TM614PMX土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越城市淺埋石砌三聯(lián)拱橋施工技術(shù)

譙 恒

(中國(guó)中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司,西安 710060)

1 工程概述

1.1 工程概況

玉—灑盾構(gòu)區(qū)間為兩條平行的分離式的單線圓形隧道,線路沿西安市主干道蓮湖路正下方布設(shè),隧道總長(zhǎng)2 119.2 m(雙線延米),區(qū)間隧道在樁號(hào)DK17+882.7～905.182穿越護(hù)城河石砌三聯(lián)拱橋。采用一臺(tái)日本小松TM614PMX土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工,從玉祥門站始發(fā),灑金橋站吊出。

1.2 護(hù)城河橋與盾構(gòu)隧道的關(guān)系

1.2.1 護(hù)城河橋情況

護(hù)城河水面寬20.2 m,水面與護(hù)城河橋面高差約7 m,流向自南向北。護(hù)城河橋由3個(gè)橋跨構(gòu)成,兩側(cè)單拱為鋼筋混凝土實(shí)腹拱橋(新橋)、樁基礎(chǔ)。中部為石砌結(jié)構(gòu)三聯(lián)拱橋(老橋)條形基礎(chǔ)。護(hù)城河老橋具體修建年代不詳,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及查閱相關(guān)資料,橋拱采用50號(hào)水泥砂漿砌城磚,橋拱跨徑分別為5.2、6.4、5.2 m三聯(lián)拱橋,長(zhǎng)32 m、寬26 m。橋臺(tái)、橋墩基礎(chǔ)為0.7 m厚條石,寬分別為4、6 m,隧道拱頂距護(hù)城河拱橋基礎(chǔ)垂直距離4.5 m。護(hù)城河老橋與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 護(hù)城河老橋與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系(單位：mm)

1.2.2 地質(zhì)情況

盾構(gòu)隧道拱頂為古土壤、新黃土(飽和)、新黃土(濕陷)、素填土,洞身及拱底范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土夾粉土、中粗砂層。地層的均一性差且多位于地下水位以下,洞身圍巖存在的砂層透鏡體廣泛分布,土層多飽和狀態(tài),易坍塌下陷變形。

2 工程難點(diǎn)

盾構(gòu)穿越玉祥門外護(hù)城河橋不僅是本標(biāo)段的技術(shù)難點(diǎn),也是整個(gè)西安地鐵1號(hào)線最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。護(hù)城河橋面連接著西安市東西交通主干道蓮湖路,車流輛密集,盾構(gòu)穿越期間不能影響橋面車輛正常通行,石砌三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)對(duì)橋基差異沉降十分敏感,稍有不慎可能導(dǎo)致基礎(chǔ)開裂甚至垮塌。隧道拱頂距拱橋基礎(chǔ)垂直距離4.5 m,盾構(gòu)如此近距離通過(guò)如何確保橋梁安全是工程的難點(diǎn)也是最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 理論計(jì)算及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

采用GTS軟件計(jì)算,盾構(gòu)隧道拱頂覆土層各層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 隧道拱頂覆土主要物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 三維計(jì)算主要材料及建模

拱橋采用MU80的條石、50號(hào)砂漿,模型大小為橋梁外邊向外25 m范圍,計(jì)算模型如圖2所示。首先分析隧道先進(jìn)行左線掘進(jìn),時(shí)間相差15 d之后右線掘進(jìn)，分別計(jì)算出左線掘進(jìn)及右線掘進(jìn)的橋梁基礎(chǔ)沉降及差異沉降,根據(jù)最大沉降計(jì)算出橋梁各階段內(nèi)力。

圖2 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)表1中的參數(shù),采用GTS軟件計(jì)算得知盾構(gòu)左線掘進(jìn)后橋梁基礎(chǔ)沉降4.6 mm,差異沉降3.2 mm。右線掘進(jìn)后橋梁基礎(chǔ)沉降最大值6.2 mm,差異沉降4.7 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)最大應(yīng)力4.75 MPa,與材料強(qiáng)度4.85 MPa基本相同,橋梁需要進(jìn)行加固。鑒于護(hù)城河橋地理位置的特殊性、重要性，并參考其他省市地鐵穿越橋梁時(shí)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)盾構(gòu)施工時(shí)橋梁基礎(chǔ)的最大差異沉降控制在5 mm內(nèi),作為本次盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋時(shí)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。采用C20格柵鋼架噴射混凝土,計(jì)算各基礎(chǔ)在差異沉降5 mm時(shí)的應(yīng)力,來(lái)判斷橋梁是否安全。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示,橋梁加固后的橋梁應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料抗力,橋梁基礎(chǔ)沉降僅為最大1.4 mm,由此加固后可以滿足施工需要及保證橋梁安全。

4 技術(shù)措施

盾構(gòu)在下穿護(hù)城河橋時(shí),盾構(gòu)機(jī)的推力可能會(huì)影響河床的底板穩(wěn)定,沉降控制不當(dāng)也會(huì)對(duì)上部橋梁造成影響。為此，施工方案主要分工程措施和盾構(gòu)施工技術(shù)措施兩個(gè)方面進(jìn)行控制。

4.1 工程措施

鑒于護(hù)城河老橋?yàn)槭鼋Y(jié)構(gòu),橋基對(duì)不均勻沉降敏感,稍有不慎可能導(dǎo)致基礎(chǔ)開裂甚至橋梁垮塌,為保證盾構(gòu)安全、順利穿越對(duì)護(hù)城河老橋進(jìn)行加固是十分必要的。

