盾構(gòu)法施工在富水砂層條件下穿越城市重要橋梁的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

姚德峰

（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 北京 100101）

盾構(gòu)法施工在富水砂層條件下穿越城市重要橋梁的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

姚德峰

（北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 北京 100101）

鄭州市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期工程國(guó)基路站～北環(huán)路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在富水砂層條件下下穿北環(huán)立交橋主橋、3號(hào)橋、4號(hào)橋。北環(huán)立交橋主橋評(píng)定為C級(jí)，3號(hào)橋和4號(hào)橋評(píng)定為D級(jí)，下穿存在較大風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)北環(huán)立交橋采用支頂、注漿加固手段，盾構(gòu)施工中采用高分子聚合物、惰性漿液等手段，風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控中采用橋梁、管線(xiàn)、地表沉降等監(jiān)測(cè)手段，結(jié)合每天的現(xiàn)場(chǎng)巡查工作，及時(shí)反饋建設(shè)、施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)等單位，施工單位結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，最終順利完成了下穿施工。

盾構(gòu)，富水砂層；高分子聚合物；惰性漿液；監(jiān)測(cè)

1 概述

鄭州市軌道交通2號(hào)線(xiàn)一期工程國(guó)基路站～北環(huán)路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線(xiàn)路從國(guó)基路站出發(fā)，沿花園路向南下穿北環(huán)立交之后到達(dá)北環(huán)路站。右線(xiàn)長(zhǎng)1458m，左線(xiàn)長(zhǎng)1457m，隧道覆土厚度為8.9～18.4m，地下水位埋深約5.3m，掘進(jìn)地層主要為④3細(xì)砂、④2粉砂。

評(píng)估單位參考《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003），對(duì)北環(huán)立交橋主橋評(píng)定為C級(jí)（合格狀態(tài)，專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)后應(yīng)進(jìn)行保養(yǎng)或小修），3號(hào)橋和4號(hào)橋評(píng)定為D級(jí)（不合格，專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)后應(yīng)進(jìn)行中修或大修）[1]，盾構(gòu)左、右線(xiàn)下穿北環(huán)立交橋存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 國(guó)基路站～北環(huán)路站盾構(gòu)區(qū)間平面示意圖

2 風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源

2.1 工程自身風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地層主要為④3細(xì)砂、④2粉砂，地下水位埋深約5.3m，盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)，對(duì)孔隙水壓力平衡的破壞引起周?chē)紫端畨毫Φ南陆担诟凰皩又袎毫ο陆导八蓜?dòng)的傳遞效應(yīng)更明顯[2]，從而導(dǎo)致地層沉降反應(yīng)速度較快，因此對(duì)沉降的控制有一定難度。

2.2 周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

北環(huán)立交橋主橋、3號(hào)橋、4號(hào)橋（一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程）：

①北環(huán)立交主橋?yàn)榱菏綐颍鐝?8m，墩臺(tái)基礎(chǔ)形式為柱式墩條形基礎(chǔ)，東部墩臺(tái)底部采用d=350混凝土樁進(jìn)行地基處理；西部墩臺(tái)底部采用d=350碎石樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)均為4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交橋主橋基底僅約9.8m。

②3號(hào)橋?yàn)檎w簡(jiǎn)支板橋，單跨12.4m，墩臺(tái)基礎(chǔ)形式為板式橡膠支座，鋼混懸掛臂橋臺(tái)，墩臺(tái)底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴(kuò)底樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交3號(hào)橋基底僅約5.74m。

③4號(hào)橋?yàn)檎w簡(jiǎn)支板橋，單跨12.4m，墩臺(tái)基礎(chǔ)形式為板式橡膠支座，鋼混懸掛臂橋臺(tái)，墩臺(tái)底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴(kuò)底樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交4號(hào)橋基底約10.37m。

北環(huán)立交橋于1993年投入使用，設(shè)計(jì)使用年限為15年，至2015年已超出使用年限7年。評(píng)估單位參考《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）對(duì)北環(huán)立交橋主橋評(píng)定為C級(jí)（合格狀態(tài)，應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)后保養(yǎng)、小修），3號(hào)橋和4號(hào)橋評(píng)定為D級(jí)（不合格，應(yīng)檢測(cè)后進(jìn)行中修或大修工程）。

表1 Ⅱ-V類(lèi)城市橋梁完好狀態(tài)分級(jí)表

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 盾構(gòu)自身措施

（1）渣土改良：采用高分子聚合物（刀盤(pán)前方注入后使掌子面地層更穩(wěn)定）[3]、鈉基膨潤(rùn)土（325目）、康達(dá)特泡沫等材料進(jìn)行渣土改良，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，每環(huán)注入量達(dá)到10方時(shí)渣土改良效果較好，刀盤(pán)扭矩不到3500kN·m。

