超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護技術研究

王德平

(蘇州交投規劃設計建設管理有限公司 江蘇蘇州 215007)

隨著我國城鎮化的快速發展和國產大盾構的自主研發，盾構法已逐漸成為城市地下工程建設的主要手段之一。受有限空間的影響，城市盾構隧道下穿地面建構筑物和河流的工況日益增多，穿越地層的地質條件也越來越復雜[1-2]。尤其對于盾構隧道下穿河流施工，主要存在兩大問題：（1）土體擾動問題。盾構開挖卸荷改變了土體的原始應力狀態和應力平衡，不可避免對周圍土體造成擾動；尤其對于下穿河道淺覆土的大直徑盾構隧道施工，土體擾動和變形更難以控制[3-4]。（2）管片上浮問題。大直徑盾構在水中淺覆土層中掘進時，由于覆土自重較輕和土體處于飽和狀態，容易造成河底地層隆起，并使盾構機上移，在管片脫離盾尾時會受到漿液的浮力作用，當管片與覆土自重小于浮力時，管片會發生上浮現象，易造成工程安全事故[5-6]。

目前，國內外已有部分學者對盾構下穿河流時的沉降控制和管片抗浮問題進行了研究。彭厚偉[7]以長沙市湘江大道瀏陽河市政道路隧道為工程背景，詳細分析和研究了隧道下穿河流的綜合施工技術。邵迅等人[8]通過對合肥地鐵1 號線盾構隧道下穿南淝河進行數值模擬，分析了盾構推進過程中隧道周邊土體孔隙水壓力的規律。李自力等人[9]依托常州軌道交通2 號線下穿越京杭運河區段工程，分析了注漿壓力及注漿量對隧道整體結構位移、駁岸擋土墻變形及受力和地表沉降的影響。馮曉九等人[10]以常州地鐵二號線一期工程穿越河流的實際情況為例，研究了盾構法在富水粉砂地層中穿越河流減小沉降的方法。楊建寅[11]通過考慮河道、隧道和地層等影響因素，針對地鐵盾構隧道下穿某河道開展三維有限元數值分析。

傳統淺埋段盾構施工覆土厚度一般大于0.7 倍盾構隧道直徑，但盾構下穿河流時隧道頂到河底或湖底的距離往往很近，針對施工段覆土深度無法達到最低設計標準的超淺覆土情況，需采取反壓防護等輔助措施來完成超淺埋段大直徑盾構開挖施工。結合蘇州桐涇路北延工程，該文對超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護技術開展系統研究，涵蓋駁岸加固、河底注漿加固、砂袋回填等關鍵技術，以期為今后類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概述

蘇州桐涇路作為“七縱”主干路之一，是蘇州市穿越滬寧高速公路、滬寧城際鐵路、滬寧鐵路及北環快速路進而聯系南北片區的重要通道。桐涇路北延項目施工隧道總長1 336 m，其中盾構段長度490 m，線路最大縱坡3.95%，具有短（短距離連續穿越多類型高風險源）、淺（超淺覆土，最淺處0.49 倍洞徑）、險（風險源地段占比62%）、嚴（作為國內首條下穿高鐵的大直徑盾構項目，沉降要求控制在2 mm 以內）、高（作為蘇州首條大直徑泥水盾構，關注度高，社會影響大）等特點。該工程盾構穿越地層主要為粉砂、粉質黏土、黏土；隧道上部主要為粉砂、粉土地層，透水性大。

如圖1所示，盾構左線K1+353～K1+398.5、盾構右線K1+330～K1+378 處下穿山塘河。山塘河垂直寬約38 m、深2～3.7 m，駁岸為漿砌片石，為重點旅游觀光河道，山塘街為歷史文街；盾構線路與山塘河斜交，隧道拱頂距河底設計為7.5 m屬于超淺覆土穿越，且隧道拱頂地層主要為粉質黏土、粉土及粉砂地層，透水性大，盾構穿越掘進時極易造成駁岸沉降、損壞及河底擊穿、冒頂。

圖1 盾構隧道線路平面圖

2 反壓防護技術原理

針對盾構隧道在駁岸與河段掘進時覆土厚度突變，切口水壓難以及時隨之改變所導致駁岸沉降、坍塌等風險，該工程在河道兩側坡面設置纖維袋注漿錨桿，纖維袋注漿錨桿上部依次設置防滲土工布、混凝土封底、土工格柵、回填土臺階等提高坡面的穩定性。根據圖2 施工工藝原理圖可知，駁岸兩側施工范圍內開挖冠梁槽，并在槽內施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，砂袋回填范圍為順河向為隧道兩側結構外邊緣10 m內，通過砂袋拋填堆疊形態與下方掘進盾構里程方向垂直，促使掘進時刀盤面覆土厚度同步改變，同時及時調整切口壓力，提高穿越安全。

圖2 超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護施工工藝原理圖

針對超淺覆土大直徑盾構穿越過程中可能造成的河底擊穿、冒頂等風險，綜合采用了河底注漿加固、砂袋回填等技術。在河道兩側施工纖維袋注漿錨桿，在河床先進行注漿加固形成河底注漿加固區，河底注漿加固區上部依次設置防滲土工布、混凝土封底、土工格柵，在河道坡上根據砂袋尺寸施工混凝土臺階，通過砂袋上的砂袋追蹤器調整砂袋拋填位置，砂袋與駁岸空隙較小時在空隙內填入塊石，空隙較大時填入自適應砂袋，砂袋兩側設置支撐斜桿，并在頂部設置可調式沙箱，提高隧道盾構施工時上部防護體系抗浮承載力及穩定性。

