大直徑土壓平衡盾構(gòu)機穿越高架橋施工技術(shù)探討

齊峰

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大直徑土壓平衡盾構(gòu)機穿越高架橋施工技術(shù)探討

齊峰

（太原鐵路樞紐西南環(huán)線有限責任公司，山西 太原 030013；太原樞紐建設(shè)指揮部，山西 太原 030013）

以太原鐵路樞紐西南環(huán)線工程為例，研究大直徑土壓平衡盾構(gòu)機穿越高架橋施工技術(shù)，討論了以卵石為主的圓礫、粉土層近接施工等風險源，提出了盾構(gòu)機穿越高架橋的管控措施。該研究可為類似工程提供參考。

土壓平衡盾構(gòu)；高架橋；風險分析；管控措施

1 引言

隨著隧道空間利用率增大的需要和科學技術(shù)水平的提高，盾構(gòu)施工技術(shù)得到了快速的發(fā)展和應用。大直徑、長距離、高速施工是未來盾構(gòu)的發(fā)展方向，但國內(nèi)大直徑盾構(gòu)施工應用較多的主要為泥水平衡盾構(gòu)，土壓平衡盾構(gòu)應用極少。目前國內(nèi)成功應用大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工的案例[2-3]有：2007年，上海外灘隧道工程采用了直徑為14.27 m的土壓平衡盾構(gòu)機；2010年，上海迎賓三路隧道工程采用了直徑為14.27 m的土壓平衡盾構(gòu)機；2015年，香港蓮塘公路隧道工程采用了直徑為14.1 m的土壓平衡盾構(gòu)機。

這些案例具有明顯的局限性：自主知識產(chǎn)權(quán)少、地質(zhì)單一。2016年，太原鐵路樞紐西南環(huán)線工程打破局限，采用國內(nèi)自主設(shè)計制造最大直徑為12.14 m的土壓平衡盾構(gòu)機“麒麟號”，成功在復雜地層中掘進2 km，并順利下穿大型公路高架橋。

本文以太原鐵路樞紐西南環(huán)線工程為例，研究了大直徑土壓平衡盾構(gòu)機穿越高架橋施工技術(shù)，希望可以為類似工程提供借鑒及參考。

2 工程概況

太原鐵路樞紐新建西南環(huán)線下穿西中環(huán)公路高架橋隧道（里程DK3+510～DK3+599），全長89 m，主要位于⑧、⑨、⑩層，隧道橫斷面為標準圓環(huán)，外徑11.7 m，內(nèi)徑10.6 m。下穿高架橋7#、8#橋墩之間，與橋面呈96°10＇夾角，上覆土深度為27.51 m。地下水穩(wěn)定水位深度為27.5 m，距隧道頂端7 m。

3 盾構(gòu)穿越高架橋風險分析

3.1 盾構(gòu)近接施工

西中環(huán)公路高架橋是貫穿太原市西部的南北向交通要道，屬于太原市中環(huán)快速系統(tǒng)的一部分。路面為雙向八車道，寬50 m，客流量大。隧道穿高架橋7#、8#橋墩之間，與7#橋墩樁基礎(chǔ)最小凈間距為11.38 m，與8#橋墩樁基礎(chǔ)最小凈間距為10.19 m。盾構(gòu)穿越橋墩時，如果盾構(gòu)姿態(tài)和隧道軸線控制不當，糾偏不及時，很容易造成軸線偏差，導致盾構(gòu)超挖現(xiàn)象，極易造成開挖面失穩(wěn)。

3.2 穿越區(qū)域內(nèi)土質(zhì)條件差

橋墩間地層是主要以卵石為主的圓礫、粉土，滲透性較高、地層級配差，螺旋機內(nèi)較難形成土塞效應，掌子面土壓力較難平衡，地表沉降較難控制，同時砂卵石地層具有級配不良、黏結(jié)性差等特點，盾構(gòu)在高透水性、高地下水位的砂卵石地層中施工時開挖面易出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，易導致開挖面失穩(wěn)[4]。

