泥水盾构下穿侵限隧道箱涵施工技术研究

彭 刚

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司 湖北武汉 430074)

1 前言

盾构过既有建(构)筑物施工中[1－3]，如何确保盾构顺利实施以及对既有机构的影响降低至最低限度，是盾构施工的关键。

目前国内外对于盾构下穿箱涵工程的研究已取得了一些成果，李炜明等[4]对盾构下穿雨水箱涵进行了研究，通过在临近箱涵隧道上方进行注浆加固，可有效降低盾构施工引起的箱涵结构失效风险；朱垚锋等[5]对淤泥地层盾构隧道下穿四孔箱涵引起的沉降进行了研究；秦榛[6]对邻近接收端盾构下穿雨水箱涵风险控制技术进行了研究，总结了风险防控要点，并从盾构参数、注浆、监测等方面制定了相应的技术措施；刘兴福[7]针对盾构穿越既有建筑物，采用了数值模拟与现场监测相结合的方法，通过盾构参数调整、刀具检查、常压换刀等一系列措施提高了施工安全性；周绍宾等[8]运用有限元软件分析了盾构施工中箱涵与地表沉降间的关系，并提出了既有构筑物与地表沉降控制的有效技术措施。史晓涛[9]在未考虑地下水等理想状态下对盾构近距下穿雨水箱涵进行了研究。对于已有研究，由于盾构施工和既有隧道结构之间相互影响的情况比较复杂，且地质情况、周围环境以及施工特点差异很大，现有施工经验不能够直接运用。本文依托广州8号线9标出入段线穿越箱涵，对盾构过侵限隧道箱涵技术进行了研究。

2 工程概况

2.1 箱涵概况

广州8号线9标出入段线盾构于鸦岗大道段下穿箱涵，该大道处人流车流繁忙，常有重车行走，地下管线复杂。入段线下穿箱涵段地面上方为鸦岗大道，影响环数为500～525环，出段线下穿箱涵段地面上方为鸦岗大道及华快上桥匝道，影响环数为465～485环。箱涵全长80.5 m，宽8.4～12.4 m，内部净高3.0 m，含2洞跨，箱涵排水从北至南，北处有1根800 mm市政水管，南侧排入污水渠，箱涵流水量正常，内填充淤泥。箱涵所处地层从上至下主要为回填土、中粗砂及粉质黏土，盾构穿越地层主要为中粗砂层。其中箱涵上部3～4 m处为回填土地层，箱涵下部1～2 m及以下为中粗砂。箱涵处地下水埋深为地面以下1.5 m。

2.2 箱涵与隧道间的关系

经现场调查，箱涵分为3部分箱体，两端的华南快速建设期扩建箱涵位于南北两侧(长度约4 m，内部净高1.8 m，宽约10.5 m，含2洞跨)，与旧箱涵之间(长度约66 m，内部净高3.0 m，宽约10.5 m，含2洞跨)顶板齐平，但底板标高不一。经设计复核，中部原鸦岗大道旧箱涵侵入出段线隧道深度为0.974～1.534 m，箱涵侵入入段线深度为0.352～0.914 m。经钻探，中部箱涵底板顶标高为4.05 m，厚度为900 mm，采用φ22钢筋。箱涵基础为30 cm厚中粗砂及1 m厚碎石。

3 刀盘及刀具改进

盾构采用铁建重工泥水盾构，因工程地质复杂，盾构施工中存在刀盘刀具磨损严重，盾构扭矩大，为保证刀盘正常使用，盾构施工前需对刀盘及刀具优化改造。

(1)在盾构机刀盘外周增加滚刀8把，其中偏心滚刀4把，边缘滚刀4把，4把边缘滚刀对称设置在刀盘副辐臂边缘，4把偏心滚刀交替设置在每2把边缘滚刀之间，且相互对称。盾构机掘进过程中，滚刀将箱涵内回填的素混凝土挤破，并通过边缘刮刀将碎石送入土仓。

(2)在刀盘副辐臂边缘设置边缘刮刀，利用边缘刮刀将底部土渣刮入土仓，可保护刀盘免受磨损；同时，在边缘刮刀上增设耐磨块，避免边缘刮刀磨损失效。

(3)在刀盘面板焊接复合耐磨钢板，外周镶嵌合金耐磨板，可有效保护外周刮刀和滚刀，防止因磨损严重而导致刀具损坏、掉落；在刀盘边缘刮刀外周无耐磨板覆盖的地方加焊耐磨栅格，耐磨栅格尺寸为40 mm×40 mm，网条高度为5 mm，宽度为5 mm，耐磨栅格可有效解决边缘刮刀易磨损问题，保证盾构掘进过程中刮刀的正常使用。

4 盾构过箱涵关键技术

4.1 箱涵清理

因箱涵侵入隧道断面约为1.6 m，因此需对箱涵进行破除处理，处理前需先清理箱涵内淤泥。具体清理:在箱涵内淤泥周围施作围堰，其围堰高度高于淤泥堆高，阻断污水水流，围堰采用砖块或沙袋砌筑而成，其高度为1～1.5 m，围堰施工完成后，围堰内存水用水泵抽出，为避免污水流入箱涵影响清理工作，采用抽浆车直接将箱涵内淤泥抽至车内外运拉走，清理至箱涵底板深度；箱涵底部的硬泥浆，采用高压水枪冲稀后利用抽浆车抽走，底部较硬沉淀采用人工清除。箱涵内部淤泥如图1所示。箱涵淤泥清理示意如图2所示。

