管幕- 橋式盾構(gòu)法下穿既有高速公路設(shè)計(jì)研究

劉光明，鄔龍剛，陳 偉，李 杰

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

相對(duì)于頂管法、盾構(gòu)法和暗挖法，在大斷面隧道下穿既有路基工程中，橋式盾構(gòu)法具有一定優(yōu)勢(shì)。目前，國內(nèi)一些工程實(shí)踐證明了橋式盾構(gòu)法在控制路基變形方面的經(jīng)濟(jì)性、有效性，但是對(duì)橋式盾構(gòu)法下穿既有工程的關(guān)鍵變形因素研究分析較少。本文總結(jié)分析了橋式盾構(gòu)法下穿路基的關(guān)鍵因素及變形機(jī)制，并依托具體工程進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，提出了多種應(yīng)對(duì)路基和既有結(jié)構(gòu)變形的設(shè)計(jì)，可供類似工程參考。

1 橋式盾構(gòu)法簡介

橋式盾構(gòu)法是在頂進(jìn)隧道和前端橋式盾構(gòu)保護(hù)下開挖、頂進(jìn)作業(yè)的一種非開挖施工方法，通過保持掌子面土體的穩(wěn)定，減小對(duì)上覆路基和交通的影響。橋式盾構(gòu)橫截面成簡支梁橋形，主要由墩柱、主梁、盾殼、子盾構(gòu)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、輔助機(jī)構(gòu)六大部分組成；盾構(gòu)外輪廓與頂進(jìn)隧道基本相同，裝配在隧道前端，與掌子面土坡體作為頂進(jìn)施工與上覆路基的支護(hù)體系，同時(shí)也擔(dān)負(fù)頂推導(dǎo)向的作用[1-3]（如圖1、圖2）。

圖2 橋式盾構(gòu)剖面圖

2 橋式盾構(gòu)法下穿路基關(guān)鍵因素總結(jié)分析

橋式盾構(gòu)法施工時(shí)引起的高速路基變形主要為豎向變形和水平變位。根據(jù)相關(guān)工程案例，對(duì)橋式盾構(gòu)下穿路基變形因素深入總結(jié)、分析，指導(dǎo)橋式盾構(gòu)法設(shè)計(jì)。

2.1 盾構(gòu)體剛度

鋼盾構(gòu)承擔(dān)上覆路基和車輛荷載，兩側(cè)受土體側(cè)壓力，前方墩柱受土反力，同時(shí)頂進(jìn)時(shí)還要承受較大的擠壓力，盾構(gòu)體實(shí)際受力復(fù)雜。鋼盾構(gòu)體系整體和局部剛度不足會(huì)引起上覆路基變形[3]。

2.2 地基承載力

盾構(gòu)對(duì)地基承載力要求較高。一般情況下地基承載力不小于180 kPa 時(shí)，盾構(gòu)沉降變形不明顯，地基可不做處理[2，4]；當(dāng)?shù)鼗休d力小于180 kPa 時(shí)，由于地基承載力較小，盾構(gòu)頂進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生“栽頭”和“抬頭”現(xiàn)象[5]；當(dāng)盾構(gòu)在軟弱土層上頂進(jìn)時(shí)，在上覆荷載作用和循環(huán)頂進(jìn)的擾動(dòng)下，盾構(gòu)易發(fā)生沉降變形。

2.3 掌子面卸荷

掌子面土坡體是以一定坡率維持穩(wěn)定的，若掌子面失穩(wěn)則會(huì)導(dǎo)致路基坍塌。一般情況土坡體坡率為1∶0.75，實(shí)際土坡體長度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定；掌子面開挖對(duì)前方土體存在顯著卸荷作用，土坡體會(huì)出現(xiàn)向盾構(gòu)內(nèi)擠出變形的情況[6]。掌子面卸荷及土坡體長度不足將導(dǎo)致上方路基發(fā)生較大沉降。

2.4 頂進(jìn)阻力

隧道和盾構(gòu)體需克服其周圍土體較大的摩擦力才能向前推進(jìn)。一般情況下，頂進(jìn)隧道對(duì)路基土的摩擦力大于路基土水平抗力，如果不采取減阻等措施，隧道頂進(jìn)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)背土現(xiàn)象。頂推隧道出洞時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)洞口周圍土體的摩阻力容易引發(fā)局部的滑塌，危及路基和路面安全。

