大直径土压平衡盾构机穿越高架桥施工技术探讨

齐峰



大直径土压平衡盾构机穿越高架桥施工技术探讨

齐峰

（太原铁路枢纽西南环线有限责任公司，山西 太原 030013；太原枢纽建设指挥部，山西 太原 030013）

以太原铁路枢纽西南环线工程为例，研究大直径土压平衡盾构机穿越高架桥施工技术，讨论了以卵石为主的圆砾、粉土层近接施工等风险源，提出了盾构机穿越高架桥的管控措施。该研究可为类似工程提供参考。

土压平衡盾构；高架桥；风险分析；管控措施

1 引言

随着隧道空间利用率增大的需要和科学技术水平的提高，盾构施工技术得到了快速的发展和应用。大直径、长距离、高速施工是未来盾构的发展方向，但国内大直径盾构施工应用较多的主要为泥水平衡盾构，土压平衡盾构应用极少。目前国内成功应用大直径土压平衡盾构施工的案例[2-3]有：2007年，上海外滩隧道工程采用了直径为14.27 m的土压平衡盾构机；2010年，上海迎宾三路隧道工程采用了直径为14.27 m的土压平衡盾构机；2015年，香港莲塘公路隧道工程采用了直径为14.1 m的土压平衡盾构机。

这些案例具有明显的局限性：自主知识产权少、地质单一。2016年，太原铁路枢纽西南环线工程打破局限，采用国内自主设计制造最大直径为12.14 m的土压平衡盾构机“麒麟号”，成功在复杂地层中掘进2 km，并顺利下穿大型公路高架桥。

本文以太原铁路枢纽西南环线工程为例，研究了大直径土压平衡盾构机穿越高架桥施工技术，希望可以为类似工程提供借鉴及参考。

2 工程概况

太原铁路枢纽新建西南环线下穿西中环公路高架桥隧道（里程DK3+510～DK3+599），全长89 m，主要位于⑧、⑨、⑩层，隧道横断面为标准圆环，外径11.7 m，内径10.6 m。下穿高架桥7#、8#桥墩之间，与桥面呈96°10＇夹角，上覆土深度为27.51 m。地下水稳定水位深度为27.5 m，距隧道顶端7 m。

3 盾构穿越高架桥风险分析

3.1 盾构近接施工

西中环公路高架桥是贯穿太原市西部的南北向交通要道，属于太原市中环快速系统的一部分。路面为双向八车道，宽50 m，客流量大。隧道穿高架桥7#、8#桥墩之间，与7#桥墩桩基础最小净间距为11.38 m，与8#桥墩桩基础最小净间距为10.19 m。盾构穿越桥墩时，如果盾构姿态和隧道轴线控制不当，纠偏不及时，很容易造成轴线偏差，导致盾构超挖现象，极易造成开挖面失稳。

3.2 穿越区域内土质条件差

桥墩间地层是主要以卵石为主的圆砾、粉土，渗透性较高、地层级配差，螺旋机内较难形成土塞效应，掌子面土压力较难平衡，地表沉降较难控制，同时砂卵石地层具有级配不良、黏结性差等特点，盾构在高透水性、高地下水位的砂卵石地层中施工时开挖面易出现涌水、涌砂现象，易导致开挖面失稳[4]。

3.3 沉降控制

由于开挖断面较大，各项掘进参数大，在施工过程中，卵石对周边土体的扰动程度和范围均将大大增加，地中、地表沉降控制要求较高。对此，需要严格控制掘进参数，减少盾构过程中对土体的扰动；合理控制参数，提高盾构掘进效率，降低施工风险，主要参数控制包括土仓压力、总推力、刀盘转速、扭矩、出渣控制、掘进速度等[5]；施工时要加强监控测量，随时根据反馈信息调整盾构机的掘进参数。

4 穿越段盾构施工的管控措施

4.1 穿越前土体加固

为了保障盾构机顺利穿越高架桥，并控制周围土体沉降变形，在盾构机穿越高架桥之前，对桥墩间的土体进行加固。采用Φ800@1000钻孔灌注桩，在桥梁承台与隧道中间平行布置，布置范围为高架桥对隧道的影响距离外延3 m，桩底标高比隧道底标高低4 m，桩离桥墩桩基距离3 m。

4.2 设备方面

在穿越重大风险源的前一两周，对盾构机及后配套设备进行全面、系统的检修，排查设备隐患、故障，同时安排专人定期进行日常维护，确保盾构机处于最佳工作状态。设备维检的重点应该放在主驱动密封、盾尾密封系统、注浆系统、膨润土和泡沫系统、螺旋机出渣系统、盾构机控制电路以及液压系统上。另外，特别要注意检查主驱动的密封性，防止土仓内泥沙进入主驱动内部，导致盾构机瘫痪；同时检查盾尾的密封性，确保盾构机下穿过程中不出现漏浆现象，保证注浆量，防止地层塌陷。

4.3 掘进参数控制

4.3.1 土仓压力

通过安装在土仓隔板上的土压传感器，PLC（可编程控制器）系统将实测的土压力与设定值进行对比后，输出电信号来调控液压控制系统，改变螺旋机转速或推进油缸速度，使测量土压力与设定土压力相等，维持掌子面的稳定。在掘进过程中，依据监测数据和出土量及时调整土压，以减少对土体的扰动。

