李明華，張 娟

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

盾構(gòu)下穿橋梁及河流關(guān)鍵技術(shù)方案

李明華，張 娟

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

盾構(gòu)在穿越橋梁等障礙物及河流時，施工難度高，風(fēng)險大。南昌地鐵1號線中山西路站—子固路站盾構(gòu)區(qū)間段下穿撫河及橫跨撫河的中山橋，因中山橋部分樁基深入盾構(gòu)范圍內(nèi)，需要研究盾構(gòu)穿越橋梁樁基的相應(yīng)方案和技術(shù)措施。通過對拆橋重建、改線繞避以及基礎(chǔ)托換三個方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析，最終選用拆橋重建作為盾構(gòu)穿越方案。采用拆除既有樁基等障礙物，河道范圍施作圍堰排水，設(shè)置混凝土板抗浮，深層攪拌樁加固土體等綜合措施;同時優(yōu)選盾構(gòu)機(jī)型及掘進(jìn)模式，控制及調(diào)整掘進(jìn)方向，適時注漿防護(hù)，使盾構(gòu)機(jī)順利穿越撫河。

施工技術(shù) 河道 盾構(gòu) 地鐵

1 工程概況

南昌地鐵1號線中山西路站至子固路站盾構(gòu)區(qū)間需從撫河處下穿中山橋。中山橋處撫河寬約100 m，既有中山橋為4跨25 m連續(xù)箱梁橋，用于連接中山路處撫河?xùn)|西兩岸交通，車流量較大。中山橋長100 m寬25 m，為雙幅現(xiàn)澆簡支梁橋，單幅橋面寬度12.5 m，單幅梁體支撐為橋臺和獨(dú)柱支撐。橋梁樁基30根，長度19.2～16.0 m，樁徑1 200～1 800 mm，見圖1。橋墩采用單樁單柱形式，因墩臺樁基深入盾構(gòu)內(nèi)，最深樁基深入盾構(gòu)底13.27 m，且設(shè)計要求橋梁下部樁基距盾構(gòu)的凈間距≥3 m，故老橋下部樁基礎(chǔ)嚴(yán)重影響盾構(gòu)穿越，需對穿越方案進(jìn)行研究。

圖1 南昌中山橋

撫河地段河床處由人工填土(Qm1)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4a1)及第三系新余群(E1-2)組成。從上到下依次為①雜填土(Qm1)，鉆探揭露層厚度1.00～12.80 m，平均層厚5.08 m;②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m1)，厚度1.6～10.20 m;③細(xì)砂(Q4m1)，厚度3.10～9.00 m;⑤1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(E1-2)，厚度0.40～3.10 m;⑤2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(E1-2)，厚度為8.60～12.30 m;⑤3微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(E1-2)，厚度1.30～16.80 m。

2 方案比選

城市橋梁在地鐵施工中一旦有盾構(gòu)在橋址處穿越橋梁或橋梁樁基時，通常采用以下三種方案。

方案1，拆除重建。即拆除既有橋梁，并對盾構(gòu)范圍內(nèi)既有樁進(jìn)行破除，待盾構(gòu)通過后在原處重建新橋，恢復(fù)交通。

方案2，樁基托換。即對盾構(gòu)范圍內(nèi)有影響盾構(gòu)穿越的樁基逐一進(jìn)行托換，破除相應(yīng)樁體后盾構(gòu)穿越，施工過程中加強(qiáng)對既有橋梁的觀測。

方案3，改線繞避。即改變規(guī)劃線路，使盾構(gòu)區(qū)間完全繞避開橋梁樁基，兩條隧道分別從橋梁樁基處兩側(cè)通過。

三種方案各有特點(diǎn)，選擇何種方案需要根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)的具體情況進(jìn)行綜合比選與分析，選擇技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)合理的方案。以南昌地鐵1號線穿越中山橋為例，總體方案比選如表1，通過相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)對比與分析，認(rèn)為方案1雖然增加部分費(fèi)用，但總體安全度高、可操作性強(qiáng)，擬選用方案1為最終穿越方案。

3 方案構(gòu)建

為了保證施工的安全，在拆橋時采取從上到下的順序進(jìn)行，重建時則按從下到上的順序進(jìn)行。因此，本橋拆橋重建總體施工順序為:圍堰→清淤→拆除橋面附屬結(jié)構(gòu)→拆除現(xiàn)澆箱梁→破除橋墩→破除橋臺及附屬設(shè)施→渣土外運(yùn)→鑿除樁基→新橋樁基施工→抗浮板施工→承臺施工→地基加固→盾構(gòu)穿越→墩臺身施工→梁部施工。

