土压平衡盾构过河过桥施工技术研究

土压平衡盾构过河过桥施工技术研究
[ 摘要]土压平衡盾构以其经济性和良好的地层适应性被广泛应用于各种地铁施工项目。

但利用土压平衡盾构穿越城市小型河流及桥梁时存在较大的技术难度，施工质量难以保证。

本文就北京地铁10 号线石榴庄站－大红门站区间穿越凉水河及凉水河桥工程为例，介绍土压平衡盾构过河过桥施工技术，为类似盾构施工质量保证措施提供经验。

[ 关键词]土压平衡盾构；过河过桥；沉降控制；姿态控制；壁后注浆
1 概述
北京地铁10 号线二期项目石榴庄站－大红门站区间全长1 086.5m，其间需通过凉水河及新建凉水河桥。

此前穿越河道类施工项目大多为大中型水域，且盾构类型多采用泥水平衡盾构，选用土压平衡盾构穿越河道类项目并不多见，相关施工经验欠缺。

因此，本文就土压平衡盾构过凉河及凉河桥施工质量控制技术进行讨论，旨在拓宽此类地形土压平衡盾构作业施工质量控制研究思路，为相关施工项目提供经验依据。

对于穿越河道项目，施工季节的选择很重要。

根据区间掘进状况，盾构穿凉水河及凉水河桥时间定于12 月上旬以避开河水汛期。

虽然此时凉水河水位降低至约30cm, 但盾构隧道在此处的覆土较浅,
盾构推进时可能会发生围岩透水、河床坍塌、桥桩失稳等工程事故。

因此施工前应详细调查该段水文地质和工程地质情况，详细踏勘凉水河及凉水河桥的结构与现有的状态，尤其是河底隔水层的连续性、渗透系数、厚度以及各层的渗流情况等，并将此数据情况作为盾构下穿时的重要参考。

同时，为保证施工安全，本区段在施工开展前进行了工况相似的模拟段施工，为过桥过河施工提供参考依据。

2 盾构过凉水河施工技术
凉水河河口宽约70m，河床宽约50m，下穿段有铺底，常年有积水，隧道拱顶距河床约7.0m，覆土较浅。

盾构在穿越河流底部时，如有围岩顶板下沉会对河床产生危害甚至破坏，进而引发一系列不良后果，同时河水下渗也可能危及隧道施工。

具体控制措施如下。

1）推进速度与推力地控制在盾构掘进时，要控制盾构速度和总推力，在穿越河流时，采取较低的掘进速度，一般不大于35mm/min，并且严格控制推进油缸的总推力，减少土层扰动，以免破坏河底土体。

根据以往施工经验，盾构始发后，切口前方 1.5D+H（D 为盾构外径，H 为盾构中心至地面高度）范围内地面的沉降情况与土压力设定值密切相关。

实际操作中，可控制盾构前的地面沉降在0～2mm 之间来控制和调整压力的选定。

土压力计算公式：
P0=K0λz=18.9×0.35×(17+3)=0.1323MPa，根据经验一般施工压力要稍大于计算土压力，故设定为0.14MPa。

2）盾构掘进姿态控制盾构进入河底前要预先调整好盾构姿态，以较好的姿态下穿河底河床。

在掘进过程中，盾构司机根据测量偏差及时调整盾构的掘进方向，尽可能减少此段的纠偏，更要杜绝大幅度的纠偏，以确保盾构平稳通过本区段。

3）注浆量与注浆压力控制由于河底至盾构拱顶间土层相对较薄，注浆压力过大可能破坏水底隔水层进而形成一条涌水通道，因此在整个通过凉水河段的掘进中，严格控制注浆压力在0.2 ～0.3MPa 范围内。

注浆量和注浆压力的选定依盾构推进的理论建筑孔隙GP 计算：
GP ＝π(R2-r2)L
式中R ─盾构外半径;
r ─管片外半径;
L ─环宽。

理论上讲，浆液需100％充填建筑总空隙。

由于通常的浆液失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，且穿越河道地质处于砾砂层，渗透系数较大，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量。

经实践证明，控制注浆量为理论建筑间隙120% ～180%可有效控制地表沉降。

4）加强盾尾密封与管片拼装的施工控制掘进时要定时定量均匀压注盾尾油脂，如有特殊情况可根据实际情况适当加大盾尾油脂压注量。

如果管片间隙出现渗漏，要及时堵漏处理，以免漏水引起河底下沉而对河底产生破坏。

3 盾构过凉水河桥技术措施
凉水河桥上部结构为四跨简支梁（30m+30m+30m+30m），桥宽约70m，设左右两幅预应力盖梁，下部基础为群桩基础，每一个桥墩下方为2 根桩基，桩长40m，桩顶设承台，区间结构距离桩基最近为2.5 ～2.6m。