（2）土倉(cāng)壓力及出土量：土倉(cāng)壓力應(yīng)能與地層土壓力和靜水壓力平衡，設(shè)刀盤(pán)中心地層靜水壓力、土壓力之和為P0，則P=P0·K，K一般取1.0～1.3。掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)壓力可根據(jù)取得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合盾構(gòu)所在位置的埋深、地層情況和地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和控制[4]。

前期推進(jìn)過(guò)程中上土壓力一般取1.2bar，施工單位根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出調(diào)整，將上土壓力調(diào)整為1.6bar，同時(shí)嚴(yán)格控制出土量，每環(huán)在56方左右（鄭州地區(qū)所用管片長(zhǎng)1.5m）。

（3）同步注漿：為保證同步注漿漿液能迅速、充分的充填盾尾空隙，漿液需要有優(yōu)越的充填性，良好的和易性且離析少，不容易堵管，有合適的稠度，不被地下水稀釋[5]。前期施工過(guò)程中，同步注漿采用水泥單液漿，管片安裝過(guò)程及其他原因停止注漿后容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。施工單位調(diào)整后采用惰性漿液，用材簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、不容易堵管、和易性好、充填密實(shí)效果好[6]。

惰性漿液一般由熟（生）石灰、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂和水等組成，使用惰性漿液進(jìn)行同步注漿減少了堵管情況的發(fā)生，降低了成本，起到了良好的填充空隙作用。惰性漿液中粉煤灰是主要成分之一，粒徑細(xì)小，外觀呈圓形，在漿料中起滾珠軸承的效應(yīng)，有助于流動(dòng)，它在熟石灰的激發(fā)下發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成水化硅酸鈣，從而使?jié){液具有一定的強(qiáng)度。

后期施工中，施工單位適當(dāng)增加了同步注漿壓力（3bar左右），同步注漿量控制在6方左右。

（4）盾尾密封環(huán)、二次補(bǔ)漿工序常態(tài)化：

為保證盾尾密封效果和減小同步注漿漿液的流失，施工單位采用聚氨酯，每10環(huán)做一道封閉環(huán)。采用沖擊鉆將管片吊裝孔鉆通，安裝注漿球閥，用擠壓泵注入60倍發(fā)泡率聚氨酯，注入后關(guān)閉球閥，待盾構(gòu)機(jī)通過(guò)12h后拆除球閥，采用環(huán)氧砂漿封堵管片吊裝孔。

為減小盾構(gòu)通過(guò)后的后期沉降，進(jìn)一步對(duì)地層進(jìn)行填充，從盾尾后5環(huán)開(kāi)始進(jìn)行二次注漿，采用水泥單液漿進(jìn)行二次補(bǔ)漿，注漿量和注漿壓力雙控。

（5）其它措施：下穿風(fēng)險(xiǎn)源前加強(qiáng)設(shè)備維修，進(jìn)行刀盤(pán)、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，確保穿越過(guò)程中設(shè)備無(wú)故障。

制定應(yīng)急預(yù)案，積極與產(chǎn)權(quán)單位協(xié)調(diào)，出現(xiàn)異常立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案處理。

下穿風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)適當(dāng)放慢掘進(jìn)速度，勻速穿越，并保持推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、出土速度和注漿速度相匹配；盾構(gòu)調(diào)整到良好姿態(tài)，減少盾構(gòu)糾偏過(guò)程中帶來(lái)的超挖；安排熟練工人進(jìn)行拼裝，減少拼裝時(shí)間，縮短盾構(gòu)停機(jī)的時(shí)間。

3.2 北環(huán)立交橋主橋、3號(hào)橋、4號(hào)橋加固措施

（1）北環(huán)立交橋3號(hào)橋、4號(hào)橋支頂加固：盾構(gòu)下穿北環(huán)立交橋3號(hào)橋、4號(hào)橋時(shí)擬采用鋼圍檁+鋼支撐+千斤頂+工字鋼對(duì)橋面進(jìn)行支頂加固。在橋下沿通道方向設(shè)置長(zhǎng)30m，寬0.7m，高0.5m的鋼圍檁基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方設(shè)置鋼管支撐，間距3m，高度1.2m，在鋼管上方設(shè)置50t機(jī)械式千斤頂，千斤頂上部設(shè)置200工字鋼。

（2）北環(huán)立交橋主橋注漿及支頂加固：

①注漿加固：采用鋼花管進(jìn)行注漿加固，梅花形布置，間距0.8m× 0.8m，優(yōu)先采用超細(xì)水泥漿。

②支頂加固：在北環(huán)立交橋主橋下沿隧道掘進(jìn)方向，東西兩側(cè)橋墩內(nèi)側(cè)設(shè)置長(zhǎng)29m，寬1.2m，高1m的C40鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方每間距2m設(shè)置一根豎向的鋼支撐，高3.3m，在鋼管上方設(shè)置千斤頂，千斤頂上部設(shè)置200工字鋼；中間橋墩的兩側(cè)設(shè)長(zhǎng)23m，寬1.2m，高1m的C40鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方設(shè)置高0.5m，寬0.7m的鋼圍檁橫跨于基礎(chǔ)上方，在鋼圍檁上方設(shè)置豎向鋼支撐，鋼管高度2.67m，在鋼支撐上方設(shè)置2個(gè)50t千斤頂，千斤頂上方設(shè)置厚鋼板。

