砂袋拋填位置，砂袋兩側(cè)設(shè)置支撐斜桿，并在頂部設(shè)置可調(diào)式沙箱，提高砂袋回填的穩(wěn)定性，降低砂袋回填的難度。

5 結(jié)語

結(jié)合蘇州桐涇路北延工程，該文提出了駁岸加固、河底注漿加固、砂袋回填等反壓防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，適用于覆土深度無法達(dá)到最低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的超淺覆土大直徑盾構(gòu)下穿河流反壓防護(hù)施工。施工效果表明，該技術(shù)具有施工效率高、加固質(zhì)量好、景觀保護(hù)與生態(tài)效益好等特點(diǎn)，能夠有效在盾構(gòu)穿越期間對河道形成保護(hù)。