姚德峰

（北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 北京 100101）

盾構(gòu)法施工在富水砂層條件下穿越城市重要橋梁的風(fēng)險監(jiān)控

姚德峰

（北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 北京 100101）

鄭州市軌道交通2號線一期工程國基路站～北環(huán)路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，在富水砂層條件下下穿北環(huán)立交橋主橋、3號橋、4號橋。北環(huán)立交橋主橋評定為C級，3號橋和4號橋評定為D級，下穿存在較大風(fēng)險?，F(xiàn)場對北環(huán)立交橋采用支頂、注漿加固手段，盾構(gòu)施工中采用高分子聚合物、惰性漿液等手段，風(fēng)險監(jiān)控中采用橋梁、管線、地表沉降等監(jiān)測手段，結(jié)合每天的現(xiàn)場巡查工作，及時反饋建設(shè)、施工、監(jiān)理、設(shè)計等單位，施工單位結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，最終順利完成了下穿施工。

盾構(gòu)，富水砂層；高分子聚合物；惰性漿液；監(jiān)測

1 概述

鄭州市軌道交通2號線一期工程國基路站～北環(huán)路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線路從國基路站出發(fā)，沿花園路向南下穿北環(huán)立交之后到達北環(huán)路站。右線長1458m，左線長1457m，隧道覆土厚度為8.9～18.4m，地下水位埋深約5.3m，掘進地層主要為④3細砂、④2粉砂。

評估單位參考《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003），對北環(huán)立交橋主橋評定為C級（合格狀態(tài)，專項檢測后應(yīng)進行保養(yǎng)或小修），3號橋和4號橋評定為D級（不合格，專項檢測后應(yīng)進行中修或大修）[1]，盾構(gòu)左、右線下穿北環(huán)立交橋存在較大的風(fēng)險。

圖1 國基路站～北環(huán)路站盾構(gòu)區(qū)間平面示意圖

2 風(fēng)險來源

2.1 工程自身風(fēng)險

盾構(gòu)隧道掘進地層主要為④3細砂、④2粉砂，地下水位埋深約5.3m，盾構(gòu)在富水砂層中掘進，對孔隙水壓力平衡的破壞引起周圍孔隙水壓力的下降，在富水砂層中壓力下降及松動的傳遞效應(yīng)更明顯[2]，從而導(dǎo)致地層沉降反應(yīng)速度較快，因此對沉降的控制有一定難度。

2.2 周邊環(huán)境風(fēng)險

北環(huán)立交橋主橋、3號橋、4號橋（一級風(fēng)險工程）：

①北環(huán)立交主橋為梁式橋，跨徑28m，墩臺基礎(chǔ)形式為柱式墩條形基礎(chǔ)，東部墩臺底部采用d=350混凝土樁進行地基處理；西部墩臺底部采用d=350碎石樁進行地基處理，樁長均為4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交橋主橋基底僅約9.8m。

②3號橋為整體簡支板橋，單跨12.4m，墩臺基礎(chǔ)形式為板式橡膠支座，鋼混懸掛臂橋臺，墩臺底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴底樁進行地基處理，樁長4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交3號橋基底僅約5.74m。

③4號橋為整體簡支板橋，單跨12.4m，墩臺基礎(chǔ)形式為板式橡膠支座，鋼混懸掛臂橋臺，墩臺底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴底樁進行地基處理，樁長4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交4號橋基底約10.37m。

北環(huán)立交橋于1993年投入使用，設(shè)計使用年限為15年，至2015年已超出使用年限7年。評估單位參考《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）對北環(huán)立交橋主橋評定為C級（合格狀態(tài)，應(yīng)進行專項檢測后保養(yǎng)、小修），3號橋和4號橋評定為D級（不合格，應(yīng)檢測后進行中修或大修工程）。

表1 Ⅱ-V類城市橋梁完好狀態(tài)分級表

3 風(fēng)險控制措施

3.1 盾構(gòu)自身措施

（1）渣土改良：采用高分子聚合物（刀盤前方注入后使掌子面地層更穩(wěn)定）[3]、鈉基膨潤土（325目）、康達特泡沫等材料進行渣土改良，通過反復(fù)試驗，每環(huán)注入量達到10方時渣土改良效果較好，刀盤扭矩不到3500kN·m。

（2）土倉壓力及出土量：土倉壓力應(yīng)能與地層土壓力和靜水壓力平衡，設(shè)刀盤中心地層靜水壓力、土壓力之和為P0，則P=P0·K，K一般取1.0～1.3。掘進過程中，土倉壓力可根據(jù)取得的經(jīng)驗參數(shù)，結(jié)合盾構(gòu)所在位置的埋深、地層情況和地表沉降監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整和控制[4]。

