管幕- 橋式盾構法下穿既有高速公路設計研究

劉光明，鄔龍剛，陳 偉，李 杰

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

相對于頂管法、盾構法和暗挖法，在大斷面隧道下穿既有路基工程中，橋式盾構法具有一定優勢。目前，國內一些工程實踐證明了橋式盾構法在控制路基變形方面的經濟性、有效性，但是對橋式盾構法下穿既有工程的關鍵變形因素研究分析較少。本文總結分析了橋式盾構法下穿路基的關鍵因素及變形機制，并依托具體工程進行設計應用，提出了多種應對路基和既有結構變形的設計，可供類似工程參考。

1 橋式盾構法簡介

橋式盾構法是在頂進隧道和前端橋式盾構保護下開挖、頂進作業的一種非開挖施工方法，通過保持掌子面土體的穩定，減小對上覆路基和交通的影響。橋式盾構橫截面成簡支梁橋形，主要由墩柱、主梁、盾殼、子盾構、液壓推進系統、輔助機構六大部分組成；盾構外輪廓與頂進隧道基本相同，裝配在隧道前端，與掌子面土坡體作為頂進施工與上覆路基的支護體系，同時也擔負頂推導向的作用[1-3]（如圖1、圖2）。

圖2 橋式盾構剖面圖

2 橋式盾構法下穿路基關鍵因素總結分析

橋式盾構法施工時引起的高速路基變形主要為豎向變形和水平變位。根據相關工程案例，對橋式盾構下穿路基變形因素深入總結、分析，指導橋式盾構法設計。

2.1 盾構體剛度

鋼盾構承擔上覆路基和車輛荷載，兩側受土體側壓力，前方墩柱受土反力，同時頂進時還要承受較大的擠壓力，盾構體實際受力復雜。鋼盾構體系整體和局部剛度不足會引起上覆路基變形[3]。

2.2 地基承載力

盾構對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，盾構沉降變形不明顯，地基可不做處理[2，4]；當地基承載力小于180 kPa 時，由于地基承載力較小，盾構頂進過程中會產生“栽頭”和“抬頭”現象[5]；當盾構在軟弱土層上頂進時，在上覆荷載作用和循環頂進的擾動下，盾構易發生沉降變形。

2.3 掌子面卸荷

掌子面土坡體是以一定坡率維持穩定的，若掌子面失穩則會導致路基坍塌。一般情況土坡體坡率為1∶0.75，實際土坡體長度應根據地質情況確定；掌子面開挖對前方土體存在顯著卸荷作用，土坡體會出現向盾構內擠出變形的情況[6]。掌子面卸荷及土坡體長度不足將導致上方路基發生較大沉降。

2.4 頂進阻力

隧道和盾構體需克服其周圍土體較大的摩擦力才能向前推進。一般情況下，頂進隧道對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，隧道頂進時往往會出現背土現象。頂推隧道出洞時，隧道結構對洞口周圍土體的摩阻力容易引發局部的滑塌，危及路基和路面安全。

2.5 施工控制

由于復雜因素的影響，隧道頂推過程中必定會發生水平和豎向偏差。因此頂推過程必須同步糾偏，有效控制隧道和盾構體頂進姿態。若糾偏控制不及時，較大的偏差將增加糾偏工作的難度，并導致較多的超挖量，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，隧道正上方路基內有一現狀人行通道涵，斷面尺寸為4×2.5 m，長約45 m，鋼筋混凝土結構，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 地質條件

下穿段隧道主要位于砂質黏土層中，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，國內尚無相應尺寸的矩形頂管設備，本工程主要比選橋式盾構法和淺埋暗挖法。與淺埋暗挖法相比，橋式盾構法對既有路基和人行通道涵擾動小，施工步序簡單，工期短，造價低，且預制隧道結構接縫少、質量更可靠，結構防水效果好，因此本工程采用橋式盾構法。