图1 箱涵内部淤泥

图2 箱涵清理示意

4.2 箱涵处理

(1)凿除侵入隧道范围内箱涵底板

清淤完成后，对箱涵侵入隧道部分进行处理。通过测量确定侵入盾构隧道区域内的箱涵底板范围，凿除侵入范围内的底板钢筋保护层，后依次对箱涵底板面层钢筋、底部钢筋进行切割凿除。因前期资料有限，箱涵清理完成后对底板进行取芯，取芯钻取出两层钢筋后，若有较大漏水甚至涌砂，则需立即封堵取芯孔，重新处理。

(2)回填

底板钢筋凿除完成后，对凿除区域周围的侧墙进行凿毛，后在箱涵内回填素混凝土，其回填范围为盾构隧道穿过区域两侧2～3 m，且回填高度为盾构隧道区域上方30～50 cm；素混凝土填充采用分层浇筑，每40～60 cm为一层，填充过程中对混凝土进行检测和振捣。

(3)施作抗压浮板

为防止隧道上浮，并能给盾构掘进提供反力，需在回填混凝土上增设一层压板，即待回填层的混凝土终凝后，在回填层顶部两侧墙植入钢筋，后在回填层顶面施作30～50 cm厚钢筋混凝土板，形成抗压浮板。施工回填层及抗压浮板示意如图3所示。

图3 施工回填层及抗压浮板示意

4.3 盾构掘进参数控制和沉降监测

待箱涵处理完成后，因原箱涵箱体结构被破坏，受力发生改变，为保证箱体整体稳定性，确保上方路面的稳定，盾构下穿箱涵侵限区时，对其盾构参数[10]进行控制。参数设置具体见表1所示。

表1 盾构掘进参数

盾构掘进施工过程中，做好对雨水箱涵及周边道路、管线的沉降监测[11]，当发现有明显单次沉降或累计沉降值超过沉降预警值6 mm时，沿箱涵侧墙向箱涵底部和周围压注水泥浆(注浆压力控制值为0.3 MPa)对箱涵周围及底部地层进行补偿注浆，以减少因地层沉降对箱涵的影响。补偿注浆采用WSS双液注浆机，沿箱涵侧墙布设间距为3 m，打入箱涵侧墙下5 m，管长则由不同位置的埋深计算确定。

4.4 施工缓冲砂浆层

盾构通过后，隧道成型管片与箱涵钢筋混凝土结构直接接触，会引起地面沉降，影响后期地铁运营等风险。经现场试验，配制特定的惰性砂浆作为管片与箱涵之间的缓冲层，通过管片吊装孔在成型隧道与箱涵之间注入该惰性砂浆，可增强成型隧道与箱涵之间的受力传递，同时隔断地下水渗流侵蚀，对隧道的防水抗渗起到了加强作用，保证了隧道后期运行安全稳定。该浆液粘度为30～38 s，比重1.15～1.2 g/cm3，坍落度为220～240 mm，具有优越的流动可塑性，良好的粘结力和和易性，有更好的充填效果，能够填充成型隧道与箱涵之间通道和间隙。注浆时，注浆压力为该处水土压力加0.1～0.3 bar。惰性砂浆配比如表2所示。施工砂浆缓冲层结构示意如图4所示。

图4 施工砂浆缓冲层结构示意

表2 缓冲砂浆层惰性浆液配方 kg

5 注意事项

(1)清理箱涵因空间小，必须由专业队伍施工，且需做好各项安全防护措施。清理过程中若发现箱涵出现漏水，漏水较小，立刻用快干水泥进行封堵；漏水较大，则进行埋管引流，然后在漏水处采取开孔注浆措施。若漏水较大且涌砂，则立即采取回填措施，临时封闭地面相关道路。

(2)利用盾构掘进线路上的袖阀管加固体作为试验段[12]，模拟盾构下穿侵限箱涵盾构施工，通过对试验段的掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，预测盾构机通过侵限箱涵时可能出现的沉降值，以最优的盾构掘进参数通过箱涵。

(3)由于侵限箱涵施工过程中周围存在较多的回填土，盾构穿越过程中极易因泥水仓压力不足导致超方，进而引起地面大面积沉降，故须提高停机保压值[13]，确保掌子面及上方水土稳定，确保盾构机安全快速下穿侵限箱涵。

(4)当盾构隧道通过污水箱涵前7 d开始进行监测，监测频率为1次/2 d，当盾构掘进面与箱涵距离小于100 m时，按表3进行监测，当盾构通过污水箱涵后仍需持续观测直至稳定。

表3 箱涵及箱涵周围地表监测指标

6 结束语

该技术成功应用于出入段线泥水盾构下穿箱涵，针对箱涵进行前处理，使盾构直接穿过箱涵侵入区，并配合合理的推进速度不仅能保证同步注浆的填充效果，同时推进速度的提高有利于减少因刀盘扰动而造成侵限箱涵周围回填土的塌陷；设置合理的同步注浆量和注浆压力的控制、地面跟踪补偿注浆保证沉降可控。另外，通过配制的惰性砂浆，作为管片与箱涵直接的缓冲层，极大地保证了成型隧道与箱涵之间的受力传递，凝固后不收缩，后期强度稳定，隔水性、耐久性优异，同时隔断地下水渗流侵蚀，对隧道的防水抗渗也起到了加强作用。该砂浆与传统水泥砂浆相比，流动可塑性强，能更好堵塞土仓与盾尾之间的通道和间隙，同时不易粘在盾体盾壳外影响后期盾构掘进；与膨润土、塑料泡沫剂等相比，又具有粘聚性和稳固性，不易让地下水冲刷流失而影响盾构土仓密闭安全性，确保盾构能正常掘进。