3.3 沉降控制

由于開挖斷面較大，各項掘進參數(shù)大，在施工過程中，卵石對周邊土體的擾動程度和范圍均將大大增加，地中、地表沉降控制要求較高。對此，需要嚴格控制掘進參數(shù)，減少盾構(gòu)過程中對土體的擾動；合理控制參數(shù)，提高盾構(gòu)掘進效率，降低施工風險，主要參數(shù)控制包括土倉壓力、總推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、出渣控制、掘進速度等[5]；施工時要加強監(jiān)控測量，隨時根據(jù)反饋信息調(diào)整盾構(gòu)機的掘進參數(shù)。

4 穿越段盾構(gòu)施工的管控措施

4.1 穿越前土體加固

為了保障盾構(gòu)機順利穿越高架橋，并控制周圍土體沉降變形，在盾構(gòu)機穿越高架橋之前，對橋墩間的土體進行加固。采用Φ800@1000鉆孔灌注樁，在橋梁承臺與隧道中間平行布置，布置范圍為高架橋?qū)λ淼赖挠绊懢嚯x外延3 m，樁底標高比隧道底標高低4 m，樁離橋墩樁基距離3 m。

4.2 設(shè)備方面

在穿越重大風險源的前一兩周，對盾構(gòu)機及后配套設(shè)備進行全面、系統(tǒng)的檢修，排查設(shè)備隱患、故障，同時安排專人定期進行日常維護，確保盾構(gòu)機處于最佳工作狀態(tài)。設(shè)備維檢的重點應該放在主驅(qū)動密封、盾尾密封系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、膨潤土和泡沫系統(tǒng)、螺旋機出渣系統(tǒng)、盾構(gòu)機控制電路以及液壓系統(tǒng)上。另外，特別要注意檢查主驅(qū)動的密封性，防止土倉內(nèi)泥沙進入主驅(qū)動內(nèi)部，導致盾構(gòu)機癱瘓；同時檢查盾尾的密封性，確保盾構(gòu)機下穿過程中不出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，保證注漿量，防止地層塌陷。

4.3 掘進參數(shù)控制

4.3.1 土倉壓力

通過安裝在土倉隔板上的土壓傳感器，PLC（可編程控制器）系統(tǒng)將實測的土壓力與設(shè)定值進行對比后，輸出電信號來調(diào)控液壓控制系統(tǒng)，改變螺旋機轉(zhuǎn)速或推進油缸速度，使測量土壓力與設(shè)定土壓力相等，維持掌子面的穩(wěn)定。在掘進過程中，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和出土量及時調(diào)整土壓，以減少對土體的擾動。

4.3.2 掘進速度

穿越橋梁橋墩之前的掘進速度穩(wěn)定在35～50 mm/min之間，穿越過程中，保證對地面擾動較小，同時適當降低速度，以平穩(wěn)、快速通過。

4.3.3 刀盤轉(zhuǎn)速、推力

由于地層卵石含量大，內(nèi)摩擦角大，渣土和易性及流動性差，為防止刀盤扭矩、推力過大，要通過添加泡沫和膨潤土對土體進行改良，使扭矩控制在14 000 kN·m以下，推力控制在40 000～53 000 kN之間，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.5～0.6 r/min之間。

4.3.4 出土量控制

嚴格控制出土量，防止土體損失帶來的沉降、塌陷。在掘進過程中，要注意觀察稱重器顯示的出土量，做好每環(huán)出土量的統(tǒng)計，通過控制螺旋機調(diào)整轉(zhuǎn)速及推進速度。

一般情況下，出土控制量根據(jù)拼裝管片長度進行控制，出土量不得大于每環(huán)管片內(nèi)土體的體積[6]。另外，要保證盾構(gòu)機連續(xù)出土，降低螺旋機噴涌風險，發(fā)現(xiàn)異常及時增加注漿量。

4.4 渣土改良

盾構(gòu)機中泡沫系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)通過向刀盤面、土倉及在螺旋機內(nèi)注入泡沫或膨潤土漿液，使渣土有較好的流塑性、保水性和軟稠度，降低內(nèi)摩擦角。這樣既可以降低刀盤、螺旋機的扭矩和刀具的磨損，防止泥餅產(chǎn)生，同時可以減少地下水的流失，有利于控制地層沉降。

