地铁复合土压盾构穿越高架桥施工技术

曹震

上海城建市政工程（集团）有限公司 上海 200065

摘要：本文基于福州地铁4号线陆庄站-祭酒岭站盾构区间隧道工程，分析了盾构穿越高架施工的难点，针对设备选型、参数控制、辅助技术方面提出了应对措施。最后通过具体措施的实施及施工监测，结果表明：提出的措施能有效地降低土压盾构穿越对高架影响，既对现实工程具有积极的指导意义，对后续类似工程施工也具有重要的借鉴作用。

关键词：复合盾构；高架；穿越；施工技术

The Technologyof crossing through existing viaduct

during Shield Tunneling Construction

(CaoZhenShanghai Tunnel Engineering Construction Co. Ltd, Shanghai 200023, China)

Abstract:This paper based on the construction of Fuzhou Subway Tunnel Line 4 which crossed through existing high strength pile foundationof Luzhuang Viaduct. The countermeasures from lectotype and reform of equipments and pressure grouting and construction technique were presented. According to the implementation of specific measures, it was proved that the proposed measures can effectively solve the construction difficulties. It has not only active significance in practical engineering, but also an important reference to the similar engineering construction.

Key words: shield tunneling; crossing viaduct;construction technology

1 引言

随着地铁建设如火如荼地开展，在地铁盾构施工中穿越各类桥梁桩基的情况也越来越多。目前针对盾构穿越施工对桩基的影响也有一些研究^[1-5]；但对于实际工程的经验总结分析较少。因此，本文结合福州地铁4号线复合盾构穿越陆庄高架的工程实例，分析了穿越施工的难点，提出并实施了针对性的盾构选型方案、参数控制和辅助措施，并通过实践证明了选型方案、参数控制和辅助措施有效、可靠，且对高架桥影响很小，不仅对现实工程具有积极的指导意义，而且对后续类似工程施工也具有重要的借鉴作用。

2 工程概况

福州地铁4号线隧道采用Ф6510mm复合土压平衡盾构掘进，隧道外径6.2m、内径5.5m。双线盾构从陆庄站始发约20m，先后穿越陆庄高架桥，穿越长度约10m，历时2天；左线穿越段为16环至26环，右线穿越段为27环至36环，该两段隧道平轴线均为直线，竖轴线均为R3000的曲线；两侧桩基与双线隧道边线水平净距分别为4.37m~9.65m，如下图所示。

图1：隧道与高架平面关系图

图2：隧道与高架断面关系图

1）高架桩基

陆庄高架桥采用桩接承台的基础形式，每个承台连接4根Φ1200钻孔灌注桩，桩长45m。

图3：陆庄高架桥梁4#、5#桩基结构图

2）地质情况

穿越段主要涉及2-4-1淤泥和3-1-1粉质粘土；2-4-1淤泥，深灰色，流塑，饱和，以粘粒为主，含腐植质、有机质，部分夹少量薄层粉细砂或混有少量砂，有腥臭味，无摇振反应，有光泽，捻面光滑，干强度及韧性低；3-1-1粉质粘土，灰绿、灰黄色等色，可塑~硬塑，饱和，含高岭土、氧化铁等，捻面较光滑，光泽反应有光泽，无摇振反应，干强度与韧性中等，粘性较好，部分粉粒含量较高，土质不均，局部含少量中细砂或粗砂。如下图所示。

图4：陆庄高架右、左线穿越段软土层示意图

3）穿越段施工难点

（1）地铁复合土压盾构刀盘切削土体，对土体扰动将影响桩基变形；

（2）盾构土压超、欠挖，也将对桩基变形产生影响；

（3）盾构开挖直径与成型隧道间隙达15.5cm，盾尾间隙的填充情况也是影响桩基变形的重要因素。

3穿越施工关键技术

3.1 设备选型

3.1.1 盾构刀盘

刀盘采用六辐条结构，在保证整体结构强度的前提下，调整刀盘设计，提高刀盘开口率至33%，增加中心开口，减少结泥饼的风险，减小刀盘对土体的施工扰动，如下图所示。

图5：刀盘开口情况图

通过对刀盘设计模型进行有限元分析，计算刀盘强度及刚度以满足穿越施工要求。如下图所示。

图6：数值分析结果图

3.1.2 刀具布置

刀盘使用宽合金刀具，刀具宽度 250mm，保证在有大冲击的情况下刀具合金刃口不易脱落，在保证有效切削轨迹为的同时，减少了刀具的数量。其中，刮刀32把和圆弧刮刀12把，均采用 3 排高强度螺栓连接设计，保证连接的可靠性。同时，共布置滚刀44刃，轨迹线间距为70mm~90mm，并通过滚刀布置的仿真计算，优化每个滚刀的位置，让每把滚刀达到最好的工作效率，避免偏磨。如下图所示。

