地鐵盾構側穿橋樁基施工技術

鮑明星

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

在城市建設中，地鐵建設是一項重要的任務，它對改善城市交通狀況、提高居民生活質量具有舉足輕重的作用。地鐵建設面臨各種復雜的地質環(huán)境和工程問題，其中盾構側穿橋樁基施工是一項不小的技術挑戰(zhàn)，在施工過程中，盾構機會對地層產生擾動，增加了周圍環(huán)境的不穩(wěn)定因素。每個建（構）筑物有其安全標準和特點，如何確保盾構機在穿越工作時的安全性，是地鐵隧道施工中必須處理好的關鍵技術問題。汪海波等［1］依托成都軌道交通13 號線某站盾構區(qū)間工程的研究，提出“注漿+隔離樁”雙措施加固方法，協(xié)同改善地表不利沉降與隧道間中夾巖隆起的現(xiàn)象。范東方［2］以鄭州地鐵某區(qū)間近距離側穿高鐵橋樁基為研究對象，提出采取“隔離樁+蓋板”技術措施減少盾構隧道施工對高鐵橋梁的不利影響。趙林［3］對城市地鐵盾構隧道側穿高架橋的樁基施工技術和安全問題進行研究，提出預加固、盾構參數(shù)控制等措施。本文以武漢地鐵16 號線檀軍路站—硃山路站區(qū)間盾構側穿京港澳高速公路橋樁基為案例，進行模擬推進試驗，提出相應的技術措施，確保盾構側穿施工安全。

1 工程概況

武漢地鐵16號線檀軍路站—硃山路站區(qū)間工程在離檀軍路站約244 m處遇到京港澳高速公路橋樁側穿的難題。側穿京港澳高速公路橋樁里程為左DK19+191.306～左DK19+237.325、右DK19+189.380～右DK19+234.987。該區(qū)間左、右線的盾構管片襯砌距離橋樁的最小凈距分別為1.92 m和3.82 m，穿越長度約46 m。

如圖1所示，京港澳高速公路橋是一座簡支梁橋，共有4排樁基礎，中間2排樁直徑為1.5 m，兩邊的2排樁直徑為1.2 m，樁長為27.6 m，樁尖深入中風化泥巖6.6 m。穿越范圍內沒有其他管線敷設，隧道拱頂埋深為11.9 m，拱頂主要為粉質黏土，少量為粉質黏土夾碎石，洞身主要為粉質黏土夾碎石、殘積土、強風化泥巖。

圖1 盾構側穿京港澳高速公路橋剖面示意圖 （單位：m）

2 方案設計

2.1 三維計算分析

采用“邁達斯”GTS NX 有限元分析軟件對盾構側穿京港澳高速公路橋樁進行三維模擬分析。通過數(shù)值模擬計算得出：區(qū)間左、右線隧道通過后，引起的橋樁最大附加沉降為0.76 mm，水平位移為1.2 mm；盾構上方土體最大沉降為4.76 mm（發(fā)生在拱頂上方）；橋樁差異沉降約為0.45 mm；計算結果均滿足規(guī)范要求（橋梁沉降不大于15 mm，承臺頂水平位移不大于6 mm，路基沉降不大于30 mm）。經過計算分析，盾構區(qū)間施工會對京港澳高速公路橋及橋樁產生影響，但風險在可以接受的范圍內，可通過相應的技術措施減小影響。

2.2 模擬推進試驗

為保證盾構側穿京港澳高速公路橋的安全，本工程在盾構試掘進100 m 后，進行50 m 的模擬推進試驗，檢驗盾構推進的各項技術保護措施和施工參數(shù)優(yōu)化方案的有效性，以及同步注漿和二次注漿的加固效果，為正式側穿提供技術指導；主要檢測內容包括推進前、推進中、推進后及注漿加固后等各個階段的地面沉降量、橋樁傾斜量、盾構機上方不同深度土層的垂直位移量等，確定最佳的盾構推進參數(shù)。在側穿通過京港澳高速公路橋后，利用注漿孔打設注漿管進行洞內深孔注漿加固。

3 盾構穿越施工措施

3.1 盾構穿越前措施

在盾構穿越前，為確保施工的安全性和準確性，采取以下措施。

（1）對京港澳高速沿線的導線、水準、中線、斷面進行復測，確認橋樁與盾構隧道軸線的位置關系，采集橋樁的初始數(shù)據(jù)。

（2）核實京港澳高速橋的實際位置和結構形式是否與設計圖一致，收集橋樁自通車以來的歷史變形數(shù)據(jù)。

（3）全面檢查盾構機、電瓶車、龍門吊、拌和站等關鍵設備，確保設備正常運行。加強軌道檢查、養(yǎng)護和加固工作，保證盾構能連續(xù)、平穩(wěn)地掘進。

（4）制訂詳細的測量監(jiān)測方案，按照方案要求布設沉降監(jiān)測點，完成初始值的采集；為保證掘進過程順利進行，增加監(jiān)測頻率，實行信息化管理，以便及時指導施工［1］。