4 橋式盾構法下穿路基分析與設計

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。高速路基和人行通道涵易受地下水和頂進施工擾動的影響。結合上述路基變形關鍵因素分析，針對性的進行橋式盾構法變形控制設計。

4.1 超前管幕

參考相關工程經驗[7-9]，采用φ970 mm 超前管幕輔助措施，超前管幕支護沿隧道輪廓線布置，管幕內灌注C30 混凝土。φ970 mm 鋼管壁厚16 mm，兩側設角鋼鎖口，相鄰鋼管的鎖口互相搭接，鎖口內注漿，形成水平向止水帷幕（見圖5、圖6）。上層和兩側管幕可承擔車輛、路基和人行通道涵等的荷載，減小掌子面開挖卸荷對上覆路基的影響。下層管幕可作為頂進隧道滑軌，避免地基承載力不足引起的“栽頭”和“抬頭”，防止盾構下方應力集中引發沉降等問題。管幕兩端嵌入鋼筋混凝土結構框架，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 盾構結構

為應對較大的上覆荷載，本工程采取以下措施提高盾構剛度，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壓力能力；四是盾構底板增設型鋼地梁，將各墩柱連接成整體，形成閉口的結構體系（如圖1、圖2）。

考慮隧道周圍土層較差，通過計算[3]，為確保掌子面穩定，延長鋼盾構長度9.46 m，掌子面土坡體坡率為1∶1。

4.3 掌子面超前加固

橋式盾構法掌子面土體強度越高，物理力學參數越大，上方路基沉降越小[10-11]。考慮隧道周圍的粉質黏土較差，為提高掌子面土體強度和力學參數，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計。在工作坑中先注漿再頂進，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 頂進減阻

為減少頂進阻力，在隧道頂部設置5 mm 厚鋼板、在子盾構體的頂部拖掛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隧道和路基之間起隔離作用，頂進時監測上部路基變位，必要時可反拉頂部托板，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。隧道頂進過程中如果發生較大的阻力，可通過隧道四周設置的泥漿孔壓入觸變泥漿減阻。

4.5 盾構施工順序

考慮下穿隧道較寬，高速路基及人行通道涵對變形要求嚴格，本工程將頂進隧道分成左右兩幅施工（見圖4）。施工時先頂右幅隧道，就位后再頂左幅，采用“小步距、快頂進”的頂進方式，減小每次開挖卸載土方量和卸載時間，減小對路基變形的影響。頂進的主要工序：一是先頂推子盾構嵌入土體30～50 cm，預先支護盾構上方土體；二是開挖子盾構前方的土體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；五是頂進隧道和盾構體前行30～50 cm（見圖8）。土方開挖過程中鋼盾構應始終吃土，掌子面土體嚴禁超挖。

圖8 頂進施工工序圖

4.6 施工姿態控制

頂進隧道施工采用激光軸線實時監測系統進行監控。頂進隧道前端設置激光投映靶，后背墻設置激光發射裝置，激光射線平行于隧道軸線，正常頂進時激光射線正中靶心；如果隧道頂進過程中軸線偏移,可直接刻度，讀取射線在投映靶上偏移量[7]。頂進過程可根據偏移量實時進行糾偏。通過對子盾構、墩柱底板下及兩側土體進行超挖或欠挖土實現盾構糾偏，利用隧道非均衡油壓頂進行左右方向的糾偏[1]。

5 結語

橋式盾構法下穿高速路基的關鍵是有效的保護施工作業安全并有效的控制路基變形。通過總結類似工程案例，總結得出盾構法下穿路基的關鍵影響因素，主要為盾構體剛度、地基承載力、掌子面卸荷、頂進阻力和施工控制等，分析了各關鍵因素的變形機制。

依托下穿高速路基和既有人行通道涵工程，結合上述路基變形關鍵因素，提出了超前管幕、盾構結構、掌子面超前加固、頂進減阻、盾構施工順序和施工姿態控制等變形控制設計，可供類似工程參考。