表1 三種施工方案的比較與分析

3.1 舊橋拆除

舊橋拆除時采用人工拆除護(hù)欄，挖掘機(jī)配合破碎，拆除人行道及橋面鋪裝。梁體分幅拆除，利用平衡原理，從橋梁一端向另一端逐段鑿除即可，然后將地面以上樁柱鋸斷并清除，最后采用沖擊鉆鑿除全部盾構(gòu)范圍內(nèi)樁基，并用素黏土回填。

3.2 新橋還建

還建的中山橋擬采用三跨拱式變截面連續(xù)箱梁橋，跨度組合(28.6+40+28.6)m，寬40 m。主梁采用單箱多室拱式變高度預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁底曲線采用圓曲線。主梁根部梁高5.44 m，跨中梁高1.5 m。主墩采用雙薄壁鋼筋混凝土實體橋墩，墩頂與現(xiàn)澆箱梁固結(jié)，橫橋向設(shè)置2個橋墩，單個墩身寬度6.5 m，順橋向墩身寬度2×0.8 m，群樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m。邊墩墩頂與現(xiàn)澆箱梁固結(jié)，單個墩身寬度6.5 m，順橋向墩身寬度1.5 m，群樁基礎(chǔ)，樁徑1.6 m，見圖2。

圖2 中山橋還建方案

3.3 圍堰

為施工方便，中山橋拆除及抗上浮設(shè)施施工時擬在上下游約40.2 m處施作圍堰。因考慮施工安全和施工場地要求，圍堰頂高度設(shè)計為19.5 m，撫河上游水通過河道東側(cè)堤岸處預(yù)埋導(dǎo)流管排入下游。

圍堰結(jié)構(gòu)形式為導(dǎo)流管圍堰，根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，導(dǎo)流管設(shè)置于西側(cè)河堤下方，采用單排雙根直徑2 m混凝土管，可滿足撫河在汛期過水要求。導(dǎo)流管北側(cè)在距新橋承臺2 m位置拐點(diǎn)斜向撫河西岸，拐點(diǎn)處設(shè)置一檢查井。導(dǎo)流管接通后圍堰迎水側(cè)需設(shè)置鋼筋混凝土堰口，并采用 C20素混凝土做半包封處理，見圖3。

圖3 圍堰斷面(單位:m)

3.4 抗浮設(shè)計

盾構(gòu)穿越撫河區(qū)域時水位為17.5 m，水深約6.5 m。區(qū)間埋深較淺，最小覆土厚度僅2 m，故需設(shè)置抗浮體系。擬采用抗浮板，經(jīng)檢算，抗浮板尺寸為98 m×(23.3～24.6)m×0.5 m，抗浮板結(jié)構(gòu)采用C25鋼筋混凝土，板頂標(biāo)高為12.5 m?？拱螛恫捎瞄L12 m，直徑1 m的鉆孔灌注樁，按10 m間距布置。

因該段隧道處于撫河底，在進(jìn)行抗浮系數(shù)驗算時，假設(shè)隧道處于懸浮于水中的狀態(tài)。

1)盾構(gòu)機(jī)抗浮計算

盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量200 t，長7.78 m，每米質(zhì)量為25.71 t;上部土體每米有效壓重質(zhì)量(按2 m覆土計)為10 t;混凝土抗浮板每米有效壓重質(zhì)量為7.8 t;盾構(gòu)機(jī)每米上浮質(zhì)量30.7 t?？垢∠禂?shù)k=(25.71+10+7.8)/30.7=1.4＞1.1，即盾構(gòu)機(jī)抗浮穩(wěn)定。

2)隧道抗浮計算

上部土體及混凝土蓋板每米有效壓重質(zhì)量為10+7.8=17.8 t;每米襯砌質(zhì)量為16 t;隧道每米上浮質(zhì)量為30.7 t。

抗浮系數(shù)k=(17.8+16)/30.7=1.101＞1.1。

抗浮系數(shù)雖接近于1.1，但抗浮板下每隔10 m設(shè)置鉆孔灌注樁，可起抗拔作用，增加了穩(wěn)定性，所以可以認(rèn)為隧道抗浮是穩(wěn)定的。