4.1.1 砂袋圍堰管材渡水

為防止隧道滲漏現(xiàn)象發(fā)生同時(shí)給石砌拱橋提供一個(gè)加固作業(yè)場(chǎng)地,在盾構(gòu)到達(dá)前利用砂袋臨時(shí)設(shè)圍堰截水,將水疏干直至盾構(gòu)順利掘進(jìn)通過(guò)。為保證護(hù)城河水不斷流,經(jīng)水力計(jì)算，采用2φ600 mm PVC管渡水可滿足要求。

4.1.2 格柵包裹拱橋拱圈

采用厚250 mm鋼格柵噴射C20混凝土，將整個(gè)漿砌結(jié)構(gòu)用噴射混凝土包裹,鋼格柵主筋φ22 mm,垂直線路方向間距800 mm。

4.1.3 袖閥管注漿

在橋基下單排布設(shè)間距1.5 m袖閥管,注漿深度河底以下3～5 m,在盾構(gòu)通過(guò)之前實(shí)施袖閥管注漿。袖閥管根據(jù)設(shè)計(jì)圖的位置布置,嚴(yán)格按基線測(cè)放樁位,樁位偏差不得大于30 mm。

4.2 盾構(gòu)施工技術(shù)措施

4.2.1 掘進(jìn)期間的實(shí)際施工控制

(1)合理設(shè)置土壓力,防止超挖。穿越期間在理論計(jì)算土壓的基礎(chǔ)上結(jié)合試掘進(jìn)段對(duì)地層的認(rèn)識(shí)、地面沉隆的充分研究,設(shè)定土倉(cāng)壓力為0.1～0.15 MPa,并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況調(diào)整。

(2)通過(guò)護(hù)城河橋時(shí)降低掘進(jìn)速度,嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)方向,減少糾偏。掘進(jìn)速度控制在15～30 mm/min,刀盤轉(zhuǎn)速0.6 r/min。盡量減少對(duì)地層的擾動(dòng),嚴(yán)控掘進(jìn)方向,減少糾偏。嚴(yán)控出土量,通過(guò)試驗(yàn)段計(jì)算的出土松散系數(shù),每環(huán)出土量控制在55 m3左右。總推力控制在11 000～15 000 kN,刀盤扭矩控制在1 540～2 570 kN·m。

(3)穿越期間加強(qiáng)同步注漿,加大注漿量,每環(huán)注漿量控制在3.2～3.6 m3,確保注漿飽滿,二次注漿及時(shí)跟進(jìn)。

(4)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中加大盾尾油脂注入量來(lái)防止?jié){液通過(guò)盾尾流失,穿越護(hù)城河橋期間每環(huán)所用的油脂為70 kg。

4.2.2 施工監(jiān)測(cè)

玉—灑盾構(gòu)區(qū)間隧道左線2010年5月9日～5月12日順利穿越護(hù)城河橋,右線2010年10月5日～10月8日再次穿越護(hù)城河橋,根據(jù)監(jiān)控量測(cè)顯示的數(shù)據(jù)，左線隧道穿越護(hù)城河橋后橋梁基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降1.78 mm,穿越右線隧道后橋梁基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降1.2 mm。施工監(jiān)控量測(cè)作為本次穿越石砌三聯(lián)拱橋的重要技術(shù)措施,在施工中嚴(yán)格按既定方案對(duì)護(hù)城河三聯(lián)拱橋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在盾構(gòu)穿橋期間,為確保橋面行車安全、石砌三聯(lián)拱橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行,對(duì)盾構(gòu)穿橋范圍內(nèi)的地表及拱橋基礎(chǔ)、拱頂、拱圈收斂亦進(jìn)行了專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。依據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)掘進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力、注漿壓力等參數(shù)及時(shí)修正,進(jìn)一步保證了穿橋期間的安全。施工期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖3、圖4。

圖3 盾構(gòu)穿越左線隧道后橋梁基礎(chǔ)累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)(2010-05-12)

圖4 盾構(gòu)穿越右線隧道后橋梁基礎(chǔ)累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)(2010-10-08)

4.2.3 其他措施

穿越護(hù)城河橋前編制了專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案,針對(duì)可能發(fā)生緊急情況,制定排解危險(xiǎn)方案,并屢次進(jìn)行演練。為避免穿越過(guò)程中橋梁承受動(dòng)載對(duì)施工造成的影響,穿越前與交管部門聯(lián)系對(duì)護(hù)城河橋面機(jī)動(dòng)車道進(jìn)行臨時(shí)交通道改,并安排派專人疏導(dǎo)道改后的橋面交通。盾構(gòu)穿越后及時(shí)恢復(fù)交通，盡量減小對(duì)社會(huì)車輛出行的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

西安地鐵1號(hào)線7標(biāo)玉—灑盾構(gòu)區(qū)間隧道施工,是城市地鐵盾構(gòu)隧道穿越淺埋石砌三聯(lián)拱橋的實(shí)例。玉—灑盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過(guò)程中,通過(guò)詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提前進(jìn)行分析研究并制定切合實(shí)際的實(shí)施方案。通過(guò)監(jiān)測(cè)顯示的數(shù)據(jù)盾構(gòu)穿越護(hù)城河橋后,橋梁基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降為1.78 mm,滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求,保證了橋梁安全。施工中所采取的技術(shù)措施以及積累的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似施工領(lǐng)域具有一定的借鑒價(jià)值。

[1]陳 饋,洪開榮,吳學(xué)松，等.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2]張鳳祥,傅德明,楊國(guó)祥，等.盾構(gòu)隧道施工手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社,2005：178-244.

[3]白 云,丁志誠(chéng).隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[4]白廷輝.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)與環(huán)境保護(hù)[J].地下工程與隧道,1993(3).

[5]竺維斌,鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2006.