前期推進過程中上土壓力一般取1.2bar，施工單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做出調(diào)整，將上土壓力調(diào)整為1.6bar，同時嚴格控制出土量，每環(huán)在56方左右（鄭州地區(qū)所用管片長1.5m）。

（3）同步注漿：為保證同步注漿漿液能迅速、充分的充填盾尾空隙，漿液需要有優(yōu)越的充填性，良好的和易性且離析少，不容易堵管，有合適的稠度，不被地下水稀釋[5]。前期施工過程中，同步注漿采用水泥單液漿，管片安裝過程及其他原因停止注漿后容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。施工單位調(diào)整后采用惰性漿液，用材簡單、價格便宜、不容易堵管、和易性好、充填密實效果好[6]。

惰性漿液一般由熟（生）石灰、粉煤灰、膨潤土、砂和水等組成，使用惰性漿液進行同步注漿減少了堵管情況的發(fā)生，降低了成本，起到了良好的填充空隙作用。惰性漿液中粉煤灰是主要成分之一，粒徑細小，外觀呈圓形，在漿料中起滾珠軸承的效應(yīng)，有助于流動，它在熟石灰的激發(fā)下發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成水化硅酸鈣，從而使?jié){液具有一定的強度。

后期施工中，施工單位適當(dāng)增加了同步注漿壓力（3bar左右），同步注漿量控制在6方左右。

（4）盾尾密封環(huán)、二次補漿工序常態(tài)化：

為保證盾尾密封效果和減小同步注漿漿液的流失，施工單位采用聚氨酯，每10環(huán)做一道封閉環(huán)。采用沖擊鉆將管片吊裝孔鉆通，安裝注漿球閥，用擠壓泵注入60倍發(fā)泡率聚氨酯，注入后關(guān)閉球閥，待盾構(gòu)機通過12h后拆除球閥，采用環(huán)氧砂漿封堵管片吊裝孔。

為減小盾構(gòu)通過后的后期沉降，進一步對地層進行填充，從盾尾后5環(huán)開始進行二次注漿，采用水泥單液漿進行二次補漿，注漿量和注漿壓力雙控。

（5）其它措施：下穿風(fēng)險源前加強設(shè)備維修，進行刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備的檢修，確保穿越過程中設(shè)備無故障。

制定應(yīng)急預(yù)案，積極與產(chǎn)權(quán)單位協(xié)調(diào)，出現(xiàn)異常立即啟動應(yīng)急預(yù)案處理。

下穿風(fēng)險源時適當(dāng)放慢掘進速度，勻速穿越，并保持推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、出土速度和注漿速度相匹配；盾構(gòu)調(diào)整到良好姿態(tài)，減少盾構(gòu)糾偏過程中帶來的超挖；安排熟練工人進行拼裝，減少拼裝時間，縮短盾構(gòu)停機的時間。

3.2 北環(huán)立交橋主橋、3號橋、4號橋加固措施

（1）北環(huán)立交橋3號橋、4號橋支頂加固：盾構(gòu)下穿北環(huán)立交橋3號橋、4號橋時擬采用鋼圍檁+鋼支撐+千斤頂+工字鋼對橋面進行支頂加固。在橋下沿通道方向設(shè)置長30m，寬0.7m，高0.5m的鋼圍檁基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方設(shè)置鋼管支撐，間距3m，高度1.2m，在鋼管上方設(shè)置50t機械式千斤頂，千斤頂上部設(shè)置200工字鋼。

（2）北環(huán)立交橋主橋注漿及支頂加固：

①注漿加固：采用鋼花管進行注漿加固，梅花形布置，間距0.8m× 0.8m，優(yōu)先采用超細水泥漿。

②支頂加固：在北環(huán)立交橋主橋下沿隧道掘進方向，東西兩側(cè)橋墩內(nèi)側(cè)設(shè)置長29m，寬1.2m，高1m的C40鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方每間距2m設(shè)置一根豎向的鋼支撐，高3.3m，在鋼管上方設(shè)置千斤頂，千斤頂上部設(shè)置200工字鋼；中間橋墩的兩側(cè)設(shè)長23m，寬1.2m，高1m的C40鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上方設(shè)置高0.5m，寬0.7m的鋼圍檁橫跨于基礎(chǔ)上方，在鋼圍檁上方設(shè)置豎向鋼支撐，鋼管高度2.67m，在鋼支撐上方設(shè)置2個50t千斤頂，千斤頂上方設(shè)置厚鋼板。

4 風(fēng)險監(jiān)控

4.1 監(jiān)控量測目的

（1）在土建施工過程中對隧道周邊環(huán)境和工程自身關(guān)鍵部位實施獨立、公正的監(jiān)測，基本掌握周邊環(huán)境、圍護結(jié)構(gòu)體系和周邊土體的動態(tài)，為業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工單位提供參考依據(jù)。