3.5 土體加固

因盾構(gòu)通過撫河區(qū)域時隧道處于上軟下硬地層，為避免盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道上浮，在撫河內(nèi)盾構(gòu)隧道外擴(kuò)3 m范圍內(nèi)采用深層攪拌樁加固處理。攪拌樁按正三角形布置，樁徑0.5 m，樁間距0.5 m。固化劑強(qiáng)度等級為42.5級硅酸鹽水泥，水泥摻量不得小于加固土體質(zhì)量的20%，即每米樁長水泥排入量不得小于70.65 kg，水灰比1.0～0.55，樁體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.5 MPa。注漿鉆桿直徑500 mm，注漿壓力1.5～2.5 MPa，提升速度≤2 m/min，下沉速度≤ 1 m/min。

4 盾構(gòu)穿越

4.1 盾構(gòu)機(jī)選型

本段盾構(gòu)區(qū)間主要穿越強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖地層，部分區(qū)間穿越粗砂、礫砂地層。因此，盾構(gòu)應(yīng)同時具備開挖硬巖和在軟弱地層中掘進(jìn)的能力。由于地下水屬上層滯水、孔隙潛水、微承壓水，盾構(gòu)要具備良好的密封性能、合理實用的保壓泵渣功能、可靠的土壓平衡功能。另外，盾構(gòu)刀盤必須有足夠掘進(jìn)完單個區(qū)間全程的強(qiáng)度和耐磨性能，且盾構(gòu)機(jī)還要具備高精確度控制方向的能力，以保證線路方向的正確性。根據(jù)本工程地質(zhì)特點(diǎn)、工期及施工要求，結(jié)合國內(nèi)外類似工程盾構(gòu)的選型經(jīng)驗，選用2臺土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行盾構(gòu)區(qū)間工程施工。

4.2 掘進(jìn)模式的選擇

根據(jù)隧道洞身地質(zhì)情況、地上地下建筑物、周邊環(huán)境條件及其它相關(guān)因素，本標(biāo)段隧道擬采用兩種模式掘進(jìn)。軟弱地層段采用土壓平衡模式，全斷面泥質(zhì)砂巖、板巖、礫巖地層段采用半敞開式模式掘進(jìn)。在施工過程中時刻注意巖層變化情況，根據(jù)實際掘進(jìn)情況及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)模式。

4.3 盾構(gòu)掘進(jìn)方向的控制與調(diào)整

由于地層軟硬不均、坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)推進(jìn)不可能完全按照設(shè)計的隧道軸線前進(jìn)，而會產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)偏差超過限界時就會使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力產(chǎn)生不良影響，并造成地層損失增大而使地表沉降加大。因此，盾構(gòu)施工中需要采取合理措施保證隧道軸線的質(zhì)量。

首先，采用隧道自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測，同時采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向。其次，正確進(jìn)行管片選型，確保拼裝質(zhì)量與精度，以使管片端面盡可能與計劃的掘進(jìn)方向垂直。在掘進(jìn)中，及時掌握盾構(gòu)機(jī)的方向和位置，嚴(yán)格對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制，保證實際軸線同設(shè)計軸線的偏差量小于±50 mm的要求。當(dāng)達(dá)到警戒值30 mm時即實行糾偏程序，且糾偏時應(yīng)緩慢進(jìn)行，避免糾偏過度。糾編量控制在4 mm/環(huán)之內(nèi)，如修正過程過急，反而使蛇行更加明顯。

4.4 同步注漿

同步注漿配合比如表2所示，在施工中，根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化確定最合理的配合比。

表2 同步注漿材料配比和性能指標(biāo)

注漿壓力取0.3～0.5 MPa，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.8倍，則每環(huán)(1.2 m)注漿量為4.3～6.3 m3。同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配，按盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)的時間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，注漿量達(dá)到設(shè)計值的90%以上時，即可認(rèn)為達(dá)到了質(zhì)量要求。

