盾构侧穿高速公路桥桩施工关键技术

彭显晓， 周 鑫， 胡学智， 孔 慧

（天津市地下铁道集团有限公司，天津 300011）

近年来，我国城市轨道交通建设快速发展，地铁隧道经常需要近距离穿越重要的建（构）筑物；施工过程中，必须尽量减小建（构）筑物的位移和基础差异沉降，确保安全。围绕盾构近距离侧穿建构筑物的监测，国内外学者开展了大量研究工作[1～3]；但针对实际施工措施的研究相对较少。盾构法施工影响建（构）筑物变形的主要因素有地质条件以及土仓压力、掘进速度、同步注浆、二次注浆等[4～5]。本文以天津地铁某盾构区间侧穿高架桥桩为背景，围绕影响建（构）筑物变形的主要因素，研究了减少盾构机近距离侧穿施工对建（构）筑物影响的具体措施。

1 工程概况

天津地铁6 号线某区间采用盾构法施工，侧穿某高速公路高架桥桩。高架桥桩基础为直径1 500 mm、长50～63 m的钻孔灌注桩；桥面结构为预应力混凝土连续箱梁，单跨46.5 m，桥面单幅宽17.8 m，双向8 车道。区间右线与桥梁桩基的最小水平距离为7.5 m，左线与桥梁桩基最小水平距离为8.5 m，隧道与桥涵竖向净距约30 m。见图1。

图1 区间侧穿高速公路桥桩

高速公路桥桩位置的地基土为第四系全新统人工填土、上更新统的河床以及河漫滩相、滨海潮汐带相等沉积物，主要为黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等。浅水层埋深0.44～5.30 m，第一承压含水层为⑨2粉细砂层，第二承压含水层主要为⑪2粉砂层。见图2。

图2 高速公路桥桩位置的地质断面

2 盾构侧穿桥梁桩基施工关键技术

2.1 盾构机掘进参数设定

选用ZTE6760 土压平衡式盾构机，盾体直径6 760 mm，开挖直径6 770 mm，主机长8.96 m，整机总长约75 m。合理的设定盾构机施工参数是保障盾构机掘进速度、有效控制建构筑物和地面沉降的前提。

1）土仓压力。根据地质情况，盾构机的土仓压力采用水土合算方式计算的静止土压力，计算深度取盾构机的中心位置。初步估算土仓压力时，地面荷载可取20 kPa；实际设定值应根据每环埋深和地面荷载实际情况及时调整。

式中：P 为土仓压力；P1、P2分别为水体压力、变动荷载；K0为静止土压力系数；h为在盾构中心上方的各土层厚度；γ为在盾构中心上方的各土层重度。

2）总推力及扭矩。土仓压力是影响盾构机掘进总推力的主要因素。

掘进总推力=盾体周长×盾体长度×土仓压力×摩擦系数＋盾构面积×土仓压力+盾尾与管片之间的摩擦力+盾构机后配套的牵引阻力±盾构机自重沿掘进方向的分力

其中，摩擦系数可在掘进试验段根据实际情况反算得出，初步估算时可暂取0.1。

盾构机扭矩主要受穿越土层性质影响。

盾构机的扭矩=刀盘的面积×开挖面黏聚力系数＋刮刀数量×刮刀的切削扭矩＋搅拌柱的扭矩＋支撑臂的扭矩

3）掘进速度及刀盘转速。盾构机的掘进速度控制不当会对土体产生较大扰动。为确保盾构机顺利侧穿高速公路桥桩，掘进的速度应尽量平稳均匀，施工应不间断；在土压力和同步注浆系统允许的前提下，提高盾构机的掘进速度也可在一定程度上降低侧穿施工对桥梁桩基的不利影响。根据盾构机在掘进试验段积累的经验，本工程侧穿桥桩时盾构机的掘进速度设为40 mm/min。

确定盾构机的掘进速度后，刀盘的转速主要受刀具的贯入度影响。

刀具的贯入度偏大将加大刀具的磨损；刀具的贯入度偏小又容易导致刮擦，无法顺利切削土体。本工程初步设定刀具的贯入度为40 mm/r，进而得出刀盘的转速约为0.9 r/min。刀盘的转速还应根据掘进试验段的实际情况进行适当调整。

2.2 盾构机掘进参数控制

土仓压力可通过调整排渣量和掘进速度来控制。盾构机掘进开始时，首先注入适量泡沫对渣土进行改良；再调整盾构机刀盘的转速，逐步达到设定值；然后缓缓增加千斤顶的油压，上部、中部、下部的油压差控制在约2 MPa，用于平衡盾构机前体和刀盘的重力，防止盾构机低头。当刀盘的扭矩过大时，应适当调整水和泡沫的注入量或者将刀盘反转，待盾构机的扭矩恢复至设定范围再逐渐增加千斤顶的推力。当盾构机的掘进速度达到设定值时，应停止增加推力并观察土仓压力的变化，当土仓压力升高至设定值时开始出渣。掘进过程中，当土仓压力低于设定值时，可适当调低螺旋机的转速，减少出渣量；当土仓压力高于设定值时，可适当提高螺旋机的转速，增加出渣量。侧穿施工时，为避免土仓压力大幅波动，螺旋机的转速调整不宜过大。

