地铁盾构侧穿桥桩基施工技术

鲍明星

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

在城市建设中，地铁建设是一项重要的任务，它对改善城市交通状况、提高居民生活质量具有举足轻重的作用。地铁建设面临各种复杂的地质环境和工程问题，其中盾构侧穿桥桩基施工是一项不小的技术挑战，在施工过程中，盾构机会对地层产生扰动，增加了周围环境的不稳定因素。每个建（构）筑物有其安全标准和特点，如何确保盾构机在穿越工作时的安全性，是地铁隧道施工中必须处理好的关键技术问题。汪海波等［1］依托成都轨道交通13 号线某站盾构区间工程的研究，提出“注浆+隔离桩”双措施加固方法，协同改善地表不利沉降与隧道间中夹岩隆起的现象。范东方［2］以郑州地铁某区间近距离侧穿高铁桥桩基为研究对象，提出采取“隔离桩+盖板”技术措施减少盾构隧道施工对高铁桥梁的不利影响。赵林［3］对城市地铁盾构隧道侧穿高架桥的桩基施工技术和安全问题进行研究，提出预加固、盾构参数控制等措施。本文以武汉地铁16 号线檀军路站—硃山路站区间盾构侧穿京港澳高速公路桥桩基为案例，进行模拟推进试验，提出相应的技术措施，确保盾构侧穿施工安全。

1 工程概况

武汉地铁16号线檀军路站—硃山路站区间工程在离檀军路站约244 m处遇到京港澳高速公路桥桩侧穿的难题。侧穿京港澳高速公路桥桩里程为左DK19+191.306～左DK19+237.325、右DK19+189.380～右DK19+234.987。该区间左、右线的盾构管片衬砌距离桥桩的最小净距分别为1.92 m和3.82 m，穿越长度约46 m。

如图1所示，京港澳高速公路桥是一座简支梁桥，共有4排桩基础，中间2排桩直径为1.5 m，两边的2排桩直径为1.2 m，桩长为27.6 m，桩尖深入中风化泥岩6.6 m。穿越范围内没有其他管线敷设，隧道拱顶埋深为11.9 m，拱顶主要为粉质黏土，少量为粉质黏土夹碎石，洞身主要为粉质黏土夹碎石、残积土、强风化泥岩。

图1 盾构侧穿京港澳高速公路桥剖面示意图 （单位：m）

2 方案设计

2.1 三维计算分析

采用“迈达斯”GTS NX 有限元分析软件对盾构侧穿京港澳高速公路桥桩进行三维模拟分析。通过数值模拟计算得出：区间左、右线隧道通过后，引起的桥桩最大附加沉降为0.76 mm，水平位移为1.2 mm；盾构上方土体最大沉降为4.76 mm（发生在拱顶上方）；桥桩差异沉降约为0.45 mm；计算结果均满足规范要求（桥梁沉降不大于15 mm，承台顶水平位移不大于6 mm，路基沉降不大于30 mm）。经过计算分析，盾构区间施工会对京港澳高速公路桥及桥桩产生影响，但风险在可以接受的范围内，可通过相应的技术措施减小影响。

2.2 模拟推进试验

为保证盾构侧穿京港澳高速公路桥的安全，本工程在盾构试掘进100 m 后，进行50 m 的模拟推进试验，检验盾构推进的各项技术保护措施和施工参数优化方案的有效性，以及同步注浆和二次注浆的加固效果，为正式侧穿提供技术指导；主要检测内容包括推进前、推进中、推进后及注浆加固后等各个阶段的地面沉降量、桥桩倾斜量、盾构机上方不同深度土层的垂直位移量等，确定最佳的盾构推进参数。在侧穿通过京港澳高速公路桥后，利用注浆孔打设注浆管进行洞内深孔注浆加固。