区间在此段覆土深7.5 ～10.0m，虽然已经进入枯竭期，但是凉水河仍有积水约30cm，地质条件为稳定性差的圆砾卵石，中粗砂、粉质粘土。

盾构施工控制不当会引起周围土体扰动进而引起河床下沉，可能导致桥桩不均匀沉降。

在施工过程中，如何采取相关技术措施减小沉降，确保凉水河及凉水河桥的安全将是盾构穿越本区间的重点工作。

在施工凉水河桥时，施工单位已对桥下河床及相邻河道做了铺砌抗渗处理，为盾构掘进施工提供了比较好的条件。

3.1 合理设置土压力，防止超挖和欠挖
在盾构推进的过程中，根据监测数据及时调整土压力值，从而科学合理的设置土压力值及相宜的推进速度等参数，防止超挖和欠挖，以减少对土体的扰动。

在盾构过凉水河桥地区，盾构覆土厚度为7.5～10.0m，根据计算和前期施工经验，土压力控制在0.09～
0.12MPa 之间。

3.2 采用壁后注浆工艺，严格控制地面沉降
盾构下穿凉水河桥期间沉降控制值如表1 所示。

穿越本区段期间采用膨润土+ 水泥浆液同步注浆工艺，并确保注浆量。

考虑到此区间地面沉降控制标准较高，采用常规工艺已经满足不了要求，而地面沉降控制的一个主要因素就是盾构推进过程中的注浆效果，浆液的渗透率和早期强度对地表的沉降指标起着重要的作用，为此，同步注浆采用以膨润土、粉煤灰、砂、水泥为主要材料的液浆，单位方浆液配比见表2。

每推进一环的建筑空隙为：
V=π(D1-D2)L/4=(6.25-6)×1.2/4=0.075 其中D1——盾构外径，m；
D2——管片外径，m；
L——管片宽度，m。

考虑到盾构穿越凉水河桥期间地面沉降控制标准高，且在砂卵石地层浆液的渗透率高等特点，在此期间盾构推进同步注浆量控制在
3.5～5.0m3。

同步注浆时要求在压入口的压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不是劈裂。

注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆。

而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，也会使地表变形增大。

因此本区段注浆压力控制在0.20～0.30MPa。

同时，为确保注浆质量，二次补浆采用水泥- 水玻璃双液补浆，每立方米浆液配比为水泥350kg、水玻璃350kg。

补浆量为同步注浆量的30%，注浆利用低压、少量、多次注浆的方式及时补充因原有浆液固结收缩所产生的空隙。

每两环进行一次补浆，盾构推进过后每5 环进行一环环箍注浆，每环6 个孔，每孔注入1.0m3，注浆压力为0.3MPa。

3.3 穿越时降低推进速度，严格控制盾构姿态
过快的推进速度，将增加对土体的扰动。

穿越时的推进速度控制在不超过35mm/min。

在推进至凉水河桥之前将盾构的姿态调整到最佳状态，确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，盾尾四周间隙均匀。

通过加大盾尾油脂压注量来防止浆液通过盾尾流失。

根据以往施工经验，盾尾油脂量比正常推进每环多20kg 便可较好地控制盾尾的漏浆量。

在穿越期间要加强盾构姿态的测量，勤测勤纠，杜绝大量纠偏，同时关闭超挖刀。

除以上措施之外，在盾构穿越凉水河桥期间，还应严格按照监测要求对凉水河桥进行监测，对监测数据及时分析处理并反馈，及时掌握盾构推进对桥梁及河道的影响，不断优化盾构推进参数；加强地面
巡视，发现异常及时上报；加强施工过程管理，确保盾构连续穿越；在穿越前对盾构及其它辅助设备进行全面检修，以防推进过程中长时间停机；对盾构上现存的机械故障和缺陷，会同设备供应商和专家共同检测修理，并对可能产生的故障预先做好修理准备，对主要设备零件备件。

4 结语
由本案例可以看到，为确保盾构在过河过桥区间顺利掘进，前期应进行充分地质勘查，了解水位埋藏条件、地层分布、厚度及渗透性等地质环境；同时还要针对性制定盾构专项施工方案，严格控制盾构掘进姿态及保证充足的壁后注浆量；科学严密的监控与管理也是必不可少的。

本工程项目开拓了土压平衡盾构选型的灵活性，拓宽了盾构穿越小跨径河流及桥梁地层施工控制的思路，为以后类似工程施工提供了宝贵的经验。

[参考文献]
[1]刘建航，侯学渊．盾构法隧道［M］．北京: 中国铁道出版社，1991．
[2]丛恩伟．城市地铁盾构近距离穿越桥梁、河流综合施工技术[J]．铁道标准设计，2008，(11)：93-96．
[3]王伟，辛振省，彭加强．土压平衡盾构下穿河流施工技术研究[J]．铁道标准设计，2011，(4)：92-94.。