2.5 施工控制

由于復(fù)雜因素的影響，隧道頂推過程中必定會(huì)發(fā)生水平和豎向偏差。因此頂推過程必須同步糾偏，有效控制隧道和盾構(gòu)體頂進(jìn)姿態(tài)。若糾偏控制不及時(shí)，較大的偏差將增加糾偏工作的難度，并導(dǎo)致較多的超挖量，引起路基變形增加。

3 工程背景

3.1 工程概況

某城市道路采用隧道下穿既有高速公路，下穿段隧道長93.93 m，寬38.93 m，高8.6 m，隧道軸線與高速公路交角為65°。隧道上覆高速公路路基厚約5.5 m，隧道正上方路基內(nèi)有一現(xiàn)狀人行通道涵，斷面尺寸為4×2.5 m，長約45 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，人行通道涵與下穿隧道凈距約1.2 m。高速公路交通繁忙，交通不得中斷，且高速公路兩側(cè)用地受限，無明挖隧道施工條件（見圖3）。

圖3 下穿隧道平面圖

3.2 地質(zhì)條件

下穿段隧道主要位于砂質(zhì)黏土層中，地基承載力170 kPa。隧道基底位于地下水位以下約5 m（見圖4）。

圖4 地層和隧道分布圖

3.3 方案選擇

由于下穿隧道斷面大，國內(nèi)尚無相應(yīng)尺寸的矩形頂管設(shè)備，本工程主要比選橋式盾構(gòu)法和淺埋暗挖法。與淺埋暗挖法相比，橋式盾構(gòu)法對(duì)既有路基和人行通道涵擾動(dòng)小，施工步序簡單，工期短，造價(jià)低，且預(yù)制隧道結(jié)構(gòu)接縫少、質(zhì)量更可靠，結(jié)構(gòu)防水效果好，因此本工程采用橋式盾構(gòu)法。

4 橋式盾構(gòu)法下穿路基分析與設(shè)計(jì)

下穿隧道具有上覆荷載大、人行通道涵與隧道凈距小、隧道周邊土層差、地下水位高等特點(diǎn)。高速路基和人行通道涵易受地下水和頂進(jìn)施工擾動(dòng)的影響。結(jié)合上述路基變形關(guān)鍵因素分析，針對(duì)性的進(jìn)行橋式盾構(gòu)法變形控制設(shè)計(jì)。

4.1 超前管幕

參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[7-9]，采用φ970 mm 超前管幕輔助措施，超前管幕支護(hù)沿隧道輪廓線布置，管幕內(nèi)灌注C30 混凝土。φ970 mm 鋼管壁厚16 mm，兩側(cè)設(shè)角鋼鎖口，相鄰鋼管的鎖口互相搭接，鎖口內(nèi)注漿，形成水平向止水帷幕（見圖5、圖6）。上層和兩側(cè)管幕可承擔(dān)車輛、路基和人行通道涵等的荷載，減小掌子面開挖卸荷對(duì)上覆路基的影響。下層管幕可作為頂進(jìn)隧道滑軌，避免地基承載力不足引起的“栽頭”和“抬頭”，防止盾構(gòu)下方應(yīng)力集中引發(fā)沉降等問題。管幕兩端嵌入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架，既可以提高管幕整體抵抗變形能力，又可以將鋼筋混凝土框架反壓住洞口土體，避免頂進(jìn)隧道出洞口土體坍塌。

圖5 超前管幕布置圖

圖6 超前管幕大樣圖（單位：mm）

4.2 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)

為應(yīng)對(duì)較大的上覆荷載，本工程采取以下措施提高盾構(gòu)剛度，減小剛度不足引起的變形：一是減小墩柱間距為4.5 m；二是主梁采用1.5 m 高貝雷架；三是增大邊立柱型鋼截面尺寸，采用I45 工字鋼，提高邊柱抵抗土體側(cè)壓力能力；四是盾構(gòu)底板增設(shè)型鋼地梁，將各墩柱連接成整體，形成閉口的結(jié)構(gòu)體系（如圖1、圖2）。