3 盾构穿越施工措施

3.1 盾构穿越前措施

在盾构穿越前，为确保施工的安全性和准确性，采取以下措施。

（1）对京港澳高速沿线的导线、水准、中线、断面进行复测，确认桥桩与盾构隧道轴线的位置关系，采集桥桩的初始数据。

（2）核实京港澳高速桥的实际位置和结构形式是否与设计图一致，收集桥桩自通车以来的历史变形数据。

（3）全面检查盾构机、电瓶车、龙门吊、拌和站等关键设备，确保设备正常运行。加强轨道检查、养护和加固工作，保证盾构能连续、平稳地掘进。

（4）制订详细的测量监测方案，按照方案要求布设沉降监测点，完成初始值的采集；为保证掘进过程顺利进行，增加监测频率，实行信息化管理，以便及时指导施工［1］。

3.2 掘进参数的选择

根据前期地层掘进的经验，结合本标段的地质及隧道埋深，以及前50 m的模拟推进试验，设定盾构下穿京港澳高速桥的掘进参数（见表1）。

表1 盾构下穿京港澳高速桥掘进参数表

3.2.1 掘进速度

在盾构施工中，推进速度过快或过慢都可能对土体产生较大的扰动，因此需要根据盾构机的整体性能进行调整，满足掘进土压力和同步注浆速度的要求，同时尽量提高掘进效率，降低对桥桩基的影响。由于在试掘进过程中积累了地层掘进经验，因此可以确定侧穿京港澳高速桥桥基时的最佳推进速度为30～50 mm/min，同时须保持推进速度的匀速性。通过这些措施，确保盾构施工对周围环境产生的影响最小，保证施工质量和安全。

3.2.2 出渣量控制

盾构隧道的每环理论出渣量（实方）为V=3.14×（6.982/2）²×1.5=57.37 m³。根据类似地层其他标段施工经验，渣土的松散系数初步定为1.33，实际出渣量为57.37×1.33=76.87 m³。根据设计要求，盾构掘进时的出渣量应控制在98%，即出渣量目标为75.33 m³/环。

在盾构掘进过程中，根据实际出渣量和地表隆起沉降情况，及时调整土仓压力。具体方法如下：如果出渣量小于目标值，说明土仓压力过大，可能导致地表隆起，此时应适当地降低土仓压力，一般调整量为0.2 bar；如果出渣量大于目标值，说明土仓压力过小，可能导致地表沉降，此时应适当地增加土仓压力，直到地表沉降控制在允许范围内。

3.2.3 渣土改良

为保证刀盘在合理的工作范围内运转，减轻刀盘的磨损程度，在掘进前对掌子面的土体进行改良。通过向刀盘前方的土体注入泡沫剂，可减小刀盘的扭矩和油压，同时提高渣土的流动性和易排性。采用“泡沫+水”的方式改良渣土，其中泡沫的配比是泡沫添加剂占3%、水占97%，泡沫由90%～95%的压缩空气和5%～10%的泡沫溶液混合而成。每环渣土注入的泡沫原液量为50～80 L。在施工过程中，根据实际的土层情况和出土效果进行动态调整。

3.3 同步注浆

为控制地层和桥桩基的变形，盾构机掘进后应及时充填管片和地层之间的环形空隙。充填方法主要是同步注浆，为保证同步注浆的效果，采用水泥砂浆作为注浆材料，这种材料具有以下优点：结石率高、结石体强度大、耐久性好，能防止地下水的侵蚀。在地下水具有腐蚀性的区域，使用抗硫酸盐水泥提高注浆结石体的耐腐蚀性，管片被耐腐蚀的注浆结石体包裹，可极大地减弱地下水对管片的腐蚀［2］。

同步注浆浆液的主要物理性能应满足以下指标：胶凝时间为3～8 h，固结体强度为1 d 不小于0.2 MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28 d 不小于25 MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）；浆液结石率大于95%（即固结收缩率小于5%）；浆液稠度为8～12 cm/m。浆液稳定性为倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

为保证盾构穿越京港澳高速桥的施工安全和施工质量，同步注浆需要及时、均匀、足量地充填盾尾空隙，将地面变形和管片偏移控制在最小范围内。根据国内外盾构施工的经验和研究资料及本工程的特点，将穿越段的同步注浆量控制在理论盾尾空隙的130%～180%。本区间的盾构机每掘进一环的盾尾空隙为q=3.14×（3.5×3.5-3.35×3.35）×1.5=4.84 m³，因此本区间的隧道每环的注浆量为6.29～8.71 m³。根据地质情况及实验室试验情况设置同步注浆配合比（见表2）。

表2 同步注浆配合比

3.4 盾构控制与姿态调整

根据以往的施工经验，为减少地面沉降，在穿越桥桩过程中，必须禁止大量纠正偏差。应适度控制左右区域的千斤顶力差及相邻2个区域的千斤顶力差，避免盾构蛇形推进情况的发生，最大限度地减少对土体的扰动。同时，盾构的姿态控制应保持在±50 mm以内，坚持按照“勤调、量小”的原则，每环姿态变化不宜过大，调整量控制在5 mm 以内。这些措施能保持盾构推进的稳定性和准确性，减少推进工作对周围土体的影响，达到减轻地面沉降程度的目的。