3 關鍵施工技術

超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護施工工藝流程具體見圖3。

圖3 超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護施工工藝流程圖

3.1 雙壁鋼管樁施工

在盾構穿越超淺覆土河床時，首先設置圍堰，圍堰大小根據盾構區間線間距有直接關系，設置圍堰區域為區間隧道邊緣向外延伸不低于1倍的隧道底部埋深的距離，圍堰沿河流橫斷面布置，兩圍堰寬度為區間隧道邊緣需要分別向外延伸，約3.5～4倍的寬度，放坡1∶1截流。采用雙壁鋼管樁作為圍堰，抽水形成施工面。

3.2 冠梁開挖

駁岸兩側施工范圍內開挖冠梁槽，并在槽內施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，同時在駁岸外側設置植筋，植筋彎折形成環箍，箍于冠梁主筋外側，冠梁主筋上焊接護欄預埋段，并在護欄預埋段上安裝護欄套筒，并對護欄套筒做好防護，隨后澆筑混凝土，混凝土終凝后在護欄套筒上安裝后接護欄，并同時安裝后接護欄間的系桿，施工時先固定土工格柵后設置植筋及綁扎鋼筋。

3.3 河道防護

根據圖4河道防護示意圖可知，整平河底輪廓線，在河道兩側施工纖維袋注漿錨桿，在河床先進行注漿加固形成河底注漿加固區，河底注漿加固區施工時在相應位置安裝圍欄預埋段，并在圍欄預埋段上安裝螺紋套筒，并做好螺紋套筒防護，隨后在河床上鋪一層防滲土工布，并在防滲土工布上及河道兩側澆筑混凝土封底，混凝土初凝前在混凝土封底上鋪設土工格柵，土工格柵兩端跨過駁岸埋入冠梁開挖槽內。

圖4 河道防護示意圖

3.4 填拋砂袋

通過圖5 和圖6 的砂袋拋填平面與剖面示意圖可知，制作砂袋，并在砂袋上安裝砂袋追蹤器，在靠近駁岸位置根據實際施工需要制作自適應砂袋；在河道坡上根據砂袋尺寸施工混凝土臺階，并在混凝土臺階上放置首層砂袋。拆除雙壁鋼管樁圍堰，在圍欄后接段頂部安裝警示燈，隨后進行砂袋拋填，通過砂袋上的砂袋追蹤器調整砂袋拋填位置，砂袋與駁岸空隙較小時在空隙內填入塊石，空隙較大時填入自適應砂袋。

圖5 砂袋拋填平面圖

圖6 砂袋拋填剖面圖

3.5 砂袋支撐

拆除螺紋套筒上的防護裝置，在螺紋套筒上安裝圍欄后接段，圍欄后接段上的支撐斜桿通過連接鉸旋轉至砂袋形成的斜坡上壓緊固定，隨后在圍欄后接段及支撐斜桿間設置支撐橫桿，支撐橫桿上安裝支撐系桿。

3.6 沙箱就位

可調式沙箱通過沙箱底板底部的沙箱扣槽置于支撐橫桿上，并調節沙箱伸縮段長度，隨后灌入砂石，隨即恢復航道。

3.7 隧道注漿

盾構開挖后在拱頂半圓范圍內注漿，形成隧道注漿加固區。掘進過程中通過同步注漿及時充填空隙，保證管片不發生錯臺和上浮現象，減少施工過程中的土體沉降。

4 施工效果分析

圖7 為施工結束后的河道反壓防護現場。經觀測，在盾構下穿河流期間，河道駁岸與河道的變形均在控制范圍內，反壓防護效果較好。進一步分析，該技術具有以下特點。

4.1 河流駁岸加固質量高

河道兩側坡面設置纖維袋注漿錨桿，駁岸外側開挖冠梁槽后施工袖閥鋼管樁，隧道開挖區兩端及中間位置施工水泥攪拌樁，同時在駁岸外側設置植筋，植筋彎折環箍于冠梁主筋外側，避免盾構施工引發的駁岸沉降、坍塌風險。

4.2 景觀保護與生態效益好

順河向隧道兩側結構外緣10 m 范圍內臺階狀回填砂袋增加覆土厚度，在河道中部預留槽道，供游船臨時通行使用，保持水流通暢，保持駁岸的傳統砌筑形式和河道的天然狀況。

圖7 反壓防護效果圖

4.3 施工效率高，回填質量好

通過砂袋上的砂袋追蹤器調整砂袋拋填位置，砂袋兩側設置支撐斜桿，并在頂部設置可調式沙箱，提高砂袋回填的穩定性，降低砂袋回填的難度。

5 結語

結合蘇州桐涇路北延工程，該文提出了駁岸加固、河底注漿加固、砂袋回填等反壓防護關鍵技術，適用于覆土深度無法達到最低設計標準的超淺覆土大直徑盾構下穿河流反壓防護施工。施工效果表明，該技術具有施工效率高、加固質量好、景觀保護與生態效益好等特點，能夠有效在盾構穿越期間對河道形成保護。