4.5 同步注漿及二次注漿

同步注漿時，要使注漿壓力和注漿量兩個指標同時達標，即同步注漿量應滿足30 立方米/環(huán)（根據(jù)出土量適當調(diào)整），且注漿壓力滿足2.5～3.5 bar，注漿流量與掘進速度匹配，并保證整個注漿過程連續(xù)，保證管環(huán)背后填充密實飽滿。同步注漿不到位，凝固時有一部分體積發(fā)生收縮或漿液流失等現(xiàn)象會導致管片背后無法完全填充，此時，需要利用雙液漿水泥，即水=1︰1（質(zhì)量比），水泥漿︰水玻璃=2︰1（體積比）進行注漿補充。二次注漿以壓力控制為主，終漿壓力為5～6 bar。同步注漿及二次注漿能及時填充盾尾空隙，有效控制地表沉降。凝結(jié)的漿液作為隧道的第一道防水屏障，能夠提高隧道的防水能力，同時為管片提供早期的穩(wěn)定性，促使管片與周圍巖土一體化，有利于對掘進方向的控制，為隧道穩(wěn)定提供保障。

4.6 監(jiān)控量測

在盾構(gòu)施工時，地面變形機理主要有五種：①盾構(gòu)推進中正面土壓力不平衡導致地層下沉或隆起；②盾構(gòu)外殼與土層間摩擦導致地層隆起；③盾構(gòu)推進姿態(tài)變化導致地層下沉；④管片襯砌背后注漿導致地層下沉或隆起；⑤盾構(gòu)推進后引起土體擾動后的固結(jié)下沉[7]。

下穿高架橋之前，在盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)布設(shè)監(jiān)測點，具體檢測項目為：①橋面沉降變形。監(jiān)測點布設(shè)在每跨橋面的兩側(cè)，每跨布設(shè)6個監(jiān)測點（QD-01~QD-06）。②墩臺差異沉降。每個承臺2個監(jiān)測點。③墩柱傾斜。監(jiān)測點應布設(shè)在墩柱上，沿墩柱頂部、底部上下對應布設(shè)，每個墩柱監(jiān)測點不宜少于1組，每組4個監(jiān)測點。④橋面裂縫觀測。每條裂縫至少2個測點，設(shè)置在裂縫的最寬處或裂縫末端。主要監(jiān)測下穿高架橋過程中及過后路面是否出現(xiàn)裂縫，橋墩是否傾斜以及地表是否發(fā)生沉降情況。同時，盾構(gòu)掘進根據(jù)實時反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)指導盾構(gòu)施工，發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及建筑物變形情況時，及時采取地面跟蹤注漿加固等措施降低風險。其中，由高架橋橋面沉降變形曲線（圖略）得知，盾構(gòu)過程對高架橋的影響較小。

5 結(jié)論

歷經(jīng)10 d，盾構(gòu)機以日均9 m的速度，連續(xù)、平穩(wěn)地完成了下穿西中環(huán)高架橋任務。地表沉降最大值小于7 mm，橋墩幾乎無傾斜，公路面無裂縫產(chǎn)生，且未發(fā)生盾尾漿液泄漏、螺旋機噴涌等事故。施工實踐證明，本文提出的提前加固、設(shè)備維護、控制掘進參數(shù)、渣土改良、同步注漿及二次注漿、監(jiān)控量測等管控措施是可行的和有效的，大直徑土壓平衡盾構(gòu)機在類似太原這種復雜地層中穿越高架橋時也能順利完工，可供類似工程參考。

［1］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進中心.GB 50446—2008盾構(gòu)法施工與驗收規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］陳饋，楊延棟.中國盾構(gòu)制造新技術(shù)與發(fā)展趨勢［J］.隧道建設(shè)，2017，37（3）：276-284.

［3］羌培.超大直徑土壓平衡盾構(gòu)最佳施工參數(shù)匹配研究［D］.上海：上海大學，2014.

［4］何川.成都地鐵盾構(gòu)隧道工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)［J］.學術(shù)動態(tài)，2013（4）：17-24.

［5］朱滬生，鄭世興，易宏.復合式土壓平衡盾構(gòu)機穿越閩江強透水砂層技術(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2017（1）：31-36.

［6］丁振明，廖秋林，李從昀.地鐵工程土壓平衡盾構(gòu)施工風險分析［J］.施工技術(shù)，2012，41（379）：64-67.

［7］王如路，劉建航，廖少明.盾構(gòu)法施工的環(huán)境保護技術(shù)［J］.城市軌道交通研究，2009（12）：27-33.

2095－6835（2019）02－0088－02

U455.39

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.088

〔編輯：王霞〕