浅覆土大粒径富水砂卵石地层下穿跨河桥梁基础技术研究

2021-04-10

工程技术研究 2021年4期

中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300000

1 工程概况

（1）工程简介。成都轨道交通10号线二期工程土建5标区间隧道采用1台直径6.28m土压平衡盾构法施工，盾构掘进左线完成接收，转场后从右线始发，最终从右线接收井吊出。盾构始发后40m在DK37+185～K37+205段下穿电厂河桥，现电厂河桥为加宽改造桥梁，原桥为1m×20m板桥，位于京昆线主干道，车辆通行频繁，交通流量巨大。桥面宽20m，建成于1999年，2014在既有桥两侧各加宽10m，用于设置人行道及部分非机动车道，加宽桥梁上部结构采用1m×20m预应力砼简支板，下部结构采用桩接盖梁桥台。

（2）工程地质情况。此段上部为人工填土，其下依次为粉质黏土、砂卵石。隧道洞身主要位于<2-5-2>稍密卵石、<2-5-3>中密卵石，地层稳定性较好，岩性较为单一，稳定性整体较好。

2 施工的重难点分析

（1）浅覆土大粒径富水砂卵石地层掘进。该隧道工程盾构掘进穿越电厂河桥埋深浅，最小净距为5.5m，砂卵石地层，土的粒径大小不一，最大粒径为60cm，砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间空隙大，没有黏聚力，砂卵石地层在无水状态下掘进时，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，刀盘磨损大，刀盘扭矩大，同时很容易破坏原来相对较稳定的平衡状态。砂卵石地层在富水状态下掘进时，水流会带走沙土等细颗粒，造成水土流失，进而造成渣土改良困难及地面沉降。这样盾构掘进时，很容易出现刀盘扭矩过大，刀盘前方土体出现空洞，螺旋输送机产生喷涌，引起掌子面坍塌，导致地面沉降[1]。为此，必须采用一定的措施使盾构推进时达到堵水、减磨、降扭及保压的效果。

（2）桥梁基础侵入盾构隧道。根据地勘资料及现场钻心取样抗压试验结果显示，桥台基础混凝土等级为C15，并且桥梁基础侵入盾构隧道左线约2.2m、右线约2.2m，桩基长度约27m，刀盘旋转切削桩体时，扰动过大，容易造成桩体发生位移、倾斜、沉降，从而发生桥面行车安全事故。

3 主要技术措施

为最大限度地减小施工对电厂河桥的影响，应在施工前优化施工方案，选择合理的掘进方法，在盾构施工时，采取变形监控与桥面车辆运行联动的综合控制措施来保证盾构顺利通过电厂河桥[2]。

3.1 河底防冲刷及河桥导流

（1）工艺流程。场地清理→测量放样→拆除电厂河桥上部分栏杆→砂袋准备→施工砂袋下垫塑料薄膜围堰→清理河底淤泥→挡水墙钢筋绑扎→支模→浇筑C25素混凝土对河底进行硬化处理→安装Φ800mm导流管→浇筑挡水墙→加固导流管→混凝土养护→清理场地。

（2）材料准备。编织袋、模板、2m木桩、Φ800mm波纹管、脚手架、木模板、防汛砂袋、塑料薄膜、施工用砂及碎石。

（3）电厂河水导流处理。电厂河施工前应对河道南半侧用沙袋进行围堵，然后将导流范围内的河水用水泵抽干，再清除杂物及淤泥，然后对挡水墙进行钢筋绑扎，对河底及挡水墙进行支模，用浇筑C25素混凝土对河底进行硬化处理，然后放置800mm的波纹管进行河水导流，波纹管顺河水的流向布置，并浇筑挡水墙混凝土加固波纹管，进行混凝土养护。待混凝土达到设计强度后，将河水导流至南半侧，再进行河道北半侧的导流施工，根据南半侧的施工方法对河道北半侧进行河水导流。保持河床平整，根据图纸进行水准点定位。钢筋绑扎必须符合现场实际要求以及电厂河桥的导流要求。

（4）电厂河桥地面处理。①施工过程中对桥墩进行实时监测，根据监控量测的结果决定是否进行跟踪注浆。②盾构穿越桥梁时对盾构上方的半幅桥梁进行临时封路，待盾构通过后再开放路面交通。