图7：盾构刀盘刀具布置图

3.1.3超前注浆系统

盾构配置了12个超前钻孔。G9 至 G12 为正面孔，G1 至 G8 为周边孔，如下图所示。并在盾构壳体前盾和中盾分别设置12个径向注浆孔。

图8：周边注浆孔分布、纵剖示意图

在盾构穿越高架前或者在盾构穿越高架过程中，如过发现桩基有异常沉降，可采取超前二次注浆措施，稳定桩基。

3.1.4土体改良系统

盾构配置有泡沫、膨润土、高分子，共3套加注系统，并在刀盘正面设置5路单管单泵的加注孔，以满足对不同土渣的改良，增加土渣的流动性；同时土仓中心配冲洗装置，冲洗孔布置在刀盘驱动中心和牛腿上，防止土仓结泥饼；从而减小刀盘对土体的扰动。

表1：系统参数表

项目	参数
泡沫加注	5×30L/min
膨润土	2×350L/min
高分子	2×210L/min

3.1.5同步注浆

同步注浆采用四用四备，内包浆管。同步注浆点位分布见下图。

图9：同步注浆点位分布图

盾构推进同步注浆采用惰性砂浆，配置2台施维英泵，每台流量为12m³/h，保证及时填充盾尾间隙，减少地层损失，从而减小桩基变形。

3.1.6慢速推进系统

该系统可保证盾构穿越高架时以2～5mm/min匀速掘进，确保盾构切削顺利，同时减少对地层的扰动。

图10：慢速推进系统图

3.1.7二次注浆系统

车架配置二次注浆系统，保证盾构穿越后，能及时进行二次补压浆，从而减小桩基变形。

3.2盾构推进参数控制

（1）设置合适土压力

盾构穿越高架前，设试验段，对土压力设定值进行摸索；穿越期间，需严格控制正面土压力，使土压力监测值波动不能太大，并保证切口有3mm~5mm的轻微隆起；且根据监测信息对土压力作及时微调。

（2）控制出土量

穿越高架前，先通过现场试验估算土体松散系数，对理论出土量进行推算，并据此严格控制出土量不超过理论出土量的98%。

（3）控制盾构推进速度

降低盾构掘进速度并增加刀盘转速，依据施工监测情况进行调节，匀速推进，减小盾构推进过程中对侧边土体的剪切挤压作用。采用慢速推进系统，速度控制在5mm/min。

（4）控制盾构姿态

盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。每环检查管片的超前量，隧道轴线和盾构轴线折角变化不能超过0.4％。推进时不急纠、不猛纠。

（5）控制注浆量

穿越高架前，摸索同步浆量与后期沉降的关系，确定合适的注浆量；穿越时，加强浆液质量的检验，注浆量控制在理论间隙的120%左右；并根据监测数据及时进行调整。

3.3 辅助技术措施

（1）土体改良

穿越高架段期间，盾构推进时在刀盘正面加注泡沫，以增加土体流塑性，便于更好控制正面平衡压力，泡沫剂浓度宜控制在3%，发泡倍率宜控制在10倍。

（2）壁后二次注浆

在脱出盾尾后，根据桩基监测数据及时进行壁后二次补压浆，采用注浆量和注浆压力双控制，注浆压力不大于0.5Mpa；注浆横向范围为隧道周边2m。

（3）沉降监测

对高架相关监测点实施加密布置和量测。在盾构穿越期间每隔四小时进行跟踪测量。当高架监测数据出现异常时，应暂停施工，分析并制定相应的针对性措施。

4施工效果

通过上述措施的实施，双线盾构顺利完成了穿越施工。穿越期间土压力、刀盘扭矩、盾构推力和推进速度平稳；陆庄高架桩基无异常，桩基累计沉降控制在±2.5mm以内，桥梁差异沉降控制良好，在±2mm以内，如下图所示。

图11：左线穿越陆庄高架沉降曲线图

图12：右线穿越陆庄高架沉降曲线图

图13：穿越高架期间桥梁差异沉降曲线图

5结论

通过研究，得到如下结论：

（1）在盾构穿越高架施工中，设备选型、参数控制、辅助技术措施三方面应一并重视，缺一不可。

（2）穿越施工前，特别需要设置试验段，对土压力、注浆量等施工参数的摸索，对穿越施工的参数设定提供指导。

（3）通过实践施工，验证了本次穿越高架施工措施有效、可行，表明本次施工对策研究对指导施工十分必要，具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 朱学银.大直径平衡盾构近距离穿越轨交高架桩基施工技术[J].中国市政工程, 2014, 6:41-43.

[2] 曾昭发,刘四新,冯癶.地质雷达原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3] 李素贞,李塔,张海佳.盾构穿越对高架桥桩基的影响分析[J].公路, 2017, 10:283-287.

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[5]李新星,杨志豪. 盾构近距离穿越高架桩基的施工影响与保护措施[J]. 岩土力学, 2015, 36(增1):537-541.