盾構下穿橋梁及河流關鍵技術方案

李明華，張 娟

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

盾構下穿橋梁及河流關鍵技術方案

李明華，張 娟

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

盾構在穿越橋梁等障礙物及河流時，施工難度高，風險大。南昌地鐵1號線中山西路站—子固路站盾構區(qū)間段下穿撫河及橫跨撫河的中山橋，因中山橋部分樁基深入盾構范圍內，需要研究盾構穿越橋梁樁基的相應方案和技術措施。通過對拆橋重建、改線繞避以及基礎托換三個方案優(yōu)缺點的對比分析，最終選用拆橋重建作為盾構穿越方案。采用拆除既有樁基等障礙物，河道范圍施作圍堰排水，設置混凝土板抗浮，深層攪拌樁加固土體等綜合措施;同時優(yōu)選盾構機型及掘進模式，控制及調整掘進方向，適時注漿防護，使盾構機順利穿越撫河。

施工技術 河道 盾構 地鐵

1 工程概況

南昌地鐵1號線中山西路站至子固路站盾構區(qū)間需從撫河處下穿中山橋。中山橋處撫河寬約100 m，既有中山橋為4跨25 m連續(xù)箱梁橋，用于連接中山路處撫河東西兩岸交通，車流量較大。中山橋長100 m寬25 m，為雙幅現(xiàn)澆簡支梁橋，單幅橋面寬度12.5 m，單幅梁體支撐為橋臺和獨柱支撐。橋梁樁基30根，長度19.2～16.0 m，樁徑1 200～1 800 mm，見圖1。橋墩采用單樁單柱形式，因墩臺樁基深入盾構內，最深樁基深入盾構底13.27 m，且設計要求橋梁下部樁基距盾構的凈間距≥3 m，故老橋下部樁基礎嚴重影響盾構穿越，需對穿越方案進行研究。

圖1 南昌中山橋

撫河地段河床處由人工填土(Qm1)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4a1)及第三系新余群(E1-2)組成。從上到下依次為①雜填土(Qm1)，鉆探揭露層厚度1.00～12.80 m，平均層厚5.08 m;②淤泥質粉質黏土(Q4m1)，厚度1.6～10.20 m;③細砂(Q4m1)，厚度3.10～9.00 m;⑤1強風化泥質粉砂巖(E1-2)，厚度0.40～3.10 m;⑤2中風化泥質粉砂巖(E1-2)，厚度為8.60～12.30 m;⑤3微風化泥質粉砂巖(E1-2)，厚度1.30～16.80 m。

2 方案比選

城市橋梁在地鐵施工中一旦有盾構在橋址處穿越橋梁或橋梁樁基時，通常采用以下三種方案。

方案1，拆除重建。即拆除既有橋梁，并對盾構范圍內既有樁進行破除，待盾構通過后在原處重建新橋，恢復交通。

方案2，樁基托換。即對盾構范圍內有影響盾構穿越的樁基逐一進行托換，破除相應樁體后盾構穿越，施工過程中加強對既有橋梁的觀測。

方案3，改線繞避。即改變規(guī)劃線路，使盾構區(qū)間完全繞避開橋梁樁基，兩條隧道分別從橋梁樁基處兩側通過。

三種方案各有特點，選擇何種方案需要根據(jù)建設地點的具體情況進行綜合比選與分析，選擇技術上可行，經濟合理的方案。以南昌地鐵1號線穿越中山橋為例，總體方案比選如表1，通過相應優(yōu)缺點對比與分析，認為方案1雖然增加部分費用，但總體安全度高、可操作性強，擬選用方案1為最終穿越方案。

3 方案構建

為了保證施工的安全，在拆橋時采取從上到下的順序進行，重建時則按從下到上的順序進行。因此，本橋拆橋重建總體施工順序為:圍堰→清淤→拆除橋面附屬結構→拆除現(xiàn)澆箱梁→破除橋墩→破除橋臺及附屬設施→渣土外運→鑿除樁基→新橋樁基施工→抗浮板施工→承臺施工→地基加固→盾構穿越→墩臺身施工→梁部施工。

表1 三種施工方案的比較與分析

3.1 舊橋拆除

舊橋拆除時采用人工拆除護欄，挖掘機配合破碎，拆除人行道及橋面鋪裝。梁體分幅拆除，利用平衡原理，從橋梁一端向另一端逐段鑿除即可，然后將地面以上樁柱鋸斷并清除，最后采用沖擊鉆鑿除全部盾構范圍內樁基，并用素黏土回填。

