地鐵盾構(gòu)側(cè)穿橋樁基施工技術(shù)

鮑明星

（中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

在城市建設(shè)中，地鐵建設(shè)是一項(xiàng)重要的任務(wù)，它對(duì)改善城市交通狀況、提高居民生活質(zhì)量具有舉足輕重的作用。地鐵建設(shè)面臨各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和工程問(wèn)題，其中盾構(gòu)側(cè)穿橋樁基施工是一項(xiàng)不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，在施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，增加了周圍環(huán)境的不穩(wěn)定因素。每個(gè)建（構(gòu)）筑物有其安全標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)，如何確保盾構(gòu)機(jī)在穿越工作時(shí)的安全性，是地鐵隧道施工中必須處理好的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。汪海波等［1］依托成都軌道交通13 號(hào)線某站盾構(gòu)區(qū)間工程的研究，提出“注漿+隔離樁”雙措施加固方法，協(xié)同改善地表不利沉降與隧道間中夾巖隆起的現(xiàn)象。范東方［2］以鄭州地鐵某區(qū)間近距離側(cè)穿高鐵橋樁基為研究對(duì)象，提出采取“隔離樁+蓋板”技術(shù)措施減少盾構(gòu)隧道施工對(duì)高鐵橋梁的不利影響。趙林［3］對(duì)城市地鐵盾構(gòu)隧道側(cè)穿高架橋的樁基施工技術(shù)和安全問(wèn)題進(jìn)行研究，提出預(yù)加固、盾構(gòu)參數(shù)控制等措施。本文以武漢地鐵16 號(hào)線檀軍路站—硃山路站區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿京港澳高速公路橋樁基為案例，進(jìn)行模擬推進(jìn)試驗(yàn)，提出相應(yīng)的技術(shù)措施，確保盾構(gòu)側(cè)穿施工安全。

1 工程概況

武漢地鐵16號(hào)線檀軍路站—硃山路站區(qū)間工程在離檀軍路站約244 m處遇到京港澳高速公路橋樁側(cè)穿的難題。側(cè)穿京港澳高速公路橋樁里程為左DK19+191.306～左DK19+237.325、右DK19+189.380～右DK19+234.987。該區(qū)間左、右線的盾構(gòu)管片襯砌距離橋樁的最小凈距分別為1.92 m和3.82 m，穿越長(zhǎng)度約46 m。

如圖1所示，京港澳高速公路橋是一座簡(jiǎn)支梁橋，共有4排樁基礎(chǔ)，中間2排樁直徑為1.5 m，兩邊的2排樁直徑為1.2 m，樁長(zhǎng)為27.6 m，樁尖深入中風(fēng)化泥巖6.6 m。穿越范圍內(nèi)沒(méi)有其他管線敷設(shè)，隧道拱頂埋深為11.9 m，拱頂主要為粉質(zhì)黏土，少量為粉質(zhì)黏土夾碎石，洞身主要為粉質(zhì)黏土夾碎石、殘積土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖。

圖1 盾構(gòu)側(cè)穿京港澳高速公路橋剖面示意圖 （單位：m）

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 三維計(jì)算分析

采用“邁達(dá)斯”GTS NX 有限元分析軟件對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿京港澳高速公路橋樁進(jìn)行三維模擬分析。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出：區(qū)間左、右線隧道通過(guò)后，引起的橋樁最大附加沉降為0.76 mm，水平位移為1.2 mm；盾構(gòu)上方土體最大沉降為4.76 mm（發(fā)生在拱頂上方）；橋樁差異沉降約為0.45 mm；計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求（橋梁沉降不大于15 mm，承臺(tái)頂水平位移不大于6 mm，路基沉降不大于30 mm）。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，盾構(gòu)區(qū)間施工會(huì)對(duì)京港澳高速公路橋及橋樁產(chǎn)生影響，但風(fēng)險(xiǎn)在可以接受的范圍內(nèi)，可通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)措施減小影響。

2.2 模擬推進(jìn)試驗(yàn)

為保證盾構(gòu)側(cè)穿京港澳高速公路橋的安全，本工程在盾構(gòu)試掘進(jìn)100 m 后，進(jìn)行50 m 的模擬推進(jìn)試驗(yàn)，檢驗(yàn)盾構(gòu)推進(jìn)的各項(xiàng)技術(shù)保護(hù)措施和施工參數(shù)優(yōu)化方案的有效性，以及同步注漿和二次注漿的加固效果，為正式側(cè)穿提供技術(shù)指導(dǎo)；主要檢測(cè)內(nèi)容包括推進(jìn)前、推進(jìn)中、推進(jìn)后及注漿加固后等各個(gè)階段的地面沉降量、橋樁傾斜量、盾構(gòu)機(jī)上方不同深度土層的垂直位移量等，確定最佳的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)。在側(cè)穿通過(guò)京港澳高速公路橋后，利用注漿孔打設(shè)注漿管進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿加固。

