1 概 述
北京地鐵10 號線二期項目石榴莊站－大紅門站區(qū)間全長 1 086.5m，其間需通過涼水河及新建涼水河橋。此前穿越河道類施工項目大多為大中型水域，且盾構(gòu)類型多采用泥水平衡盾構(gòu)，選用土壓平衡盾構(gòu)穿越河道類項目并不多見，相關(guān)施工經(jīng)驗欠缺。因此，本文就土壓平衡盾構(gòu)過涼河及涼河橋施工質(zhì)量控制技術(shù)進行討論，旨在拓寬此類地形土壓平衡盾構(gòu)作業(yè)施工質(zhì)量控制研究思路，為相關(guān)施工項目提供經(jīng)驗依據(jù)。
對于穿越河道項目，施工季節(jié)的選擇很重要。根據(jù)區(qū)間掘進狀況，盾構(gòu)穿涼水河及涼水河橋時間定于 12 月上旬以避開河水汛期。雖然此時涼水河水位降低至約 30cm, 但盾構(gòu)隧道在此處的覆土較淺 , 盾構(gòu)推進時可能會發(fā)生圍巖透水、河床坍塌、橋樁失穩(wěn)等工程事故。因此施工前應(yīng)詳細調(diào)查該段水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況，詳細踏勘涼水河及涼水河橋的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的狀態(tài)，尤其是河底隔水層的連續(xù)性、滲透系數(shù)、厚度以及各層的滲流情況等，并將此數(shù)據(jù)情況作為盾構(gòu)下穿時的重要參考。同時，為保證施工安全，本區(qū)段在施工開展前進行了工況相似的模擬段施工，為過橋過河施工提供參考依據(jù)。
2 盾構(gòu)過涼水河施工技術(shù)
涼水河河口寬約 70m，河床寬約 50m，下穿段有鋪底，常年有積水，隧道拱頂距河床約7.0m，覆土較淺。盾構(gòu)在穿越河流底部時，如有圍巖頂板下沉會對河床產(chǎn)生危害甚至破壞，進而引發(fā)一系列不良后果，同時河水下滲也可能危及隧道施工。具體控制措施如下。
1）推進速度與推力地控制 在盾構(gòu)掘進時，要控制盾構(gòu)速度和總推力，在穿越河流時，采取較低的掘進速度，一般不大于 35mm/min，并且嚴格控制推進油缸的總推力，減少土層擾動，以免破壞河底土體。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，盾構(gòu)始發(fā)后，切口前方 1.5D+H（D 為盾構(gòu)外徑，H 為盾構(gòu)中心至地面高度）范圍內(nèi)地面的沉降情況與土壓力設(shè)定值密切相關(guān)。實際操作中，可控制盾構(gòu)前的地面沉降在 0～2mm 之間來控制和調(diào)整壓力的選定。土壓力計算公式：P0=K0λz=18.9×0.35×(17+3)=0.1323MPa，根據(jù)經(jīng)驗一般施工壓力要稍大于計算土壓力，故設(shè)定為 0.14MPa。
2）盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制 盾構(gòu)進入河底前要預先調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，以較好的姿態(tài)下穿河底河床。在掘進過程中，盾構(gòu)司機根據(jù)測量偏差及時調(diào)整盾構(gòu)的掘進方向，盡可能減少此段的糾偏，更要杜絕大幅度的糾偏，以確保盾構(gòu)平穩(wěn)通過本區(qū)段。
3）注漿量與注漿壓力控制 由于河底至盾構(gòu)拱頂間土層相對較薄，注漿壓力過大可能破壞水底隔水層進而形成一條涌水通道，因此在整個通過涼水河段的掘進中，嚴格控制注漿壓力在0.2 ～ 0.3MPa 范圍內(nèi)。注漿量和注漿壓力的選定依盾構(gòu)推進的理論建筑孔隙 GP 計算：
GP ＝π(R2-r2)L
式中 R ─盾構(gòu)外半徑 ;
r ─管片外半徑 ;
L ─環(huán)寬。
理論上講，漿液需 100％充填建筑總空隙。由于通常的漿液失水固結(jié)，盾構(gòu)推進時殼體帶土使開挖斷面大于盾構(gòu)外徑，且穿越河道地質(zhì)處于礫砂層，滲透系數(shù)較大，部分漿液劈裂到周圍地層，導致實際注漿量要超過理論注漿量。經(jīng)實踐證明，控制注漿量為理論建筑間隙 120% ～ 180%可有效控制地表沉降。
4）加強盾尾密封與管片拼裝的施工控制 掘進時要定時定量均勻壓注盾尾油脂，如有特殊情況可根據(jù)實際情況適當加大盾尾油脂壓注量。如果管片間隙出現(xiàn)滲漏，要及時堵漏處理，以免漏水引起河底下沉而對河底產(chǎn)生破壞。
3 盾構(gòu)過涼水河橋技術(shù)措施
涼水河橋上部結(jié)構(gòu)為四跨簡支梁（30m+30m+30m+30m），橋?qū)捈s 70m，設(shè)左右兩幅預應(yīng)力蓋梁，下部基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，每一個橋墩下方為 2 根樁基，樁長 40m，樁頂設(shè)承臺，區(qū)間結(jié)構(gòu)距離樁基最近為 2.5 ～ 2.6m。區(qū)間在此段覆土深7.5 ～ 10.0m，雖然已經(jīng)進入枯竭期，但是涼水河仍有積水約 30cm，地質(zhì)條件為穩(wěn)定性差的圓礫卵石，中粗砂、粉質(zhì)粘土。盾構(gòu)施工控制不當會引起周圍土體擾動進而引起河床下沉，可能導致橋樁不均勻沉降。在施工過程中，如何采取相關(guān)技術(shù)措施減小沉降，確保涼水河及涼水河橋的安全將是盾構(gòu)穿越本區(qū)間的重點工作。在施工涼水河橋時，施工單位已對橋下河床及相鄰河道做了鋪砌抗?jié)B處理，為盾構(gòu)掘進施工提供了比較好的條件。
