彭顯曉， 周 鑫， 胡學智， 孔 慧

（天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300011）

近年來，我國城市軌道交通建設快速發(fā)展，地鐵隧道經常需要近距離穿越重要的建（構）筑物；施工過程中，必須盡量減小建（構）筑物的位移和基礎差異沉降，確保安全。圍繞盾構近距離側穿建構筑物的監(jiān)測，國內外學者開展了大量研究工作[1～3]；但針對實際施工措施的研究相對較少。盾構法施工影響建（構）筑物變形的主要因素有地質條件以及土倉壓力、掘進速度、同步注漿、二次注漿等[4～5]。本文以天津地鐵某盾構區(qū)間側穿高架橋樁為背景，圍繞影響建（構）筑物變形的主要因素，研究了減少盾構機近距離側穿施工對建（構）筑物影響的具體措施。

1 工程概況

天津地鐵6 號線某區(qū)間采用盾構法施工，側穿某高速公路高架橋樁。高架橋樁基礎為直徑1 500 mm、長50～63 m的鉆孔灌注樁；橋面結構為預應力混凝土連續(xù)箱梁，單跨46.5 m，橋面單幅寬17.8 m，雙向8 車道。區(qū)間右線與橋梁樁基的最小水平距離為7.5 m，左線與橋梁樁基最小水平距離為8.5 m，隧道與橋涵豎向凈距約30 m。見圖1。

圖1 區(qū)間側穿高速公路橋樁

高速公路橋樁位置的地基土為第四系全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)的河床以及河漫灘相、濱海潮汐帶相等沉積物，主要為黏土、粉質黏土、粉土、粉砂等。淺水層埋深0.44～5.30 m，第一承壓含水層為⑨2粉細砂層，第二承壓含水層主要為?2粉砂層。見圖2。

圖2 高速公路橋樁位置的地質斷面

2 盾構側穿橋梁樁基施工關鍵技術

2.1 盾構機掘進參數(shù)設定

選用ZTE6760 土壓平衡式盾構機，盾體直徑6 760 mm，開挖直徑6 770 mm，主機長8.96 m，整機總長約75 m。合理的設定盾構機施工參數(shù)是保障盾構機掘進速度、有效控制建構筑物和地面沉降的前提。

1）土倉壓力。根據(jù)地質情況，盾構機的土倉壓力采用水土合算方式計算的靜止土壓力，計算深度取盾構機的中心位置。初步估算土倉壓力時，地面荷載可取20 kPa；實際設定值應根據(jù)每環(huán)埋深和地面荷載實際情況及時調整。

式中：P 為土倉壓力；P1、P2分別為水體壓力、變動荷載；K0為靜止土壓力系數(shù)；h為在盾構中心上方的各土層厚度；γ為在盾構中心上方的各土層重度。

2）總推力及扭矩。土倉壓力是影響盾構機掘進總推力的主要因素。

掘進總推力=盾體周長×盾體長度×土倉壓力×摩擦系數(shù)＋盾構面積×土倉壓力+盾尾與管片之間的摩擦力+盾構機后配套的牽引阻力±盾構機自重沿掘進方向的分力

其中，摩擦系數(shù)可在掘進試驗段根據(jù)實際情況反算得出，初步估算時可暫取0.1。

盾構機扭矩主要受穿越土層性質影響。

盾構機的扭矩=刀盤的面積×開挖面黏聚力系數(shù)＋刮刀數(shù)量×刮刀的切削扭矩＋攪拌柱的扭矩＋支撐臂的扭矩

3）掘進速度及刀盤轉速。盾構機的掘進速度控制不當會對土體產生較大擾動。為確保盾構機順利側穿高速公路橋樁，掘進的速度應盡量平穩(wěn)均勻，施工應不間斷；在土壓力和同步注漿系統(tǒng)允許的前提下，提高盾構機的掘進速度也可在一定程度上降低側穿施工對橋梁樁基的不利影響。根據(jù)盾構機在掘進試驗段積累的經驗，本工程側穿橋樁時盾構機的掘進速度設為40 mm/min。

確定盾構機的掘進速度后，刀盤的轉速主要受刀具的貫入度影響。

刀具的貫入度偏大將加大刀具的磨損；刀具的貫入度偏小又容易導致刮擦，無法順利切削土體。本工程初步設定刀具的貫入度為40 mm/r，進而得出刀盤的轉速約為0.9 r/min。刀盤的轉速還應根據(jù)掘進試驗段的實際情況進行適當調整。

2.2 盾構機掘進參數(shù)控制

土倉壓力可通過調整排渣量和掘進速度來控制。盾構機掘進開始時，首先注入適量泡沫對渣土進行改良；再調整盾構機刀盤的轉速，逐步達到設定值；然后緩緩增加千斤頂?shù)挠蛪?，上部、中部、下部的油壓差控制在約2 MPa，用于平衡盾構機前體和刀盤的重力，防止盾構機低頭。當?shù)侗P的扭矩過大時，應適當調整水和泡沫的注入量或者將刀盤反轉，待盾構機的扭矩恢復至設定范圍再逐漸增加千斤頂?shù)耐屏?。當盾構機的掘進速度達到設定值時，應停止增加推力并觀察土倉壓力的變化，當土倉壓力升高至設定值時開始出渣。掘進過程中，當土倉壓力低于設定值時，可適當調低螺旋機的轉速，減少出渣量；當土倉壓力高于設定值時，可適當提高螺旋機的轉速，增加出渣量。側穿施工時，為避免土倉壓力大幅波動，螺旋機的轉速調整不宜過大。

