淺覆土大粒徑富水砂卵石地層下穿跨河橋梁基礎技術研究

中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300000

1 工程概況

（1）工程簡介。成都軌道交通10號線二期工程土建5標區(qū)間隧道采用1臺直徑6.28m土壓平衡盾構法施工，盾構掘進左線完成接收，轉場后從右線始發(fā)，最終從右線接收井吊出。盾構始發(fā)后40m在DK37+185～K37+205段下穿電廠河橋，現(xiàn)電廠河橋為加寬改造橋梁，原橋為1m×20m板橋，位于京昆線主干道，車輛通行頻繁，交通流量巨大。橋面寬20m，建成于1999年，2014在既有橋兩側各加寬10m，用于設置人行道及部分非機動車道，加寬橋梁上部結構采用1m×20m預應力砼簡支板，下部結構采用樁接蓋梁橋臺。

（2）工程地質(zhì)情況。此段上部為人工填土，其下依次為粉質(zhì)黏土、砂卵石。隧道洞身主要位于<2-5-2>稍密卵石、<2-5-3>中密卵石，地層穩(wěn)定性較好，巖性較為單一，穩(wěn)定性整體較好。

2 施工的重難點分析

（1）淺覆土大粒徑富水砂卵石地層掘進。該隧道工程盾構掘進穿越電廠河橋埋深淺，最小凈距為5.5m，砂卵石地層，土的粒徑大小不一，最大粒徑為60cm，砂卵石地層是一種典型的力學不穩(wěn)定地層，顆粒之間空隙大，沒有黏聚力，砂卵石地層在無水狀態(tài)下掘進時，顆粒之間點對點傳力，地層反應靈敏，刀盤旋轉切削時，刀盤磨損大，刀盤扭矩大，同時很容易破壞原來相對較穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。砂卵石地層在富水狀態(tài)下掘進時，水流會帶走沙土等細顆粒，造成水土流失，進而造成渣土改良困難及地面沉降。這樣盾構掘進時，很容易出現(xiàn)刀盤扭矩過大，刀盤前方土體出現(xiàn)空洞，螺旋輸送機產(chǎn)生噴涌，引起掌子面坍塌，導致地面沉降[1]。為此，必須采用一定的措施使盾構推進時達到堵水、減磨、降扭及保壓的效果。

（2）橋梁基礎侵入盾構隧道。根據(jù)地勘資料及現(xiàn)場鉆心取樣抗壓試驗結果顯示，橋臺基礎混凝土等級為C15，并且橋梁基礎侵入盾構隧道左線約2.2m、右線約2.2m，樁基長度約27m，刀盤旋轉切削樁體時，擾動過大，容易造成樁體發(fā)生位移、傾斜、沉降，從而發(fā)生橋面行車安全事故。

3 主要技術措施

為最大限度地減小施工對電廠河橋的影響，應在施工前優(yōu)化施工方案，選擇合理的掘進方法，在盾構施工時，采取變形監(jiān)控與橋面車輛運行聯(lián)動的綜合控制措施來保證盾構順利通過電廠河橋[2]。

3.1 河底防沖刷及河橋導流

（1）工藝流程。場地清理→測量放樣→拆除電廠河橋上部分欄桿→砂袋準備→施工砂袋下墊塑料薄膜圍堰→清理河底淤泥→擋水墻鋼筋綁扎→支模→澆筑C25素混凝土對河底進行硬化處理→安裝Φ800mm導流管→澆筑擋水墻→加固導流管→混凝土養(yǎng)護→清理場地。