4.3.2 掘进速度

穿越桥梁桥墩之前的掘进速度稳定在35～50 mm/min之间，穿越过程中，保证对地面扰动较小，同时适当降低速度，以平稳、快速通过。

4.3.3 刀盘转速、推力

由于地层卵石含量大，内摩擦角大，渣土和易性及流动性差，为防止刀盘扭矩、推力过大，要通过添加泡沫和膨润土对土体进行改良，使扭矩控制在14 000 kN·m以下，推力控制在40 000～53 000 kN之间，刀盘转速控制在0.5～0.6 r/min之间。

4.3.4 出土量控制

严格控制出土量，防止土体损失带来的沉降、塌陷。在掘进过程中，要注意观察称重器显示的出土量，做好每环出土量的统计，通过控制螺旋机调整转速及推进速度。

一般情况下，出土控制量根据拼装管片长度进行控制，出土量不得大于每环管片内土体的体积[6]。另外，要保证盾构机连续出土，降低螺旋机喷涌风险，发现异常及时增加注浆量。

4.4 渣土改良

盾构机中泡沫系统和膨润土系统通过向刀盘面、土仓及在螺旋机内注入泡沫或膨润土浆液，使渣土有较好的流塑性、保水性和软稠度，降低内摩擦角。这样既可以降低刀盘、螺旋机的扭矩和刀具的磨损，防止泥饼产生，同时可以减少地下水的流失，有利于控制地层沉降。

4.5 同步注浆及二次注浆

同步注浆时，要使注浆压力和注浆量两个指标同时达标，即同步注浆量应满足30 立方米/环（根据出土量适当调整），且注浆压力满足2.5～3.5 bar，注浆流量与掘进速度匹配，并保证整个注浆过程连续，保证管环背后填充密实饱满。同步注浆不到位，凝固时有一部分体积发生收缩或浆液流失等现象会导致管片背后无法完全填充，此时，需要利用双液浆水泥，即水=1︰1（质量比），水泥浆︰水玻璃=2︰1（体积比）进行注浆补充。二次注浆以压力控制为主，终浆压力为5～6 bar。同步注浆及二次注浆能及时填充盾尾空隙，有效控制地表沉降。凝结的浆液作为隧道的第一道防水屏障，能够提高隧道的防水能力，同时为管片提供早期的稳定性，促使管片与周围岩土一体化，有利于对掘进方向的控制，为隧道稳定提供保障。

4.6 监控量测

在盾构施工时，地面变形机理主要有五种：①盾构推进中正面土压力不平衡导致地层下沉或隆起；②盾构外壳与土层间摩擦导致地层隆起；③盾构推进姿态变化导致地层下沉；④管片衬砌背后注浆导致地层下沉或隆起；⑤盾构推进后引起土体扰动后的固结下沉[7]。

下穿高架桥之前，在盾构施工影响范围内布设监测点，具体检测项目为：①桥面沉降变形。监测点布设在每跨桥面的两侧，每跨布设6个监测点（QD-01~QD-06）。②墩台差异沉降。每个承台2个监测点。③墩柱倾斜。监测点应布设在墩柱上，沿墩柱顶部、底部上下对应布设，每个墩柱监测点不宜少于1组，每组4个监测点。④桥面裂缝观测。每条裂缝至少2个测点，设置在裂缝的最宽处或裂缝末端。主要监测下穿高架桥过程中及过后路面是否出现裂缝，桥墩是否倾斜以及地表是否发生沉降情况。同时，盾构掘进根据实时反馈的监测数据指导盾构施工，发现异常现象及建筑物变形情况时，及时采取地面跟踪注浆加固等措施降低风险。其中，由高架桥桥面沉降变形曲线（图略）得知，盾构过程对高架桥的影响较小。

5 结论

历经10 d，盾构机以日均9 m的速度，连续、平稳地完成了下穿西中环高架桥任务。地表沉降最大值小于7 mm，桥墩几乎无倾斜，公路面无裂缝产生，且未发生盾尾浆液泄漏、螺旋机喷涌等事故。施工实践证明，本文提出的提前加固、设备维护、控制掘进参数、渣土改良、同步注浆及二次注浆、监控量测等管控措施是可行的和有效的，大直径土压平衡盾构机在类似太原这种复杂地层中穿越高架桥时也能顺利完工，可供类似工程参考。

［1］住房和城乡建设部科技发展促进中心.GB 50446—2008盾构法施工与验收规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］陈馈，杨延栋.中国盾构制造新技术与发展趋势［J］.隧道建设，2017，37（3）：276-284.

［3］羌培.超大直径土压平衡盾构最佳施工参数匹配研究［D］.上海：上海大学，2014.

［4］何川.成都地铁盾构隧道工程建设关键技术［J］.学术动态，2013（4）：17-24.

［5］朱沪生，郑世兴，易宏.复合式土压平衡盾构机穿越闽江强透水砂层技术研究［J］.城市轨道交通研究，2017（1）：31-36.

［6］丁振明，廖秋林，李从昀.地铁工程土压平衡盾构施工风险分析［J］.施工技术，2012，41（379）：64-67.

［7］王如路，刘建航，廖少明.盾构法施工的环境保护技术［J］.城市轨道交通研究，2009（12）：27-33.

2095－6835（2019）02－0088－02

U455.39

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.088

〔编辑：王霞〕