3.2 新橋還建

還建的中山橋擬采用三跨拱式變截面連續(xù)箱梁橋，跨度組合(28.6+40+28.6)m，寬40 m。主梁采用單箱多室拱式變高度預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁底曲線采用圓曲線。主梁根部梁高5.44 m，跨中梁高1.5 m。主墩采用雙薄壁鋼筋混凝土實體橋墩，墩頂與現(xiàn)澆箱梁固結，橫橋向設置2個橋墩，單個墩身寬度6.5 m，順橋向墩身寬度2×0.8 m，群樁基礎，樁徑1.5 m。邊墩墩頂與現(xiàn)澆箱梁固結，單個墩身寬度6.5 m，順橋向墩身寬度1.5 m，群樁基礎，樁徑1.6 m，見圖2。

圖2 中山橋還建方案

3.3 圍堰

為施工方便，中山橋拆除及抗上浮設施施工時擬在上下游約40.2 m處施作圍堰。因考慮施工安全和施工場地要求，圍堰頂高度設計為19.5 m，撫河上游水通過河道東側堤岸處預埋導流管排入下游。

圍堰結構形式為導流管圍堰，根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，導流管設置于西側河堤下方，采用單排雙根直徑2 m混凝土管，可滿足撫河在汛期過水要求。導流管北側在距新橋承臺2 m位置拐點斜向撫河西岸，拐點處設置一檢查井。導流管接通后圍堰迎水側需設置鋼筋混凝土堰口，并采用 C20素混凝土做半包封處理，見圖3。

圖3 圍堰斷面(單位:m)

3.4 抗浮設計

盾構穿越撫河區(qū)域時水位為17.5 m，水深約6.5 m。區(qū)間埋深較淺，最小覆土厚度僅2 m，故需設置抗浮體系。擬采用抗浮板，經檢算，抗浮板尺寸為98 m×(23.3～24.6)m×0.5 m，抗浮板結構采用C25鋼筋混凝土，板頂標高為12.5 m?？拱螛恫捎瞄L12 m，直徑1 m的鉆孔灌注樁，按10 m間距布置。

因該段隧道處于撫河底，在進行抗浮系數(shù)驗算時，假設隧道處于懸浮于水中的狀態(tài)。

1)盾構機抗浮計算

盾構機質量200 t，長7.78 m，每米質量為25.71 t;上部土體每米有效壓重質量(按2 m覆土計)為10 t;混凝土抗浮板每米有效壓重質量為7.8 t;盾構機每米上浮質量30.7 t。抗浮系數(shù)k=(25.71+10+7.8)/30.7=1.4＞1.1，即盾構機抗浮穩(wěn)定。

2)隧道抗浮計算

上部土體及混凝土蓋板每米有效壓重質量為10+7.8=17.8 t;每米襯砌質量為16 t;隧道每米上浮質量為30.7 t。

抗浮系數(shù)k=(17.8+16)/30.7=1.101＞1.1。

抗浮系數(shù)雖接近于1.1，但抗浮板下每隔10 m設置鉆孔灌注樁，可起抗拔作用，增加了穩(wěn)定性，所以可以認為隧道抗浮是穩(wěn)定的。

3.5 土體加固

因盾構通過撫河區(qū)域時隧道處于上軟下硬地層，為避免盾構掘進過程中隧道上浮，在撫河內盾構隧道外擴3 m范圍內采用深層攪拌樁加固處理。攪拌樁按正三角形布置，樁徑0.5 m，樁間距0.5 m。固化劑強度等級為42.5級硅酸鹽水泥，水泥摻量不得小于加固土體質量的20%，即每米樁長水泥排入量不得小于70.65 kg，水灰比1.0～0.55，樁體28 d無側限抗壓強度不低于0.5 MPa。注漿鉆桿直徑500 mm，注漿壓力1.5～2.5 MPa，提升速度≤2 m/min，下沉速度≤ 1 m/min。

4 盾構穿越

4.1 盾構機選型

本段盾構區(qū)間主要穿越強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖、微風化粉砂質泥巖地層，部分區(qū)間穿越粗砂、礫砂地層。因此，盾構應同時具備開挖硬巖和在軟弱地層中掘進的能力。由于地下水屬上層滯水、孔隙潛水、微承壓水，盾構要具備良好的密封性能、合理實用的保壓泵渣功能、可靠的土壓平衡功能。另外，盾構刀盤必須有足夠掘進完單個區(qū)間全程的強度和耐磨性能，且盾構機還要具備高精確度控制方向的能力，以保證線路方向的正確性。根據(jù)本工程地質特點、工期及施工要求，結合國內外類似工程盾構的選型經驗，選用2臺土壓平衡盾構進行盾構區(qū)間工程施工。