（2）為建設(shè)單位對軌道交通工程風(fēng)險管理提供支持，通過現(xiàn)場安全監(jiān)測、巡查和安全狀態(tài)預(yù)警，全面掌握施工安全控制程度，對施工過程實施全面監(jiān)控和有效控制。

（3）監(jiān)測方作為獨立一方，其監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析資料可作為處理風(fēng)險和工程安全事故的重要參考依據(jù)。

（4）積累資料和經(jīng)驗，為今后同類工程設(shè)計、施工提供類比依據(jù)。

4.2 監(jiān)測工作要求

《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）于2014年5月1日正式實施，填補了城市軌道交通工程中關(guān)于監(jiān)測要求的空白。

現(xiàn)場采取建筑物、橋梁、管線沉降及差異沉降，地表沉降，管片沉降和收斂，地下水位監(jiān)測等手段，結(jié)合現(xiàn)場巡查手段，及時反饋各相關(guān)單位。

4.3 風(fēng)險監(jiān)控過程及變形規(guī)律

（1）盾構(gòu)右線、左線依次下穿北環(huán)立交橋4號橋、主橋、3號橋：施工單位對盾構(gòu)機進行充分調(diào)試，經(jīng)常進行檢查，確保下穿過程中盾構(gòu)機自身不出現(xiàn)故障。通過試驗段的調(diào)整，已摸索了相對合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)，鑒于盾構(gòu)施工應(yīng)盡量保持勻速掘進，不宜停機，主管單位決定正式開始下穿（如圖2～4）。

圖2 國基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋4號橋沉降測點時程曲線圖

由曲線圖可以看出，盾尾通過后產(chǎn)生的階段沉降最大，且需5d左右才能有趨于穩(wěn)定的趨勢，因此施工單位決定二次補漿工序常態(tài)化。盾構(gòu)右線通過時，右線中心線的測點沉降最大，對盾構(gòu)左線測點也有一定影響，盾構(gòu)左線通過時，對盾構(gòu)右線的測點也有一定影響。從通過到穩(wěn)定，北環(huán)立交橋4號橋、主橋、3號橋的累計沉降最大值分別為-16.5mm、-25.5mm、-39.3mm。

三座橋的情況：主橋東部墩臺底部采用d=350混凝土樁、西部墩臺底部采用d=350碎石樁進行地基處理，樁長均為4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交主橋基底僅約9.8m。3號橋墩臺底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴底樁進行地基處理，樁長4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交3號橋基底僅約5.74m。4號橋墩臺底部采用1000mm×1000mm等邊三角形石灰碎石擠密擴底樁進行地基處理，樁長4.5m。隧道拱頂距北環(huán)立交4號橋基底約10.37m。

結(jié)合橋的沉降情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，隧道頂距離橋基底的距離越大，沉降越小，距離越小，沉降越大。

圖3 國基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋主橋沉降測點時程曲線圖

圖4 國基路站～北環(huán)路站區(qū)間北環(huán)立交橋3號橋沉降測點時程曲線圖

5 結(jié)束語

（1）富水砂層中的盾構(gòu)施工采用高分子聚合物、惰性漿液、聚氨酯密封環(huán)等手段，對控制變形有一定的作用。

（2）結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隧道頂距離橋基底距離越大，沉降越小，因此在有條件情況下適當(dāng)增大隧道埋深以增加隧道頂距離橋基底的距離，如無條件，建議對橋基礎(chǔ)進行地面注漿加固。

（3）本工程在沉降監(jiān)測測點布設(shè)方法上嚴格按《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）新規(guī)范要求，真實、及時的反饋了重大風(fēng)險的變形情況，為施工單位調(diào)整措施提供了堅實的基礎(chǔ)。

[1]《城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（CJJ99-2003）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]李義華，龐征.富水砂層土壓盾構(gòu)掘進地表沉降控制技術(shù)[J].建筑機械化，2013（12）：60～62.

[3]寧士亮.富水砂層盾構(gòu)渣土改良技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（3）：86～90.

[4]陳敬紅，張愛軍.富水砂層中盾構(gòu)下穿建筑物施工技術(shù)[J].北方交通，2013（6）：111～113.

[5]張海濤.盾構(gòu)同步注漿材料試驗研究[J].鐵道勘測與設(shè)計，2009（4）：68～72.

[6]趙書銀.盾構(gòu)隧道惰性漿液同步注漿技術(shù)應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2003（12）：20～22.

[7]《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2013.

U455.43

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1004-7344（2016）05-0163-02

2016-2-5