（2）材料準備。編織袋、模板、2m木樁、Φ800mm波紋管、腳手架、木模板、防汛砂袋、塑料薄膜、施工用砂及碎石。

（3）電廠河水導流處理。電廠河施工前應對河道南半側用沙袋進行圍堵，然后將導流范圍內(nèi)的河水用水泵抽干，再清除雜物及淤泥，然后對擋水墻進行鋼筋綁扎，對河底及擋水墻進行支模，用澆筑C25素混凝土對河底進行硬化處理，然后放置800mm的波紋管進行河水導流，波紋管順河水的流向布置，并澆筑擋水墻混凝土加固波紋管，進行混凝土養(yǎng)護。待混凝土達到設計強度后，將河水導流至南半側，再進行河道北半側的導流施工，根據(jù)南半側的施工方法對河道北半側進行河水導流。保持河床平整，根據(jù)圖紙進行水準點定位。鋼筋綁扎必須符合現(xiàn)場實際要求以及電廠河橋的導流要求。

（4）電廠河橋地面處理。①施工過程中對橋墩進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)控量測的結果決定是否進行跟蹤注漿。②盾構穿越橋梁時對盾構上方的半幅橋梁進行臨時封路，待盾構通過后再開放路面交通。

3.2 盾構掘進參數(shù)設置

（1）穿越前應對盾構機進行檢修，確保下穿時不停機，一次性通過。

（2）穿越該段前，應對盾構機姿態(tài)進行復合修正，確保順利通過橋梁樁基基礎。

（3）掘進參數(shù)的控制。要想控制地面沉降，就要做到快速開挖、快速支護、快速注漿，以此縮短從開挖到最終注漿的時間差，這就對掘進速度及施工管理連續(xù)性提出了較高的要求。常見問題及處理：①扭矩不穩(wěn)及卡刀盤。刀盤扭矩不穩(wěn)卡刀盤可能是由以下方面的因素造成。第一，大粒徑卵石不能進入土倉，扭矩波動，甚至刀盤卡死。第二，底部渣土在水和細顆粒流失的情況下造成沉積，沉積物密實，內(nèi)摩擦角較大，一般發(fā)生在停機階段，現(xiàn)象刀盤無法啟動。處理方式：使用膨潤土漿或者高分子聚合物從螺旋及螺旋兩側底部注入口大流量沖刷，如無效可進倉清理。第三，砂土板結。砂土板結一般是指渣土改良不好長期堆積及壓力作用形成的，一般位于螺旋機兩側及螺旋機上部。如果持續(xù)改良不佳，板結區(qū)域會逐步擴大，導致進渣困難，造成推力大，貫入度小，最終產(chǎn)生扭矩大且不穩(wěn)的現(xiàn)象。處理此問題，除了開倉處理，還要持續(xù)增加渣土改良，使板結區(qū)域越來越小。②卡螺旋。卡螺旋有以下兩種情況：一種是噴涌條件下限制螺旋轉速，停機后容易產(chǎn)生螺旋卡死，此時，打開觀察口會發(fā)現(xiàn)螺旋內(nèi)渣土密實，且無細顆粒；處理方式是人工清理，預防措施停機前注入膨潤土且間隔反轉螺旋（螺旋扭矩一直高位運行）。另一種是掘進過程中螺旋卡死。掘進過程中螺旋卡死是較大異物進入螺旋造成的，此時螺旋壓力迅速升高，同時伴有震動。對此，應迅速停止推進，緩慢旋轉刀盤，最高速度反轉螺旋直至螺旋扭矩平穩(wěn)，然后再緩慢恢復推進。③間隙性噴涌。間歇性地由螺旋口噴出水及砂土壓力與流量不可控制，存在噴涌時土倉內(nèi)太多水，噴完后土倉內(nèi)太干；易造成砂土沉積，造成渣土改良效果進一步變差；土倉內(nèi)部壓力不穩(wěn)，且間歇性變化，不利于掌子面穩(wěn)定；噴涌較大時對工作區(qū)域污染較大，清渣時間較長，是造成施工不連續(xù)的最大因素之一。間歇性噴涌的原因：渣土改良效果差，土倉內(nèi)渣土隔水性較差；土倉內(nèi)倉位較低；土倉內(nèi)持續(xù)加水過多。對此，應選擇關閉螺旋，持續(xù)緩慢掘進，過程中大量注入膨潤土漿或者惰性漿液，土壓上升后恢復正常掘進，連續(xù)幾次后會有改善。④出渣量不能控制呈發(fā)散狀態(tài)。解決辦法：可降低推力，同時增大渣土改良投入，同時提高倉位，不要強調(diào)掘進速度，直到出渣量達到正常；如不能改善可通過，需要注入改性水玻璃或者膨潤土砂漿，待其凝固后，形成新的掌子面后重新恢復掘進。