3.2 掘進參數(shù)的選擇

根據(jù)前期地層掘進的經驗，結合本標段的地質及隧道埋深，以及前50 m的模擬推進試驗，設定盾構下穿京港澳高速橋的掘進參數(shù)（見表1）。

表1 盾構下穿京港澳高速橋掘進參數(shù)表

3.2.1 掘進速度

在盾構施工中，推進速度過快或過慢都可能對土體產生較大的擾動，因此需要根據(jù)盾構機的整體性能進行調整，滿足掘進土壓力和同步注漿速度的要求，同時盡量提高掘進效率，降低對橋樁基的影響。由于在試掘進過程中積累了地層掘進經驗，因此可以確定側穿京港澳高速橋橋基時的最佳推進速度為30～50 mm/min，同時須保持推進速度的勻速性。通過這些措施，確保盾構施工對周圍環(huán)境產生的影響最小，保證施工質量和安全。

3.2.2 出渣量控制

盾構隧道的每環(huán)理論出渣量（實方）為V=3.14×（6.982/2）2×1.5=57.37 m3。根據(jù)類似地層其他標段施工經驗，渣土的松散系數(shù)初步定為1.33，實際出渣量為57.37×1.33=76.87 m3。根據(jù)設計要求，盾構掘進時的出渣量應控制在98%，即出渣量目標為75.33 m3/環(huán)。

在盾構掘進過程中，根據(jù)實際出渣量和地表隆起沉降情況，及時調整土倉壓力。具體方法如下：如果出渣量小于目標值，說明土倉壓力過大，可能導致地表隆起，此時應適當?shù)亟档屯羵}壓力，一般調整量為0.2 bar；如果出渣量大于目標值，說明土倉壓力過小，可能導致地表沉降，此時應適當?shù)卦黾油羵}壓力，直到地表沉降控制在允許范圍內。

3.2.3 渣土改良

為保證刀盤在合理的工作范圍內運轉，減輕刀盤的磨損程度，在掘進前對掌子面的土體進行改良。通過向刀盤前方的土體注入泡沫劑，可減小刀盤的扭矩和油壓，同時提高渣土的流動性和易排性。采用“泡沫+水”的方式改良渣土，其中泡沫的配比是泡沫添加劑占3%、水占97%，泡沫由90%～95%的壓縮空氣和5%～10%的泡沫溶液混合而成。每環(huán)渣土注入的泡沫原液量為50～80 L。在施工過程中，根據(jù)實際的土層情況和出土效果進行動態(tài)調整。

3.3 同步注漿

為控制地層和橋樁基的變形，盾構機掘進后應及時充填管片和地層之間的環(huán)形空隙。充填方法主要是同步注漿，為保證同步注漿的效果，采用水泥砂漿作為注漿材料，這種材料具有以下優(yōu)點：結石率高、結石體強度大、耐久性好，能防止地下水的侵蝕。在地下水具有腐蝕性的區(qū)域，使用抗硫酸鹽水泥提高注漿結石體的耐腐蝕性，管片被耐腐蝕的注漿結石體包裹，可極大地減弱地下水對管片的腐蝕［2］。

同步注漿漿液的主要物理性能應滿足以下指標：膠凝時間為3～8 h，固結體強度為1 d 不小于0.2 MPa（相當于軟質巖層無側限抗壓強度），28 d 不小于25 MPa（略大于強風化巖天然抗壓強度）；漿液結石率大于95%（即固結收縮率小于5%）；漿液稠度為8～12 cm/m。漿液穩(wěn)定性為傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

為保證盾構穿越京港澳高速橋的施工安全和施工質量，同步注漿需要及時、均勻、足量地充填盾尾空隙，將地面變形和管片偏移控制在最小范圍內。根據(jù)國內外盾構施工的經驗和研究資料及本工程的特點，將穿越段的同步注漿量控制在理論盾尾空隙的130%～180%。本區(qū)間的盾構機每掘進一環(huán)的盾尾空隙為q=3.14×（3.5×3.5-3.35×3.35）×1.5=4.84 m3，因此本區(qū)間的隧道每環(huán)的注漿量為6.29～8.71 m3。根據(jù)地質情況及實驗室試驗情況設置同步注漿配合比（見表2）。

表2 同步注漿配合比

3.4 盾構控制與姿態(tài)調整

根據(jù)以往的施工經驗，為減少地面沉降，在穿越橋樁過程中，必須禁止大量糾正偏差。應適度控制左右區(qū)域的千斤頂力差及相鄰2個區(qū)域的千斤頂力差，避免盾構蛇形推進情況的發(fā)生，最大限度地減少對土體的擾動。同時，盾構的姿態(tài)控制應保持在±50 mm以內，堅持按照“勤調、量小”的原則，每環(huán)姿態(tài)變化不宜過大，調整量控制在5 mm 以內。這些措施能保持盾構推進的穩(wěn)定性和準確性，減少推進工作對周圍土體的影響，達到減輕地面沉降程度的目的。