3 盾構(gòu)穿越施工措施

3.1 盾構(gòu)穿越前措施

在盾構(gòu)穿越前，為確保施工的安全性和準(zhǔn)確性，采取以下措施。

（1）對(duì)京港澳高速沿線的導(dǎo)線、水準(zhǔn)、中線、斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，確認(rèn)橋樁與盾構(gòu)隧道軸線的位置關(guān)系，采集橋樁的初始數(shù)據(jù)。

（2）核實(shí)京港澳高速橋的實(shí)際位置和結(jié)構(gòu)形式是否與設(shè)計(jì)圖一致，收集橋樁自通車以來(lái)的歷史變形數(shù)據(jù)。

（3）全面檢查盾構(gòu)機(jī)、電瓶車、龍門吊、拌和站等關(guān)鍵設(shè)備，確保設(shè)備正常運(yùn)行。加強(qiáng)軌道檢查、養(yǎng)護(hù)和加固工作，保證盾構(gòu)能連續(xù)、平穩(wěn)地掘進(jìn)。

（4）制訂詳細(xì)的測(cè)量監(jiān)測(cè)方案，按照方案要求布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完成初始值的采集；為保證掘進(jìn)過(guò)程順利進(jìn)行，增加監(jiān)測(cè)頻率，實(shí)行信息化管理，以便及時(shí)指導(dǎo)施工［1］。

3.2 掘進(jìn)參數(shù)的選擇

根據(jù)前期地層掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本標(biāo)段的地質(zhì)及隧道埋深，以及前50 m的模擬推進(jìn)試驗(yàn)，設(shè)定盾構(gòu)下穿京港澳高速橋的掘進(jìn)參數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 盾構(gòu)下穿京港澳高速橋掘進(jìn)參數(shù)表

3.2.1 掘進(jìn)速度

在盾構(gòu)施工中，推進(jìn)速度過(guò)快或過(guò)慢都可能對(duì)土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，因此需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的整體性能進(jìn)行調(diào)整，滿足掘進(jìn)土壓力和同步注漿速度的要求，同時(shí)盡量提高掘進(jìn)效率，降低對(duì)橋樁基的影響。由于在試掘進(jìn)過(guò)程中積累了地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，因此可以確定側(cè)穿京港澳高速橋橋基時(shí)的最佳推進(jìn)速度為30～50 mm/min，同時(shí)須保持推進(jìn)速度的勻速性。通過(guò)這些措施，確保盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響最小，保證施工質(zhì)量和安全。

3.2.2 出渣量控制

盾構(gòu)隧道的每環(huán)理論出渣量（實(shí)方）為V=3.14×（6.982/2）2×1.5=57.37 m3。根據(jù)類似地層其他標(biāo)段施工經(jīng)驗(yàn)，渣土的松散系數(shù)初步定為1.33，實(shí)際出渣量為57.37×1.33=76.87 m3。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的出渣量應(yīng)控制在98%，即出渣量目標(biāo)為75.33 m3/環(huán)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際出渣量和地表隆起沉降情況，及時(shí)調(diào)整土倉(cāng)壓力。具體方法如下：如果出渣量小于目標(biāo)值，說(shuō)明土倉(cāng)壓力過(guò)大，可能導(dǎo)致地表隆起，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档屯羵}(cāng)壓力，一般調(diào)整量為0.2 bar；如果出渣量大于目標(biāo)值，說(shuō)明土倉(cāng)壓力過(guò)小，可能導(dǎo)致地表沉降，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾油羵}(cāng)壓力，直到地表沉降控制在允許范圍內(nèi)。

3.2.3 渣土改良

為保證刀盤(pán)在合理的工作范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，減輕刀盤(pán)的磨損程度，在掘進(jìn)前對(duì)掌子面的土體進(jìn)行改良。通過(guò)向刀盤(pán)前方的土體注入泡沫劑，可減小刀盤(pán)的扭矩和油壓，同時(shí)提高渣土的流動(dòng)性和易排性。采用“泡沫+水”的方式改良渣土，其中泡沫的配比是泡沫添加劑占3%、水占97%，泡沫由90%～95%的壓縮空氣和5%～10%的泡沫溶液混合而成。每環(huán)渣土注入的泡沫原液量為50～80 L。在施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際的土層情況和出土效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3 同步注漿