考慮隧道周圍土層較差，通過計(jì)算[3]，為確保掌子面穩(wěn)定，延長鋼盾構(gòu)長度9.46 m，掌子面土坡體坡率為1∶1。

4.3 掌子面超前加固

橋式盾構(gòu)法掌子面土體強(qiáng)度越高，物理力學(xué)參數(shù)越大，上方路基沉降越小[10-11]?？紤]隧道周圍的粉質(zhì)黏土較差，為提高掌子面土體強(qiáng)度和力學(xué)參數(shù)，減小掌子面卸荷引起的路基和人行通道涵的變形，掌子面采用超前注漿加固設(shè)計(jì)。在工作坑中先注漿再頂進(jìn)，注漿管為φ76 mm，t=8 mm 的PVC 管，間距0.8 m，梅花形布置，采用42.5 級(jí)硅酸鹽水泥，水灰比1∶0.6～1∶1.1，注漿壓力一般不大于1.5 MPa。

4.4 頂進(jìn)減阻

為減少頂進(jìn)阻力，在隧道頂部設(shè)置5 mm 厚鋼板、在子盾構(gòu)體的頂部拖掛5 mm 厚鋼托板，兩層鋼板間涂抹黃油減阻；上層托板和管幕在頂進(jìn)隧道和路基之間起隔離作用，頂進(jìn)時(shí)監(jiān)測上部路基變位，必要時(shí)可反拉頂部托板，防止路基水平變位（見圖7）。

圖7 托板布置圖

隧道邊墻和底板噴射或涂抹黃油減阻。隧道頂進(jìn)過程中如果發(fā)生較大的阻力，可通過隧道四周設(shè)置的泥漿孔壓入觸變泥漿減阻。

4.5 盾構(gòu)施工順序

考慮下穿隧道較寬，高速路基及人行通道涵對(duì)變形要求嚴(yán)格，本工程將頂進(jìn)隧道分成左右兩幅施工（見圖4）。施工時(shí)先頂右幅隧道，就位后再頂左幅，采用“小步距、快頂進(jìn)”的頂進(jìn)方式，減小每次開挖卸載土方量和卸載時(shí)間，減小對(duì)路基變形的影響。頂進(jìn)的主要工序：一是先頂推子盾構(gòu)嵌入土體30～50 cm，預(yù)先支護(hù)盾構(gòu)上方土體；二是開挖子盾構(gòu)前方的土體30～50 cm；三是開挖墩柱前方的土體30～50 cm；四是開挖墩柱間土坡體30～50 cm；五是頂進(jìn)隧道和盾構(gòu)體前行30～50 cm（見圖8）。土方開挖過程中鋼盾構(gòu)應(yīng)始終吃土，掌子面土體嚴(yán)禁超挖。

圖8 頂進(jìn)施工工序圖

4.6 施工姿態(tài)控制

頂進(jìn)隧道施工采用激光軸線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。頂進(jìn)隧道前端設(shè)置激光投映靶，后背墻設(shè)置激光發(fā)射裝置，激光射線平行于隧道軸線，正常頂進(jìn)時(shí)激光射線正中靶心；如果隧道頂進(jìn)過程中軸線偏移,可直接刻度，讀取射線在投映靶上偏移量[7]。頂進(jìn)過程可根據(jù)偏移量實(shí)時(shí)進(jìn)行糾偏。通過對(duì)子盾構(gòu)、墩柱底板下及兩側(cè)土體進(jìn)行超挖或欠挖土實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)糾偏，利用隧道非均衡油壓頂進(jìn)行左右方向的糾偏[1]。

5 結(jié)語

橋式盾構(gòu)法下穿高速路基的關(guān)鍵是有效的保護(hù)施工作業(yè)安全并有效的控制路基變形。通過總結(jié)類似工程案例，總結(jié)得出盾構(gòu)法下穿路基的關(guān)鍵影響因素，主要為盾構(gòu)體剛度、地基承載力、掌子面卸荷、頂進(jìn)阻力和施工控制等，分析了各關(guān)鍵因素的變形機(jī)制。

依托下穿高速路基和既有人行通道涵工程，結(jié)合上述路基變形關(guān)鍵因素，提出了超前管幕、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)、掌子面超前加固、頂進(jìn)減阻、盾構(gòu)施工順序和施工姿態(tài)控制等變形控制設(shè)計(jì)，可供類似工程參考。