（4）對超挖段作好記錄，盾尾到達該里程時適當加大注漿量，必要時在盾尾通過后在該里程處進行二次補漿。

（5）砂卵石地層渣土改良：①增加土倉內(nèi)渣土的流動性，避免排土不暢而導致的閉塞事故，避免艙內(nèi)結砂餅，同時降低刀盤面板對掌子面的正壓力，減少擾動量；②提高土倉內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力，避免噴涌造成較大的地表沉降或坍塌事故；③降低土倉內(nèi)渣土以及掌子面土體的內(nèi)摩擦角，減少對刀盤、刀具的磨損，降低盾構刀盤扭矩；采用泡沫劑和膨潤土進行土倉內(nèi)渣土的改良，最好使用膨潤土進行改良，在掘進過程中實時監(jiān)控刀盤扭矩及渣土的溫度，同時合理配置隔板中心攪拌棒攪拌位置，以保證渣土在土倉內(nèi)攪拌均勻。

（6）注漿速率需與推進速度保持一致，保證注漿均勻飽滿。同時避免因注漿壓力過大而將漿液直接注入土倉；調(diào)整合適的砂漿配比，縮短砂漿初凝時間，盡快穩(wěn)定管片姿態(tài)。

（7）盾構施工過程中，進行系統(tǒng)、全面的監(jiān)控測量，及時反饋數(shù)據(jù)。

3.3 盾構通過后控制措施

（1）盾構通過電廠河橋后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，及時對周圍土體進行地面跟蹤注漿。

（2）待電廠河橋沉降穩(wěn)定后，由第三方鑒定單位再次對電廠河橋進行鑒定，并與通過前的鑒定報告做對比，確定盾構通過是否對電廠河橋結構造成影響。

（3）洞內(nèi)二次注漿加固，加固長度為20m，注漿漿液須有一定的防水功能，必要時做一道止水環(huán)。

（4）盾構穿越橋臺后對橋梁進行安全評估，并作評估報告。

3.4 河橋北側降水井布置

在橋臺北側布設3口降水井，水位降至隧道底1m，確保盾構開倉人員進倉安全。為盾構機開倉換刀做準備，降水井在盾構機開倉前15d保持不間斷抽水，以確保水位于隧道底下方1m以下。在盾尾后面制作2道止水環(huán)，確保后方河流水回流。保證施工的安全及連續(xù)性。

3.5 常壓換刀施工方案

為保證盾構后續(xù)正常掘進，通過電廠河橋后需開倉檢修刀具；檢查點設置在河橋北側地表空曠地帶，待盾尾通過河橋10環(huán)以后，在不影響交通的情況下，結合交通特點（降水施工），在新平站明挖區(qū)間—劉家碾站區(qū)間，劉家碾站ZCK37+155處設置開倉檢查點，換刀作業(yè)前結合后盾構施工，在換刀區(qū)設置3口降水井，左右線隧道外側及左右線之間分別設置一口降水井，降水井有效降水深度為隧底3m以下，保證開倉作業(yè)前水位在遂底2m以下。

4 結束語

通過綜合應用河底硬化、河橋導流處理、位移監(jiān)測等技術方法，在穿越跨河橋梁的樁基基礎河橋的施工全過程中，橋墩累計沉降2.34mm，滿足設計要求，確保了橋面行車運行的安全，為類似工程施工提供了一定的可供參考的施工經(jīng)驗。