處于上坡段時，應適當加大盾構機下部千斤頂?shù)耐屏Γ藭r對管片存在斜向下的推力，脫出盾尾后的管片將產生下沉趨勢，故盾構機掘進標高宜高于設計標高約15 mm。

2.3 同步注漿

同步注漿壓力取決于注漿位置的水土總壓力與地層性質，應實現(xiàn)充分注漿而不發(fā)生劈裂。確定同步注漿壓力設定值時，需要考慮注漿管的壓力損失，即

同步注漿壓力=注漿孔處的水土總壓力+盾構機注漿管壓力損失

注漿管壓力損失應進行現(xiàn)場測定，初步估算時可取0.13 MPa。

本工程注漿量按理論空隙體積的2 倍考慮，即注漿量為2×1.5π（6.772－6.62）/4＝5.34（m3）。

同步注漿漿液選用水泥砂漿，由水、砂、粉煤灰、膨潤土以及水泥拌和而成。見表1。

表1 1 m3同步注漿漿液的配合比kg

根據(jù)地層條件和掘進速度，通過現(xiàn)場試驗調整配合比并加入早強劑，進一步縮短凝結時間，保證注漿效果。

同步注漿的速度應匹配盾構機的掘進速度，在完成一環(huán)管片掘進的時間內應速度均勻地完成整環(huán)同步注漿。根據(jù)注漿量及掘進速度，計算得到注漿速度在3.7 L/s 左右。每環(huán)掘進過程中（環(huán)寬1.5 m），進尺的理論注漿量控制值見表2。

表2 注漿量控制

2.4 其他措施

2.4.1 土體改良

為保證土倉內渣土的流動性和黏度，宜向土倉內注入一定量的水。加水量應根據(jù)掌子面的地質情況確定，以使土的液性指數(shù)達到0.5 為標準。隨著土中含水量的增加，土體的穩(wěn)定性將會降低并可能導致無法攪拌均勻，故不能僅依靠加水來改良土體，必要時需注入一定量的泡沫。加入水和泡沫也能防止刀盤前端形成“泥餅”。

2.4.2 二次注漿

二次注漿能夠彌補同步注漿的不足，有效減小地表沉降。本工程二次注漿的漿液選用水泥-水玻璃雙液漿。其中，水玻璃漿液中水和水玻璃的質量比為3∶1；水泥漿的水灰比為1∶1（質量比）；水泥漿和水玻璃漿液的體積比為1∶1。注漿壓力約為0.3～0.4 MPa，二次注漿在盾尾脫出5～10 環(huán)后及時進行，注漿量應根據(jù)現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調整。

注漿施工前應查看周圍管片情況及土倉壓力，檢查盾尾油脂腔的壓力值；如果壓力值偏低，應注入適量的盾尾油脂，確保在注漿過程中盾尾有足夠的壓力，避免盾尾漏漿。注漿過程中，若盾尾發(fā)生漏漿，應停止注漿約10 min 再重新注入。注漿過程中應實時觀察周圍管片的情況以及土倉的壓力，發(fā)現(xiàn)異常，立即停止注漿。

2.4.3 出渣量控制

如果盾構機的出渣量過大，掌子面就可能發(fā)生坍塌，因此應合理地控制出渣量。根據(jù)計算，實際每環(huán)出渣量為65 m3左右（松散系數(shù)取1.2）。為保證出渣不超量，在關鍵地段可采用手動模式出渣。在每環(huán)掘進即將結束時，可首先關閉螺旋機的閘門，再停止掘進，以確保土倉內保持輕微的超壓，進一步減小地面沉降。

3 施工監(jiān)測

側穿的高速公路高架橋為預應力混凝土連續(xù)梁橋，跨度46.5 m，根據(jù)JTGH 11—2004《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》相關規(guī)定，墩臺頂面水平位移的允許值為2.6 cm，墩臺均勻總沉降的允許值為10.6 cm，相鄰墩臺總沉降差值的允許值為5.3 cm。根據(jù)類似工程經驗，盾構機在下穿高速公路橋梁過程中所引起的橋梁變形控制建議值：墩臺均勻總沉降的控制值為20 mm，相鄰墩臺沉降差的控制值為10 mm，墩臺頂面水平位移的控制值為5 mm。預警值：F＜0.7 為安全；0.7≤F＜0.85為黃色預警；0.85≤F＜1為橙色預警；F＞1為紅色預警（F 為實測值/控制值）。如監(jiān)測值達到黃色預警標準，應加密監(jiān)測頻率；達到橙色預警標準，除加強監(jiān)測外，必須分析原因，采取處置措施；如監(jiān)測值達到紅色預警標準，必須停止掘進并啟動應急預案。

兩臺盾構機先后安全通過，地面沉降最大值為10.75 mm，橋梁墩臺沉降最大值為7.18 mm，見圖3 和表3。

圖3 橋梁墩臺沉降監(jiān)測點平面布置

表3 橋墩沉降mm

4 結論

根據(jù)該工程的經驗，盾構機側穿高速公路橋樁時可采取以下施工措施：

1）側穿施工前宜設置不少于50 m的試驗段；

2）側穿施工時應加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整掘進參數(shù)；

3）加強對盾構姿態(tài)的控制，設定合理的掘進參數(shù)，確保盾構機均衡勻速通過；

4）根據(jù)地質條件合理地控制出渣量，嚴格控制同步注漿量和漿液質量；

5）當監(jiān)測數(shù)據(jù)接近或到達黃色預警值時，可采取地面豎向注漿的方式進行補救。