為控制地層和橋樁基的變形，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后應(yīng)及時(shí)充填管片和地層之間的環(huán)形空隙。充填方法主要是同步注漿，為保證同步注漿的效果，采用水泥砂漿作為注漿材料，這種材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)石率高、結(jié)石體強(qiáng)度大、耐久性好，能防止地下水的侵蝕。在地下水具有腐蝕性的區(qū)域，使用抗硫酸鹽水泥提高注漿結(jié)石體的耐腐蝕性，管片被耐腐蝕的注漿結(jié)石體包裹，可極大地減弱地下水對(duì)管片的腐蝕［2］。

同步注漿漿液的主要物理性能應(yīng)滿足以下指標(biāo)：膠凝時(shí)間為3～8 h，固結(jié)體強(qiáng)度為1 d 不小于0.2 MPa（相當(dāng)于軟質(zhì)巖層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度），28 d 不小于25 MPa（略大于強(qiáng)風(fēng)化巖天然抗壓強(qiáng)度）；漿液結(jié)石率大于95%（即固結(jié)收縮率小于5%）；漿液稠度為8～12 cm/m。漿液穩(wěn)定性為傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

為保證盾構(gòu)穿越京港澳高速橋的施工安全和施工質(zhì)量，同步注漿需要及時(shí)、均勻、足量地充填盾尾空隙，將地面變形和管片偏移控制在最小范圍內(nèi)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)和研究資料及本工程的特點(diǎn)，將穿越段的同步注漿量控制在理論盾尾空隙的130%～180%。本區(qū)間的盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)一環(huán)的盾尾空隙為q=3.14×（3.5×3.5-3.35×3.35）×1.5=4.84 m3，因此本區(qū)間的隧道每環(huán)的注漿量為6.29～8.71 m3。根據(jù)地質(zhì)情況及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)情況設(shè)置同步注漿配合比（見(jiàn)表2）。

表2 同步注漿配合比

3.4 盾構(gòu)控制與姿態(tài)調(diào)整

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，為減少地面沉降，在穿越橋樁過(guò)程中，必須禁止大量糾正偏差。應(yīng)適度控制左右區(qū)域的千斤頂力差及相鄰2個(gè)區(qū)域的千斤頂力差，避免盾構(gòu)蛇形推進(jìn)情況的發(fā)生，最大限度地減少對(duì)土體的擾動(dòng)。同時(shí)，盾構(gòu)的姿態(tài)控制應(yīng)保持在±50 mm以內(nèi)，堅(jiān)持按照“勤調(diào)、量小”的原則，每環(huán)姿態(tài)變化不宜過(guò)大，調(diào)整量控制在5 mm 以內(nèi)。這些措施能保持盾構(gòu)推進(jìn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，減少推進(jìn)工作對(duì)周圍土體的影響，達(dá)到減輕地面沉降程度的目的。

3.5 盾構(gòu)穿越后施工措施

3.5.1 二次注漿

在掘進(jìn)過(guò)程中，需要精確統(tǒng)計(jì)出土量并加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)。根據(jù)超方情況及地面沉降情況，及時(shí)進(jìn)行二次注漿。二次注漿在拼裝管片后的7～10 環(huán)進(jìn)行。注漿材料一般采用水泥漿液，比例為水∶水泥=1∶1。在保證管片不發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、破損的情況下，盡量注入漿液，注漿壓力為0.2～0.4 MPa。特殊情況下，采用水泥—水玻璃雙液漿，水灰比為0.8∶1～1∶1，水波璃濃度為25～30°Be，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1～2∶1，初凝時(shí)間為20 s內(nèi)。注漿終壓為0.5～2.0 MPa。

3.5.2 洞內(nèi)深孔注漿加固

盾構(gòu)穿越京港澳高速公路橋后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求利用注漿孔打設(shè)注漿管進(jìn)行洞內(nèi)深孔注漿加固，注漿環(huán)向范圍為管片外3 m 的范圍，加固范圍為管片側(cè)部120°的范圍（左線兩側(cè)，右線靠橋樁側(cè)），注漿加固區(qū)范圍為左DK19+150.000～左DK19+270.000、右DK19+150.000～右DK19+270.000。注漿管采用?42 mm×4 m 的鋼花管，水灰比為1∶1，注漿終壓為0.5～2.0 MPa，隧道正對(duì)橋樁處的注漿管末端到橋樁最小距離不小于500 mm；逐步提高注漿壓力，達(dá)到注漿終壓時(shí)繼續(xù)注漿10 min 以上，靠近地面附近的注漿壓力應(yīng)≤0.2 MPa，以防止地面隆起［3］。