3.5 盾構穿越后施工措施

3.5.1 二次注漿

在掘進過程中，需要精確統(tǒng)計出土量并加強地面監(jiān)測。根據(jù)超方情況及地面沉降情況，及時進行二次注漿。二次注漿在拼裝管片后的7～10 環(huán)進行。注漿材料一般采用水泥漿液，比例為水∶水泥=1∶1。在保證管片不發(fā)生錯臺、破損的情況下，盡量注入漿液，注漿壓力為0.2～0.4 MPa。特殊情況下，采用水泥—水玻璃雙液漿，水灰比為0.8∶1～1∶1，水波璃濃度為25～30°Be，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1～2∶1，初凝時間為20 s內。注漿終壓為0.5～2.0 MPa。

3.5.2 洞內深孔注漿加固

盾構穿越京港澳高速公路橋后，根據(jù)設計要求利用注漿孔打設注漿管進行洞內深孔注漿加固，注漿環(huán)向范圍為管片外3 m 的范圍，加固范圍為管片側部120°的范圍（左線兩側，右線靠橋樁側），注漿加固區(qū)范圍為左DK19+150.000～左DK19+270.000、右DK19+150.000～右DK19+270.000。注漿管采用?42 mm×4 m 的鋼花管，水灰比為1∶1，注漿終壓為0.5～2.0 MPa，隧道正對橋樁處的注漿管末端到橋樁最小距離不小于500 mm；逐步提高注漿壓力，達到注漿終壓時繼續(xù)注漿10 min 以上，靠近地面附近的注漿壓力應≤0.2 MPa，以防止地面隆起［3］。

4 監(jiān)控測量

4.1 檢測項目控制標準

根據(jù)國家現(xiàn)行標準、規(guī)范，以及大量實際工程施工經驗，為了便于施工和確保環(huán)境的安全，本工程制定如下變形控制標準：①地表沉降累計值不得超過30 mm，變化速率＜3 mm/d；②地表隆起累計值不得超過10 mm，變化速率＜3 mm/d；③橋梁樁基沉降和傾斜的累計沉降控制值為15 mm，變化速率控制值為2 mm/d，差異沉降控制值為0.002b（b為相鄰基礎的中心距離）；④承臺頂水平位移累計沉降控制值為6 mm，變化速率控制值為2 mm/d。

4.2 地表檢測點布設

為深入了解盾構隧道施工對圍巖的影響，判斷圍巖的穩(wěn)定性，確保盾構推進工作順利穿越京港澳高速公路，需要在隧道軸線上方布置地表沉降監(jiān)測。在下穿建筑物段，監(jiān)測點間距為10 m；在地表橫向監(jiān)測斷面，間距為50 m。每個監(jiān)測斷面設9個監(jiān)測點，可全面地監(jiān)測地表沉降情況。

4.3 橋樁檢測點布設

在距離線路中線30 m 以內，所有京港澳高速路橋樁都埋設監(jiān)測點。在埋設過程中，需要避開有障礙物的區(qū)域，確保設標與觀測的準確性。沉降測點標志采用“L”形標志形式，即在柱子上鉆孔，將預埋件（?=16mm）放入孔中，用水泥砂漿或錨固劑填實孔與測點周圍的空隙。當現(xiàn)場不具備鉆孔埋設測點的條件時，可使用粘貼式條碼尺進行測量。

4.4 監(jiān)測結果

（1）檀軍路站—硃山路站區(qū)間左線在側穿京港澳高速路前自2020 年9 月7 日起開始對周邊環(huán)境進行監(jiān)測，穿越完成后監(jiān)測指標數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，地表沉降值在7.9～-15.3 mm。

（1）檀軍路站—硃山路站區(qū)間右線在側穿京港澳高速路前自2020 年8 月17 日起開始監(jiān)測，穿越完成后監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，地表沉降值累計變化范圍為0.6～-15.8 mm。

（3）檀軍路站—硃山路站區(qū)間京港澳高速路橋樁自2020年8月29日開始監(jiān)測，直至2021年1月16日項目施工完成后測量檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在此期間，京港澳高速橋樁的沉降值為2.5～-0.3 mm，傾斜率為0.7‰～-0.7‰。

綜上所述，地表沉降符合累計值不得超過30 mm、變化速率＜3 mm/d 的規(guī)定；橋樁沉降符合累計沉降控制值為15 mm、變化速率控制值為2 mm/d、差異沉降控制值為0.002b的規(guī)定。因此，可以確認該區(qū)域的沉降和橋樁穩(wěn)定性均符合相關規(guī)定。

5 結語

在地鐵隧道施工中，盾構側穿橋樁基的情況較復雜，需要采取科學、合理的技術方案和措施保障施工安全。本文以武漢地鐵16 號線檀軍路站—硃山路站區(qū)間盾構側穿京港澳高速公路橋樁基為案例，介紹盾構側穿橋樁基施工技術的原理、方法和措施，并對穿越過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和總結。采用本文提出的技術方案，能夠有效地保證盾構側穿橋樁基施工的安全和質量，將地層擾動和沉降變化控制在合理范圍內，避免對京港澳高速公路橋造成不利影響。研究結果可為類似工程提供參考和借鑒。