TM614PMX土压平衡盾构机穿越城市浅埋石砌三联拱桥施工技术

谯 恒

(中国中铁七局集团第三工程有限公司,西安 710060)

1 工程概述

1.1 工程概况

玉—洒盾构区间为两条平行的分离式的单线圆形隧道,线路沿西安市主干道莲湖路正下方布设,隧道总长2 119.2 m(双线延米),区间隧道在桩号DK17+882.7～905.182穿越护城河石砌三联拱桥。采用一台日本小松TM614PMX土压平衡盾构机掘进施工,从玉祥门站始发,洒金桥站吊出。

1.2 护城河桥与盾构隧道的关系

1.2.1 护城河桥情况

护城河水面宽20.2 m,水面与护城河桥面高差约7 m,流向自南向北。护城河桥由3个桥跨构成,两侧单拱为钢筋混凝土实腹拱桥(新桥)、桩基础。中部为石砌结构三联拱桥(老桥)条形基础。护城河老桥具体修建年代不详,根据现场调查及查阅相关资料,桥拱采用50号水泥砂浆砌城砖,桥拱跨径分别为5.2、6.4、5.2 m三联拱桥,长32 m、宽26 m。桥台、桥墩基础为0.7 m厚条石,宽分别为4、6 m,隧道拱顶距护城河拱桥基础垂直距离4.5 m。护城河老桥与盾构隧道位置关系如图1所示。

图1 护城河老桥与盾构隧道位置关系(单位：mm)

1.2.2 地质情况

盾构隧道拱顶为古土壤、新黄土(饱和)、新黄土(湿陷)、素填土,洞身及拱底范围内为粉质黏土夹粉土、中粗砂层。地层的均一性差且多位于地下水位以下,洞身围岩存在的砂层透镜体广泛分布,土层多饱和状态,易坍塌下陷变形。

2 工程难点

盾构穿越玉祥门外护城河桥不仅是本标段的技术难点,也是整个西安地铁1号线最大的风险点。护城河桥面连接着西安市东西交通主干道莲湖路,车流辆密集,盾构穿越期间不能影响桥面车辆正常通行,石砌三联拱结构对桥基差异沉降十分敏感,稍有不慎可能导致基础开裂甚至垮塌。隧道拱顶距拱桥基础垂直距离4.5 m,盾构如此近距离通过如何确保桥梁安全是工程的难点也是最大的风险点。

3 理论计算及变形控制标准

采用GTS软件计算,盾构隧道拱顶覆土层各层物理力学性质见表1。

表1 隧道拱顶覆土主要物理力学性质

3.1 三维计算主要材料及建模

拱桥采用MU80的条石、50号砂浆,模型大小为桥梁外边向外25 m范围,计算模型如图2所示。首先分析隧道先进行左线掘进,时间相差15 d之后右线掘进，分别计算出左线掘进及右线掘进的桥梁基础沉降及差异沉降,根据最大沉降计算出桥梁各阶段内力。

图2 计算模型

3.2 计算过程及结果

根据表1中的参数,采用GTS软件计算得知盾构左线掘进后桥梁基础沉降4.6 mm,差异沉降3.2 mm。右线掘进后桥梁基础沉降最大值6.2 mm,差异沉降4.7 mm。盾构掘进最大应力4.75 MPa,与材料强度4.85 MPa基本相同,桥梁需要进行加固。鉴于护城河桥地理位置的特殊性、重要性，并参考其他省市地铁穿越桥梁时的沉降控制标准,当盾构施工时桥梁基础的最大差异沉降控制在5 mm内,作为本次盾构穿越护城河桥时的变形控制标准。采用C20格栅钢架喷射混凝土,计算各基础在差异沉降5 mm时的应力,来判断桥梁是否安全。根据计算结果显示,桥梁加固后的桥梁应力远小于材料抗力,桥梁基础沉降仅为最大1.4 mm,由此加固后可以满足施工需要及保证桥梁安全。

4 技术措施

盾构在下穿护城河桥时,盾构机的推力可能会影响河床的底板稳定,沉降控制不当也会对上部桥梁造成影响。为此，施工方案主要分工程措施和盾构施工技术措施两个方面进行控制。

4.1 工程措施

鉴于护城河老桥为石砌结构,桥基对不均匀沉降敏感,稍有不慎可能导致基础开裂甚至桥梁垮塌,为保证盾构安全、顺利穿越对护城河老桥进行加固是十分必要的。

4.1.1 砂袋围堰管材渡水

为防止隧道渗漏现象发生同时给石砌拱桥提供一个加固作业场地,在盾构到达前利用砂袋临时设围堰截水,将水疏干直至盾构顺利掘进通过。为保证护城河水不断流,经水力计算，采用2φ600 mm PVC管渡水可满足要求。