3.1 合理設(shè)置土壓力，防止超挖和欠挖
在盾構(gòu)推進的過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整土壓力值，從而科學合理的設(shè)置土壓力值及相宜的推進速度等參數(shù)，防止超挖和欠挖，以減少對土體的擾動。在盾構(gòu)過涼水河橋地區(qū)，盾構(gòu)覆土厚度為 7.5～10.0m，根據(jù)計算和前期施工經(jīng)驗，土壓力控制在 0.09～0.12MPa 之間。
3.2 采用壁后注漿工藝，嚴格控制地面沉降
盾構(gòu)下穿涼水河橋期間沉降控制值如表 1 所示。
穿越本區(qū)段期間采用膨潤土 + 水泥漿液同步注漿工藝，并確保注漿量�？紤]到此區(qū)間地面沉降控制標準較高，采用常規(guī)工藝已經(jīng)滿足不了要求，而地面沉降控制的一個主要因素就是盾構(gòu)推進過程中的注漿效果，漿液的滲透率和早期強度對地表的沉降指標起著重要的作用，為此，同步注漿采用以膨潤土、粉煤灰、砂、水泥為主要材料的液漿，單位方漿液配比見表 2。
每推進一環(huán)的建筑空隙為：
V=π(D1-D2)L/4=(6.25-6)×1.2/4=0.075
其中 D1——盾構(gòu)外徑，m；
D2——管片外徑，m；
L——管片寬度，m。
考慮到盾構(gòu)穿越?jīng)鏊訕蚱陂g地面沉降控制標準高，且在砂卵石地層漿液的滲透率高等特點，在此期間盾構(gòu)推進同步注漿量控制在3.5～5.0m3。同步注漿時要求在壓入口的壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補而不是劈裂。注漿壓力過大，管片外的土層將會被漿液擾動而造成較大的后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿。而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，也會使地表變形增大。因此本區(qū)段注漿壓力控制在0.20～0.30MPa。
同時，為確保注漿質(zhì)量，二次補漿采用水泥 - 水玻璃雙液補漿，每立方米漿液配比為水泥350kg、水玻璃 350kg。補漿量為同步注漿量的30%，注漿利用低壓、少量、多次注漿的方式及時補充因原有漿液固結(jié)收縮所產(chǎn)生的空隙。每兩環(huán)進行一次補漿，盾構(gòu)推進過后每 5 環(huán)進行一環(huán)環(huán)箍注漿，每環(huán) 6 個孔，每孔注入 1.0m3，注漿壓力為 0.3MPa。
3.3 穿越時降低推進速度，嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)
過快的推進速度，將增加對土體的擾動。穿越時的推進速度控制在不超過 35mm/min。在推進至涼水河橋之前將盾構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整到最佳狀態(tài)，確保盾構(gòu)推進軸線與設(shè)計軸線相吻合，盾尾四周間隙均勻。通過加大盾尾油脂壓注量來防止?jié){液通過盾尾流失。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，盾尾油脂量比正常推進每環(huán)多 20kg 便可較好地控制盾尾的漏漿量。在穿越期間要加強盾構(gòu)姿態(tài)的測量，勤測勤糾，杜絕大量糾偏，同時關(guān)閉超挖刀。
除以上措施之外，在盾構(gòu)穿越?jīng)鏊訕蚱陂g，還應(yīng)嚴格按照監(jiān)測要求對涼水河橋進行監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析處理并反饋，及時掌握盾構(gòu)推進對橋梁及河道的影響，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進參數(shù)；加強地面巡視，發(fā)現(xiàn)異常及時上報；加強施工過程管理，確保盾構(gòu)連續(xù)穿越；在穿越前對盾構(gòu)及其它輔助設(shè)備進行全面檢修，以防推進過程中長時間停機；對盾構(gòu)上現(xiàn)存的機械故障和缺陷，會同設(shè)備供應(yīng)商和專家共同檢測修理，并對可能產(chǎn)生的故障預先做好修理準備，對主要設(shè)備零件備件。
由本案例可以看到，為確保盾構(gòu)在過河過橋區(qū)間順利掘進，前期應(yīng)進行充分地質(zhì)勘查，了解水位埋藏條件、地層分布、厚度及滲透性等地質(zhì)環(huán)境；同時還要針對性制定盾構(gòu)專項施工方案，嚴格控制盾構(gòu)掘進姿態(tài)及保證充足的壁后注漿量；科學嚴密的監(jiān)控與管理也是必不可少的。
本工程項目開拓了土壓平衡盾構(gòu)選型的靈活性，拓寬了盾構(gòu)穿越小跨徑河流及橋梁地層施工控制的思路，為以后類似工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗。
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