盾构法施工在富水砂层条件下穿越城市重要桥梁的风险监控

2016-08-11姚德峰

大科技 2016年5期

关键词：立交桥主桥砂层

姚德峰

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司北京 100101）

盾构法施工在富水砂层条件下穿越城市重要桥梁的风险监控

姚德峰

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司北京 100101）

郑州市轨道交通2号线一期工程国基路站～北环路站区间采用盾构法施工，在富水砂层条件下下穿北环立交桥主桥、3号桥、4号桥。北环立交桥主桥评定为C级，3号桥和4号桥评定为D级，下穿存在较大风险。现场对北环立交桥采用支顶、注浆加固手段，盾构施工中采用高分子聚合物、惰性浆液等手段，风险监控中采用桥梁、管线、地表沉降等监测手段，结合每天的现场巡查工作，及时反馈建设、施工、监理、设计等单位，施工单位结合监测数据及时调整盾构掘进参数，最终顺利完成了下穿施工。

盾构，富水砂层；高分子聚合物；惰性浆液；监测

1 概述

郑州市轨道交通2号线一期工程国基路站～北环路站区间采用盾构法施工，线路从国基路站出发，沿花园路向南下穿北环立交之后到达北环路站。右线长1458m，左线长1457m，隧道覆土厚度为8.9～18.4m，地下水位埋深约5.3m，掘进地层主要为④3细砂、④2粉砂。

评估单位参考《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003），对北环立交桥主桥评定为C级（合格状态，专项检测后应进行保养或小修），3号桥和4号桥评定为D级（不合格，专项检测后应进行中修或大修）[1]，盾构左、右线下穿北环立交桥存在较大的风险。

图1 国基路站～北环路站盾构区间平面示意图

2 风险来源

2.1 工程自身风险

盾构隧道掘进地层主要为④3细砂、④2粉砂，地下水位埋深约5.3m，盾构在富水砂层中掘进，对孔隙水压力平衡的破坏引起周围孔隙水压力的下降，在富水砂层中压力下降及松动的传递效应更明显[2]，从而导致地层沉降反应速度较快，因此对沉降的控制有一定难度。

2.2 周边环境风险

北环立交桥主桥、3号桥、4号桥（一级风险工程）：

①北环立交主桥为梁式桥，跨径28m，墩台基础形式为柱式墩条形基础，东部墩台底部采用d=350混凝土桩进行地基处理；西部墩台底部采用d=350碎石桩进行地基处理，桩长均为4.5m。隧道拱顶距北环立交桥主桥基底仅约9.8m。

②3号桥为整体简支板桥，单跨12.4m，墩台基础形式为板式橡胶支座，钢混悬挂臂桥台，墩台底部采用1000mm×1000mm等边三角形石灰碎石挤密扩底桩进行地基处理，桩长4.5m。隧道拱顶距北环立交3号桥基底仅约5.74m。

③4号桥为整体简支板桥，单跨12.4m，墩台基础形式为板式橡胶支座，钢混悬挂臂桥台，墩台底部采用1000mm×1000mm等边三角形石灰碎石挤密扩底桩进行地基处理，桩长4.5m。隧道拱顶距北环立交4号桥基底约10.37m。

北环立交桥于1993年投入使用，设计使用年限为15年，至2015年已超出使用年限7年。评估单位参考《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）对北环立交桥主桥评定为C级（合格状态，应进行专项检测后保养、小修），3号桥和4号桥评定为D级（不合格，应检测后进行中修或大修工程）。

表1 Ⅱ-V类城市桥梁完好状态分级表

3 风险控制措施

3.1 盾构自身措施

（1）渣土改良：采用高分子聚合物（刀盘前方注入后使掌子面地层更稳定）[3]、钠基膨润土（325目）、康达特泡沫等材料进行渣土改良，通过反复试验，每环注入量达到10方时渣土改良效果较好，刀盘扭矩不到3500kN·m。

（2）土仓压力及出土量：土仓压力应能与地层土压力和静水压力平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，则P=P0·K，K一般取1.0～1.3。掘进过程中，土仓压力可根据取得的经验参数，结合盾构所在位置的埋深、地层情况和地表沉降监测结果进行调整和控制[4]。

前期推进过程中上土压力一般取1.2bar，施工单位根据监测数据做出调整，将上土压力调整为1.6bar，同时严格控制出土量，每环在56方左右（郑州地区所用管片长1.5m）。

（3）同步注浆：为保证同步注浆浆液能迅速、充分的充填盾尾空隙，浆液需要有优越的充填性，良好的和易性且离析少，不容易堵管，有合适的稠度，不被地下水稀释[5]。前期施工过程中，同步注浆采用水泥单液浆，管片安装过程及其他原因停止注浆后容易出现堵管现象。施工单位调整后采用惰性浆液，用材简单、价格便宜、不容易堵管、和易性好、充填密实效果好[6]。

惰性浆液一般由熟（生）石灰、粉煤灰、膨润土、砂和水等组成，使用惰性浆液进行同步注浆减少了堵管情况的发生，降低了成本，起到了良好的填充空隙作用。惰性浆液中粉煤灰是主要成分之一，粒径细小，外观呈圆形，在浆料中起滚珠轴承的效应，有助于流动，它在熟石灰的激发下发生火山灰反应，形成水化硅酸钙，从而使浆液具有一定的强度。