4 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

4.1 監(jiān)控量測(cè)目的

（1）在土建施工過(guò)程中對(duì)隧道周邊環(huán)境和工程自身關(guān)鍵部位實(shí)施獨(dú)立、公正的監(jiān)測(cè)，基本掌握周邊環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系和周邊土體的動(dòng)態(tài)，為業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工單位提供參考依據(jù)。

（2）為建設(shè)單位對(duì)軌道交通工程風(fēng)險(xiǎn)管理提供支持，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)、巡查和安全狀態(tài)預(yù)警，全面掌握施工安全控制程度，對(duì)施工過(guò)程實(shí)施全面監(jiān)控和有效控制。

（3）監(jiān)測(cè)方作為獨(dú)立一方，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析資料可作為處理風(fēng)險(xiǎn)和工程安全事故的重要參考依據(jù)。

（4）積累資料和經(jīng)驗(yàn)，為今后同類(lèi)工程設(shè)計(jì)、施工提供類(lèi)比依據(jù)。

4.2 監(jiān)測(cè)工作要求

《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）于2014年5月1日正式實(shí)施，填補(bǔ)了城市軌道交通工程中關(guān)于監(jiān)測(cè)要求的空白。

現(xiàn)場(chǎng)采取建筑物、橋梁、管線(xiàn)沉降及差異沉降，地表沉降，管片沉降和收斂，地下水位監(jiān)測(cè)等手段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡查手段，及時(shí)反饋各相關(guān)單位。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控過(guò)程及變形規(guī)律

（1）盾構(gòu)右線(xiàn)、左線(xiàn)依次下穿北環(huán)立交橋4號(hào)橋、主橋、3號(hào)橋：施工單位對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行充分調(diào)試，經(jīng)常進(jìn)行檢查，確保下穿過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)自身不出現(xiàn)故障。通過(guò)試驗(yàn)段的調(diào)整，已摸索了相對(duì)合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，鑒于盾構(gòu)施工應(yīng)盡量保持勻速掘進(jìn)，不宜停機(jī)，主管單位決定正式開(kāi)始下穿（如圖2～4）。

圖2 國(guó)基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋4號(hào)橋沉降測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)圖

由曲線(xiàn)圖可以看出，盾尾通過(guò)后產(chǎn)生的階段沉降最大，且需5d左右才能有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，因此施工單位決定二次補(bǔ)漿工序常態(tài)化。盾構(gòu)右線(xiàn)通過(guò)時(shí)，右線(xiàn)中心線(xiàn)的測(cè)點(diǎn)沉降最大，對(duì)盾構(gòu)左線(xiàn)測(cè)點(diǎn)也有一定影響，盾構(gòu)左線(xiàn)通過(guò)時(shí)，對(duì)盾構(gòu)右線(xiàn)的測(cè)點(diǎn)也有一定影響。從通過(guò)到穩(wěn)定，北環(huán)立交橋4號(hào)橋、主橋、3號(hào)橋的累計(jì)沉降最大值分別為-16.5mm、-25.5mm、-39.3mm。

三座橋的情況：主橋東部墩臺(tái)底部采用d=350混凝土樁、西部墩臺(tái)底部采用d=350碎石樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)均為4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交主橋基底僅約9.8m。3號(hào)橋墩臺(tái)底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴(kuò)底樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交3號(hào)橋基底僅約5.74m。4號(hào)橋墩臺(tái)底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴(kuò)底樁進(jìn)行地基處理，樁長(zhǎng)4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交4號(hào)橋基底約10.37m。

結(jié)合橋的沉降情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，隧道頂距離橋基底的距離越大，沉降越小，距離越小，沉降越大。

圖3 國(guó)基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋主橋沉降測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖4 國(guó)基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋3號(hào)橋沉降測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）富水砂層中的盾構(gòu)施工采用高分子聚合物、惰性漿液、聚氨酯密封環(huán)等手段，對(duì)控制變形有一定的作用。

（2）結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隧道頂距離橋基底距離越大，沉降越小，因此在有條件情況下適當(dāng)增大隧道埋深以增加隧道頂距離橋基底的距離，如無(wú)條件，建議對(duì)橋基礎(chǔ)進(jìn)行地面注漿加固。

（3）本工程在沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法上嚴(yán)格按《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）新規(guī)范要求，真實(shí)、及時(shí)的反饋了重大風(fēng)險(xiǎn)的變形情況，為施工單位調(diào)整措施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

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[7]《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

U455.43

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1004-7344（2016）05-0163-02

2016-2-5