3.2 盾构掘进参数设置

（1）穿越前应对盾构机进行检修，确保下穿时不停机，一次性通过。

（2）穿越该段前，应对盾构机姿态进行复合修正，确保顺利通过桥梁桩基基础。

（3）掘进参数的控制。要想控制地面沉降，就要做到快速开挖、快速支护、快速注浆，以此缩短从开挖到最终注浆的时间差，这就对掘进速度及施工管理连续性提出了较高的要求。常见问题及处理：①扭矩不稳及卡刀盘。刀盘扭矩不稳卡刀盘可能是由以下方面的因素造成。第一，大粒径卵石不能进入土仓，扭矩波动，甚至刀盘卡死。第二，底部渣土在水和细颗粒流失的情况下造成沉积，沉积物密实，内摩擦角较大，一般发生在停机阶段，现象刀盘无法启动。处理方式：使用膨润土浆或者高分子聚合物从螺旋及螺旋两侧底部注入口大流量冲刷，如无效可进仓清理。第三，砂土板结。砂土板结一般是指渣土改良不好长期堆积及压力作用形成的，一般位于螺旋机两侧及螺旋机上部。如果持续改良不佳，板结区域会逐步扩大，导致进渣困难，造成推力大，贯入度小，最终产生扭矩大且不稳的现象。处理此问题，除了开仓处理，还要持续增加渣土改良，使板结区域越来越小。②卡螺旋。卡螺旋有以下两种情况：一种是喷涌条件下限制螺旋转速，停机后容易产生螺旋卡死，此时，打开观察口会发现螺旋内渣土密实，且无细颗粒；处理方式是人工清理，预防措施停机前注入膨润土且间隔反转螺旋（螺旋扭矩一直高位运行）。另一种是掘进过程中螺旋卡死。掘进过程中螺旋卡死是较大异物进入螺旋造成的，此时螺旋压力迅速升高，同时伴有震动。对此，应迅速停止推进，缓慢旋转刀盘，最高速度反转螺旋直至螺旋扭矩平稳，然后再缓慢恢复推进。③间隙性喷涌。间歇性地由螺旋口喷出水及砂土压力与流量不可控制，存在喷涌时土仓内太多水，喷完后土仓内太干；易造成砂土沉积，造成渣土改良效果进一步变差；土仓内部压力不稳，且间歇性变化，不利于掌子面稳定；喷涌较大时对工作区域污染较大，清渣时间较长，是造成施工不连续的最大因素之一。间歇性喷涌的原因：渣土改良效果差，土仓内渣土隔水性较差；土仓内仓位较低；土仓内持续加水过多。对此，应选择关闭螺旋，持续缓慢掘进，过程中大量注入膨润土浆或者惰性浆液，土压上升后恢复正常掘进，连续几次后会有改善。④出渣量不能控制呈发散状态。解决办法：可降低推力，同时增大渣土改良投入，同时提高仓位，不要强调掘进速度，直到出渣量达到正常；如不能改善可通过，需要注入改性水玻璃或者膨润土砂浆，待其凝固后，形成新的掌子面后重新恢复掘进。

（4）对超挖段作好记录，盾尾到达该里程时适当加大注浆量，必要时在盾尾通过后在该里程处进行二次补浆。

（5）砂卵石地层渣土改良：①增加土仓内渣土的流动性，避免排土不畅而导致的闭塞事故，避免舱内结砂饼，同时降低刀盘面板对掌子面的正压力，减少扰动量；②提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免喷涌造成较大的地表沉降或坍塌事故；③降低土仓内渣土以及掌子面土体的内摩擦角，减少对刀盘、刀具的磨损，降低盾构刀盘扭矩；采用泡沫剂和膨润土进行土仓内渣土的改良，最好使用膨润土进行改良，在掘进过程中实时监控刀盘扭矩及渣土的温度，同时合理配置隔板中心搅拌棒搅拌位置，以保证渣土在土仓内搅拌均匀。

（6）注浆速率需与推进速度保持一致，保证注浆均匀饱满。同时避免因注浆压力过大而将浆液直接注入土仓；调整合适的砂浆配比，缩短砂浆初凝时间，尽快稳定管片姿态。

（7）盾构施工过程中，进行系统、全面的监控测量，及时反馈数据。

3.3 盾构通过后控制措施

（1）盾构通过电厂河桥后，根据监测数据变化情况，及时对周围土体进行地面跟踪注浆。

（2）待电厂河桥沉降稳定后，由第三方鉴定单位再次对电厂河桥进行鉴定，并与通过前的鉴定报告做对比，确定盾构通过是否对电厂河桥结构造成影响。

（3）洞内二次注浆加固，加固长度为20m，注浆浆液须有一定的防水功能，必要时做一道止水环。

（4）盾构穿越桥台后对桥梁进行安全评估，并作评估报告。

3.4 河桥北侧降水井布置

在桥台北侧布设3口降水井，水位降至隧道底1m，确保盾构开仓人员进仓安全。为盾构机开仓换刀做准备，降水井在盾构机开仓前15d保持不间断抽水，以确保水位于隧道底下方1m以下。在盾尾后面制作2道止水环，确保后方河流水回流。保证施工的安全及连续性。

3.5 常压换刀施工方案

为保证盾构后续正常掘进，通过电厂河桥后需开仓检修刀具；检查点设置在河桥北侧地表空旷地带，待盾尾通过河桥10环以后，在不影响交通的情况下，结合交通特点（降水施工），在新平站明挖区间—刘家碾站区间，刘家碾站ZCK37+155处设置开仓检查点，换刀作业前结合后盾构施工，在换刀区设置3口降水井，左右线隧道外侧及左右线之间分别设置一口降水井，降水井有效降水深度为隧底3m以下，保证开仓作业前水位在遂底2m以下。