4 監(jiān)控測(cè)量

4.1 檢測(cè)項(xiàng)目控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及大量實(shí)際工程施工經(jīng)驗(yàn)，為了便于施工和確保環(huán)境的安全，本工程制定如下變形控制標(biāo)準(zhǔn)：①地表沉降累計(jì)值不得超過(guò)30 mm，變化速率＜3 mm/d；②地表隆起累計(jì)值不得超過(guò)10 mm，變化速率＜3 mm/d；③橋梁樁基沉降和傾斜的累計(jì)沉降控制值為15 mm，變化速率控制值為2 mm/d，差異沉降控制值為0.002b（b為相鄰基礎(chǔ)的中心距離）；④承臺(tái)頂水平位移累計(jì)沉降控制值為6 mm，變化速率控制值為2 mm/d。

4.2 地表檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為深入了解盾構(gòu)隧道施工對(duì)圍巖的影響，判斷圍巖的穩(wěn)定性，確保盾構(gòu)推進(jìn)工作順利穿越京港澳高速公路，需要在隧道軸線上方布置地表沉降監(jiān)測(cè)。在下穿建筑物段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為10 m；在地表橫向監(jiān)測(cè)斷面，間距為50 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可全面地監(jiān)測(cè)地表沉降情況。

4.3 橋樁檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在距離線路中線30 m 以內(nèi)，所有京港澳高速路橋樁都埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在埋設(shè)過(guò)程中，需要避開(kāi)有障礙物的區(qū)域，確保設(shè)標(biāo)與觀測(cè)的準(zhǔn)確性。沉降測(cè)點(diǎn)標(biāo)志采用“L”形標(biāo)志形式，即在柱子上鉆孔，將預(yù)埋件（?=16mm）放入孔中，用水泥砂漿或錨固劑填實(shí)孔與測(cè)點(diǎn)周圍的空隙。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)不具備鉆孔埋設(shè)測(cè)點(diǎn)的條件時(shí)，可使用粘貼式條碼尺進(jìn)行測(cè)量。

4.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

（1）檀軍路站—硃山路站區(qū)間左線在側(cè)穿京港澳高速路前自2020 年9 月7 日起開(kāi)始對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，穿越完成后監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，地表沉降值在7.9～-15.3 mm。

（1）檀軍路站—硃山路站區(qū)間右線在側(cè)穿京港澳高速路前自2020 年8 月17 日起開(kāi)始監(jiān)測(cè)，穿越完成后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，地表沉降值累計(jì)變化范圍為0.6～-15.8 mm。

（3）檀軍路站—硃山路站區(qū)間京港澳高速路橋樁自2020年8月29日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，直至2021年1月16日項(xiàng)目施工完成后測(cè)量檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，京港澳高速橋樁的沉降值為2.5～-0.3 mm，傾斜率為0.7‰～-0.7‰。

綜上所述，地表沉降符合累計(jì)值不得超過(guò)30 mm、變化速率＜3 mm/d 的規(guī)定；橋樁沉降符合累計(jì)沉降控制值為15 mm、變化速率控制值為2 mm/d、差異沉降控制值為0.002b的規(guī)定。因此，可以確認(rèn)該區(qū)域的沉降和橋樁穩(wěn)定性均符合相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)語(yǔ)

在地鐵隧道施工中，盾構(gòu)側(cè)穿橋樁基的情況較復(fù)雜，需要采取科學(xué)、合理的技術(shù)方案和措施保障施工安全。本文以武漢地鐵16 號(hào)線檀軍路站—硃山路站區(qū)間盾構(gòu)側(cè)穿京港澳高速公路橋樁基為案例，介紹盾構(gòu)側(cè)穿橋樁基施工技術(shù)的原理、方法和措施，并對(duì)穿越過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)。采用本文提出的技術(shù)方案，能夠有效地保證盾構(gòu)側(cè)穿橋樁基施工的安全和質(zhì)量，將地層擾動(dòng)和沉降變化控制在合理范圍內(nèi)，避免對(duì)京港澳高速公路橋造成不利影響。研究結(jié)果可為類似工程提供參考和借鑒。