4.5 二次注漿

在過風(fēng)險點(diǎn)時，若發(fā)現(xiàn)有注漿不足或管片與圍巖間的空隙充填密實性差，致使隧洞變形得不到有效控制，地面沉降得不到有效控制或管片襯砌出現(xiàn)滲漏水時，需要進(jìn)行二次注漿。施工時通過監(jiān)測信息的反饋，結(jié)合洞內(nèi)超聲波探測管片襯砌背后有無空洞等方法，綜合判斷是否需要進(jìn)行二次注漿。二次注漿采用自備的雙液注漿泵，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa，實際壓力根據(jù)計算及現(xiàn)場注漿效果最終確定。注漿量具體以壓力控制為主要原則，由現(xiàn)場試驗確定。同時，補(bǔ)強(qiáng)注漿應(yīng)先壓注可能存在較大空隙的一側(cè)。補(bǔ)強(qiáng)注漿一般情況下以壓力控制，達(dá)到設(shè)計注漿壓力則結(jié)束注漿，視注漿效果可再次進(jìn)行補(bǔ)注漿。

5 結(jié)論

盾構(gòu)在穿越橋梁、建筑物基礎(chǔ)等時，如有條件拆除重建往往優(yōu)于基礎(chǔ)托換或改線繞避等方法。而盾構(gòu)穿越河道時需要對河道進(jìn)行綜合處理，如圍堰防水、設(shè)置抗浮板甚至橋體內(nèi)深層攪拌樁加固。與此同時，還需優(yōu)選盾構(gòu)機(jī)型和掘進(jìn)模式，控制掘進(jìn)軸線，強(qiáng)化同步注漿和二次注漿，這樣才能確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。

［1］徐前衛(wèi)，朱合華，馬險峰，等．地鐵盾構(gòu)隧道穿越橋梁下方群樁基礎(chǔ)的托換與除樁技術(shù)研究［J］．巖土工程學(xué)報，2012，34(7):1217-1227．

［2］王偉，辛振省，彭加強(qiáng)．土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流施工技術(shù)研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(4):92-94．

［3］黃懷朋．復(fù)雜地質(zhì)條件下泥水盾構(gòu)過群樁施工技術(shù)研究［J］．鐵道工程學(xué)報，2012(5):63-68．

［4］劉勇，何振華，李忠．蘇州地鐵一號線盾構(gòu)區(qū)間通過橋樁的方案設(shè)計［J］．隧道建設(shè)，2007，27(3):51-55．

［5］俞濟(jì)濤．沿海城市軌道交通線路穿越跨河流橋梁處理方案分析［J］．鐵道工程學(xué)報，2007(6):52-55．

［6］鄭世興．盾構(gòu)法隧道穿越在用橋梁樁基礎(chǔ)施工技術(shù)［J］．地下空間與工程學(xué)報，2009，5(2):1620-1623．

［7］胡相鈺．盾構(gòu)下穿鐵路箱涵施工變形控制技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2013(2):38-42．

［8］叢恩偉．城市地鐵盾構(gòu)近距離穿越橋梁、河流綜合施工技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(11):93-96．

［9］胡雄玉．盾構(gòu)隧道穿越河道施工對橋梁基礎(chǔ)的影響分析［J］．鐵道建筑，2013(1):49-51．

［10］劉建海．盾構(gòu)隧道同步注漿效果對地層沉降的影響預(yù)測分析［J］．鐵道建筑，2010(3):46-48．

Key technical scheme of shield-driven tunnel through bridge and river

LI Minghua，ZHANG Juan

(School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

The construction is difficult and the risk is high when the shield-driven tunnels pass such obstacles as bridges and shallow rivers．The shield-driven tunnel of Zhongshanxilu Station to Zigulu Station in Nanchang Metro Line 1 under passes the Zhongshan Bridge above the Fu River and partial pile foundations of Zhongshan Bridge intrudes deep into shield range，which means it is necessary to study the corresponding scheme and technical measures for shield-driven tunnel passing the bridge pile foundation．By making contrast analysis of advantages and disadvantages of such three plans as breaking the old bridge and rebuilding a new one，changing the line to avoid and underpinning pile foundations，this paper took the plan of breaking old bridge and rebuilding a new one as the shielddriven tunnel construction plan．By taking the measures including breaking obstacles such as bridge pile foundation，constructing cofferdams to drain water within river courses，setting concrete board as anti-floating structure，applying deep mixing piles to reinforce soil and optimizing the shield machine and driving modes，the direction of driving was controlled and adjusted，which ensures the shield pass Fu River successfully by proper grouting protection．

Construction technology;River;Shield;Metro

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．16

1003-1995(2015)07-0054-04

2014-09-24;

2015-04-23

李明華(1963— )，男，湖南常德人，教授。

(責(zé)任審編 趙其文)