4.2 掘進模式的選擇

根據(jù)隧道洞身地質情況、地上地下建筑物、周邊環(huán)境條件及其它相關因素，本標段隧道擬采用兩種模式掘進。軟弱地層段采用土壓平衡模式，全斷面泥質砂巖、板巖、礫巖地層段采用半敞開式模式掘進。在施工過程中時刻注意巖層變化情況，根據(jù)實際掘進情況及時調整盾構掘進模式。

4.3 盾構掘進方向的控制與調整

由于地層軟硬不均、坡度變化以及操作等因素的影響，盾構推進不可能完全按照設計的隧道軸線前進，而會產生一定的偏差。當偏差超過限界時就會使隧道襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力產生不良影響，并造成地層損失增大而使地表沉降加大。因此，盾構施工中需要采取合理措施保證隧道軸線的質量。

首先，采用隧道自動導向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構姿態(tài)監(jiān)測，同時采用分區(qū)操作盾構機推進油缸控制盾構掘進方向。其次，正確進行管片選型，確保拼裝質量與精度，以使管片端面盡可能與計劃的掘進方向垂直。在掘進中，及時掌握盾構機的方向和位置，嚴格對盾構機進行姿態(tài)控制，保證實際軸線同設計軸線的偏差量小于±50 mm的要求。當達到警戒值30 mm時即實行糾偏程序，且糾偏時應緩慢進行，避免糾偏過度。糾編量控制在4 mm/環(huán)之內，如修正過程過急，反而使蛇行更加明顯。

4.4 同步注漿

同步注漿配合比如表2所示，在施工中，根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化確定最合理的配合比。

表2 同步注漿材料配比和性能指標

注漿壓力取0.3～0.5 MPa，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.8倍，則每環(huán)(1.2 m)注漿量為4.3～6.3 m3。同步注漿速度應與掘進速度相匹配，按盾構每環(huán)掘進的時間內完成當環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，即當注漿壓力達到設定值，注漿量達到設計值的90%以上時，即可認為達到了質量要求。

4.5 二次注漿

在過風險點時，若發(fā)現(xiàn)有注漿不足或管片與圍巖間的空隙充填密實性差，致使隧洞變形得不到有效控制，地面沉降得不到有效控制或管片襯砌出現(xiàn)滲漏水時，需要進行二次注漿。施工時通過監(jiān)測信息的反饋，結合洞內超聲波探測管片襯砌背后有無空洞等方法，綜合判斷是否需要進行二次注漿。二次注漿采用自備的雙液注漿泵，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa，實際壓力根據(jù)計算及現(xiàn)場注漿效果最終確定。注漿量具體以壓力控制為主要原則，由現(xiàn)場試驗確定。同時，補強注漿應先壓注可能存在較大空隙的一側。補強注漿一般情況下以壓力控制，達到設計注漿壓力則結束注漿，視注漿效果可再次進行補注漿。

5 結論

盾構在穿越橋梁、建筑物基礎等時，如有條件拆除重建往往優(yōu)于基礎托換或改線繞避等方法。而盾構穿越河道時需要對河道進行綜合處理，如圍堰防水、設置抗浮板甚至橋體內深層攪拌樁加固。與此同時，還需優(yōu)選盾構機型和掘進模式，控制掘進軸線，強化同步注漿和二次注漿，這樣才能確保盾構施工的順利進行。

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Key technical scheme of shield-driven tunnel through bridge and river

LI Minghua，ZHANG Juan

(School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

The construction is difficult and the risk is high when the shield-driven tunnels pass such obstacles as bridges and shallow rivers．The shield-driven tunnel of Zhongshanxilu Station to Zigulu Station in Nanchang Metro Line 1 under passes the Zhongshan Bridge above the Fu River and partial pile foundations of Zhongshan Bridge intrudes deep into shield range，which means it is necessary to study the corresponding scheme and technical measures for shield-driven tunnel passing the bridge pile foundation．By making contrast analysis of advantages and disadvantages of such three plans as breaking the old bridge and rebuilding a new one，changing the line to avoid and underpinning pile foundations，this paper took the plan of breaking old bridge and rebuilding a new one as the shielddriven tunnel construction plan．By taking the measures including breaking obstacles such as bridge pile foundation，constructing cofferdams to drain water within river courses，setting concrete board as anti-floating structure，applying deep mixing piles to reinforce soil and optimizing the shield machine and driving modes，the direction of driving was controlled and adjusted，which ensures the shield pass Fu River successfully by proper grouting protection．

Construction technology;River;Shield;Metro

U455.43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．16

1003-1995(2015)07-0054-04

2014-09-24;

2015-04-23

李明華(1963— )，男，湖南常德人，教授。

(責任審編 趙其文)