4.1.2 格栅包裹拱桥拱圈

采用厚250 mm钢格栅喷射C20混凝土，将整个浆砌结构用喷射混凝土包裹,钢格栅主筋φ22 mm,垂直线路方向间距800 mm。

4.1.3 袖阀管注浆

在桥基下单排布设间距1.5 m袖阀管,注浆深度河底以下3～5 m,在盾构通过之前实施袖阀管注浆。袖阀管根据设计图的位置布置,严格按基线测放桩位,桩位偏差不得大于30 mm。

4.2 盾构施工技术措施

4.2.1 掘进期间的实际施工控制

(1)合理设置土压力,防止超挖。穿越期间在理论计算土压的基础上结合试掘进段对地层的认识、地面沉隆的充分研究,设定土仓压力为0.1～0.15 MPa,并根据监测情况调整。

(2)通过护城河桥时降低掘进速度,严格控制盾构推进方向,减少纠偏。掘进速度控制在15～30 mm/min,刀盘转速0.6 r/min。尽量减少对地层的扰动,严控掘进方向,减少纠偏。严控出土量,通过试验段计算的出土松散系数,每环出土量控制在55 m3左右。总推力控制在11 000～15 000 kN,刀盘扭矩控制在1 540～2 570 kN·m。

(3)穿越期间加强同步注浆,加大注浆量,每环注浆量控制在3.2～3.6 m3,确保注浆饱满,二次注浆及时跟进。

(4)盾构推进过程中加大盾尾油脂注入量来防止浆液通过盾尾流失,穿越护城河桥期间每环所用的油脂为70 kg。

4.2.2 施工监测

玉—洒盾构区间隧道左线2010年5月9日～5月12日顺利穿越护城河桥,右线2010年10月5日～10月8日再次穿越护城河桥,根据监控量测显示的数据，左线隧道穿越护城河桥后桥梁基础累计最大沉降1.78 mm,穿越右线隧道后桥梁基础累计最大沉降1.2 mm。施工监控量测作为本次穿越石砌三联拱桥的重要技术措施,在施工中严格按既定方案对护城河三联拱桥进行实时监测,在盾构穿桥期间,为确保桥面行车安全、石砌三联拱桥结构的稳定及盾构施工的顺利进行,对盾构穿桥范围内的地表及拱桥基础、拱顶、拱圈收敛亦进行了专项监测。依据监测情况对掘进速度、土仓压力、注浆压力等参数及时修正,进一步保证了穿桥期间的安全。施工期间的监测数据见图3、图4。

图3 盾构穿越左线隧道后桥梁基础累计沉降量统计(2010-05-12)

图4 盾构穿越右线隧道后桥梁基础累计沉降量统计(2010-10-08)

4.2.3 其他措施

穿越护城河桥前编制了专项应急预案,针对可能发生紧急情况,制定排解危险方案,并屡次进行演练。为避免穿越过程中桥梁承受动载对施工造成的影响,穿越前与交管部门联系对护城河桥面机动车道进行临时交通道改,并安排派专人疏导道改后的桥面交通。盾构穿越后及时恢复交通，尽量减小对社会车辆出行的干扰。

5 结语

西安地铁1号线7标玉—洒盾构区间隧道施工,是城市地铁盾构隧道穿越浅埋石砌三联拱桥的实例。玉—洒盾构区间隧道施工过程中,通过详细的现场调查及现场试验,对存在的风险点提前进行分析研究并制定切合实际的实施方案。通过监测显示的数据盾构穿越护城河桥后,桥梁基础累计最大沉降为1.78 mm,满足沉降控制标准要求,保证了桥梁安全。施工中所采取的技术措施以及积累的现场施工经验对类似施工领域具有一定的借鉴价值。

[1]陈 馈,洪开荣,吴学松，等.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社,2009.

[2]张凤祥,傅德明,杨国祥，等.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社,2005：178-244.

[3]白 云,丁志诚.隧道掘进机施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[4]白廷辉.盾构法隧道施工技术与环境保护[J].地下工程与隧道,1993(3).

[5]竺维斌,鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社,2006.