后期施工中，施工单位适当增加了同步注浆压力（3bar左右），同步注浆量控制在6方左右。

（4）盾尾密封环、二次补浆工序常态化：

为保证盾尾密封效果和减小同步注浆浆液的流失，施工单位采用聚氨酯，每10环做一道封闭环。采用冲击钻将管片吊装孔钻通，安装注浆球阀，用挤压泵注入60倍发泡率聚氨酯，注入后关闭球阀，待盾构机通过12h后拆除球阀，采用环氧砂浆封堵管片吊装孔。

为减小盾构通过后的后期沉降，进一步对地层进行填充，从盾尾后5环开始进行二次注浆，采用水泥单液浆进行二次补浆，注浆量和注浆压力双控。

（5）其它措施：下穿风险源前加强设备维修，进行刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备的检修，确保穿越过程中设备无故障。

制定应急预案，积极与产权单位协调，出现异常立即启动应急预案处理。

下穿风险源时适当放慢掘进速度，匀速穿越，并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配；盾构调整到良好姿态，减少盾构纠偏过程中带来的超挖；安排熟练工人进行拼装，减少拼装时间，缩短盾构停机的时间。

3.2 北环立交桥主桥、3号桥、4号桥加固措施

（1）北环立交桥3号桥、4号桥支顶加固：盾构下穿北环立交桥3号桥、4号桥时拟采用钢围檩+钢支撑+千斤顶+工字钢对桥面进行支顶加固。在桥下沿通道方向设置长30m，宽0.7m，高0.5m的钢围檩基础，在基础上方设置钢管支撑，间距3m，高度1.2m，在钢管上方设置50t机械式千斤顶，千斤顶上部设置200工字钢。

（2）北环立交桥主桥注浆及支顶加固：

①注浆加固：采用钢花管进行注浆加固，梅花形布置，间距0.8m× 0.8m，优先采用超细水泥浆。

②支顶加固：在北环立交桥主桥下沿隧道掘进方向，东西两侧桥墩内侧设置长29m，宽1.2m，高1m的C40钢筋混凝土基础，在基础上方每间距2m设置一根竖向的钢支撑，高3.3m，在钢管上方设置千斤顶，千斤顶上部设置200工字钢；中间桥墩的两侧设长23m，宽1.2m，高1m的C40钢筋混凝土基础，在基础上方设置高0.5m，宽0.7m的钢围檩横跨于基础上方，在钢围檩上方设置竖向钢支撑，钢管高度2.67m，在钢支撑上方设置2个50t千斤顶，千斤顶上方设置厚钢板。

4 风险监控

4.1 监控量测目的

（1）在土建施工过程中对隧道周边环境和工程自身关键部位实施独立、公正的监测，基本掌握周边环境、围护结构体系和周边土体的动态，为业主、监理、设计、施工单位提供参考依据。

（2）为建设单位对轨道交通工程风险管理提供支持，通过现场安全监测、巡查和安全状态预警，全面掌握施工安全控制程度，对施工过程实施全面监控和有效控制。

（3）监测方作为独立一方，其监测数据和分析资料可作为处理风险和工程安全事故的重要参考依据。

（4）积累资料和经验，为今后同类工程设计、施工提供类比依据。

4.2 监测工作要求

《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）于2014年5月1日正式实施，填补了城市轨道交通工程中关于监测要求的空白。

现场采取建筑物、桥梁、管线沉降及差异沉降，地表沉降，管片沉降和收敛，地下水位监测等手段，结合现场巡查手段，及时反馈各相关单位。

4.3 风险监控过程及变形规律

（1）盾构右线、左线依次下穿北环立交桥4号桥、主桥、3号桥：施工单位对盾构机进行充分调试，经常进行检查，确保下穿过程中盾构机自身不出现故障。通过试验段的调整，已摸索了相对合理的盾构掘进参数，鉴于盾构施工应尽量保持匀速掘进，不宜停机，主管单位决定正式开始下穿（如图2～4）。

图2 国基路站～北环路站区间北环立交桥4号桥沉降测点时程曲线图

由曲线图可以看出，盾尾通过后产生的阶段沉降最大，且需5d左右才能有趋于稳定的趋势，因此施工单位决定二次补浆工序常态化。盾构右线通过时，右线中心线的测点沉降最大，对盾构左线测点也有一定影响，盾构左线通过时，对盾构右线的测点也有一定影响。从通过到稳定，北环立交桥4号桥、主桥、3号桥的累计沉降最大值分别为-16.5mm、-25.5mm、-39.3mm。

三座桥的情况：主桥东部墩台底部采用d=350混凝土桩、西部墩台底部采用d=350碎石桩进行地基处理，桩长均为4.5m。隧道拱顶距北环立交主桥基底仅约9.8m。3号桥墩台底部采用1000mm×1000mm等边三角形石灰碎石挤密扩底桩进行地基处理，桩长4.5m。隧道拱顶距北环立交3号桥基底仅约5.74m。4号桥墩台底部采用1000mm×1000mm等边三角形石灰碎石挤密扩底桩进行地基处理，桩长4.5m。隧道拱顶距北环立交4号桥基底约10.37m。

结合桥的沉降情况和监测数据可以看出，隧道顶距离桥基底的距离越大，沉降越小，距离越小，沉降越大。