处于上坡段时，应适当加大盾构机下部千斤顶的推力，此时对管片存在斜向下的推力，脱出盾尾后的管片将产生下沉趋势，故盾构机掘进标高宜高于设计标高约15 mm。

2.3 同步注浆

同步注浆压力取决于注浆位置的水土总压力与地层性质，应实现充分注浆而不发生劈裂。确定同步注浆压力设定值时，需要考虑注浆管的压力损失，即

同步注浆压力=注浆孔处的水土总压力+盾构机注浆管压力损失

注浆管压力损失应进行现场测定，初步估算时可取0.13 MPa。

本工程注浆量按理论空隙体积的2 倍考虑，即注浆量为2×1.5π（6.772－6.62）/4＝5.34（m3）。

同步注浆浆液选用水泥砂浆，由水、砂、粉煤灰、膨润土以及水泥拌和而成。见表1。

表1 1 m3同步注浆浆液的配合比kg

根据地层条件和掘进速度，通过现场试验调整配合比并加入早强剂，进一步缩短凝结时间，保证注浆效果。

同步注浆的速度应匹配盾构机的掘进速度，在完成一环管片掘进的时间内应速度均匀地完成整环同步注浆。根据注浆量及掘进速度，计算得到注浆速度在3.7 L/s 左右。每环掘进过程中（环宽1.5 m），进尺的理论注浆量控制值见表2。

表2 注浆量控制

2.4 其他措施

2.4.1 土体改良

为保证土仓内渣土的流动性和黏度，宜向土仓内注入一定量的水。加水量应根据掌子面的地质情况确定，以使土的液性指数达到0.5 为标准。随着土中含水量的增加，土体的稳定性将会降低并可能导致无法搅拌均匀，故不能仅依靠加水来改良土体，必要时需注入一定量的泡沫。加入水和泡沫也能防止刀盘前端形成“泥饼”。

2.4.2 二次注浆

二次注浆能够弥补同步注浆的不足，有效减小地表沉降。本工程二次注浆的浆液选用水泥-水玻璃双液浆。其中，水玻璃浆液中水和水玻璃的质量比为3∶1；水泥浆的水灰比为1∶1（质量比）；水泥浆和水玻璃浆液的体积比为1∶1。注浆压力约为0.3～0.4 MPa，二次注浆在盾尾脱出5～10 环后及时进行，注浆量应根据现场沉降监测数据动态调整。

注浆施工前应查看周围管片情况及土仓压力，检查盾尾油脂腔的压力值；如果压力值偏低，应注入适量的盾尾油脂，确保在注浆过程中盾尾有足够的压力，避免盾尾漏浆。注浆过程中，若盾尾发生漏浆，应停止注浆约10 min 再重新注入。注浆过程中应实时观察周围管片的情况以及土仓的压力，发现异常，立即停止注浆。

2.4.3 出渣量控制

如果盾构机的出渣量过大，掌子面就可能发生坍塌，因此应合理地控制出渣量。根据计算，实际每环出渣量为65 m3左右（松散系数取1.2）。为保证出渣不超量，在关键地段可采用手动模式出渣。在每环掘进即将结束时，可首先关闭螺旋机的闸门，再停止掘进，以确保土仓内保持轻微的超压，进一步减小地面沉降。

3 施工监测

侧穿的高速公路高架桥为预应力混凝土连续梁桥，跨度46.5 m，根据JTGH 11—2004《公路桥涵养护规范》相关规定，墩台顶面水平位移的允许值为2.6 cm，墩台均匀总沉降的允许值为10.6 cm，相邻墩台总沉降差值的允许值为5.3 cm。根据类似工程经验，盾构机在下穿高速公路桥梁过程中所引起的桥梁变形控制建议值：墩台均匀总沉降的控制值为20 mm，相邻墩台沉降差的控制值为10 mm，墩台顶面水平位移的控制值为5 mm。预警值：F＜0.7 为安全；0.7≤F＜0.85为黄色预警；0.85≤F＜1为橙色预警；F＞1为红色预警（F 为实测值/控制值）。如监测值达到黄色预警标准，应加密监测频率；达到橙色预警标准，除加强监测外，必须分析原因，采取处置措施；如监测值达到红色预警标准，必须停止掘进并启动应急预案。

两台盾构机先后安全通过，地面沉降最大值为10.75 mm，桥梁墩台沉降最大值为7.18 mm，见图3 和表3。

图3 桥梁墩台沉降监测点平面布置

表3 桥墩沉降mm

4 结论

根据该工程的经验，盾构机侧穿高速公路桥桩时可采取以下施工措施：

1）侧穿施工前宜设置不少于50 m的试验段；

2）侧穿施工时应加强监测，根据监测数据及时调整掘进参数；

3）加强对盾构姿态的控制，设定合理的掘进参数，确保盾构机均衡匀速通过；

4）根据地质条件合理地控制出渣量，严格控制同步注浆量和浆液质量；

5）当监测数据接近或到达黄色预警值时，可采取地面竖向注浆的方式进行补救。