3.5 盾构穿越后施工措施

3.5.1 二次注浆

在掘进过程中，需要精确统计出土量并加强地面监测。根据超方情况及地面沉降情况，及时进行二次注浆。二次注浆在拼装管片后的7～10 环进行。注浆材料一般采用水泥浆液，比例为水∶水泥=1∶1。在保证管片不发生错台、破损的情况下，尽量注入浆液，注浆压力为0.2～0.4 MPa。特殊情况下，采用水泥—水玻璃双液浆，水灰比为0.8∶1～1∶1，水波璃浓度为25～30°Be，水泥浆和水玻璃的体积比为1∶1～2∶1，初凝时间为20 s内。注浆终压为0.5～2.0 MPa。

3.5.2 洞内深孔注浆加固

盾构穿越京港澳高速公路桥后，根据设计要求利用注浆孔打设注浆管进行洞内深孔注浆加固，注浆环向范围为管片外3 m 的范围，加固范围为管片侧部120°的范围（左线两侧，右线靠桥桩侧），注浆加固区范围为左DK19+150.000～左DK19+270.000、右DK19+150.000～右DK19+270.000。注浆管采用ϕ42 mm×4 m 的钢花管，水灰比为1∶1，注浆终压为0.5～2.0 MPa，隧道正对桥桩处的注浆管末端到桥桩最小距离不小于500 mm；逐步提高注浆压力，达到注浆终压时继续注浆10 min 以上，靠近地面附近的注浆压力应≤0.2 MPa，以防止地面隆起［3］。

4 监控测量

4.1 检测项目控制标准

根据国家现行标准、规范，以及大量实际工程施工经验，为了便于施工和确保环境的安全，本工程制定如下变形控制标准：①地表沉降累计值不得超过30 mm，变化速率＜3 mm/d；②地表隆起累计值不得超过10 mm，变化速率＜3 mm/d；③桥梁桩基沉降和倾斜的累计沉降控制值为15 mm，变化速率控制值为2 mm/d，差异沉降控制值为0.002b（b为相邻基础的中心距离）；④承台顶水平位移累计沉降控制值为6 mm，变化速率控制值为2 mm/d。

4.2 地表检测点布设

为深入了解盾构隧道施工对围岩的影响，判断围岩的稳定性，确保盾构推进工作顺利穿越京港澳高速公路，需要在隧道轴线上方布置地表沉降监测。在下穿建筑物段，监测点间距为10 m；在地表横向监测断面，间距为50 m。每个监测断面设9个监测点，可全面地监测地表沉降情况。

4.3 桥桩检测点布设

在距离线路中线30 m 以内，所有京港澳高速路桥桩都埋设监测点。在埋设过程中，需要避开有障碍物的区域，确保设标与观测的准确性。沉降测点标志采用“L”形标志形式，即在柱子上钻孔，将预埋件（ϕ=16mm）放入孔中，用水泥砂浆或锚固剂填实孔与测点周围的空隙。当现场不具备钻孔埋设测点的条件时，可使用粘贴式条码尺进行测量。

4.4 监测结果

（1）檀军路站—硃山路站区间左线在侧穿京港澳高速路前自2020 年9 月7 日起开始对周边环境进行监测，穿越完成后监测指标数据稳定。在此期间，地表沉降值在7.9～-15.3 mm。

（1）檀军路站—硃山路站区间右线在侧穿京港澳高速路前自2020 年8 月17 日起开始监测，穿越完成后监测数据稳定。在此期间，地表沉降值累计变化范围为0.6～-15.8 mm。

（3）檀军路站—硃山路站区间京港澳高速路桥桩自2020年8月29日开始监测，直至2021年1月16日项目施工完成后测量检测数据稳定。在此期间，京港澳高速桥桩的沉降值为2.5～-0.3 mm，倾斜率为0.7‰～-0.7‰。

综上所述，地表沉降符合累计值不得超过30 mm、变化速率＜3 mm/d 的规定；桥桩沉降符合累计沉降控制值为15 mm、变化速率控制值为2 mm/d、差异沉降控制值为0.002b的规定。因此，可以确认该区域的沉降和桥桩稳定性均符合相关规定。

5 结语

在地铁隧道施工中，盾构侧穿桥桩基的情况较复杂，需要采取科学、合理的技术方案和措施保障施工安全。本文以武汉地铁16 号线檀军路站—硃山路站区间盾构侧穿京港澳高速公路桥桩基为案例，介绍盾构侧穿桥桩基施工技术的原理、方法和措施，并对穿越过程中的监测数据进行分析和总结。采用本文提出的技术方案，能够有效地保证盾构侧穿桥桩基施工的安全和质量，将地层扰动和沉降变化控制在合理范围内，避免对京港澳高速公路桥造成不利影响。研究结果可为类似工程提供参考和借鉴。