富水砂卵石层临近既有桥墩常压开仓施工技术研究

文／张纹豪 中铁十五局集团有限公司 四川成都 610000

1、工程概况

倪家桥站～火车南站区间盾构隧道，起止里程Y(Z)DK1 8+081.366～YDK19+688.922(ZDK19+689.610)，右线长1607.060m、左线长1607.996m。根据现场施工状况可知，在左线7环至22环的施工中，存在推进速度波动明显、推力高于正常值、刀盘扭矩增加的变化，难以顺利完成掘进作业。为此，考虑带压作业条件差及风险高等因素，需组织常压开仓作业，由专业人员对土仓做全方位的排查及处理，以便继续后续的盾构掘进作业。

2、开仓位置选择

倪火盾构区间左线现掘进至22环（刀盘位置28环，里程ZDK19+647.897），需再掘进8.21m，刀盘到达34环位置（里程ZDK19+639.687）后停机开仓。

3、开仓位置工程环境概况

（1）工程地质

开仓位置隧道埋深约12.608m，隧道拱顶为稍密卵石土，隧道断面由上到下依次为约4.7m稍密卵石土、3.2m中密卵石土及0.4m强风化泥岩，开仓位置地层稳定性较差。卵石土中的卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量60～80%，粒径以20～80mm为主，部分粒径大于150mm。夹零星漂石，由探井揭示，最大漂石粒径达300mm。

（2）水文地质

根据地质勘探报告的反馈，施工区域内地下水位呈西北高东南低，且具有埋藏位浅、季节性变化的特点，洪水期集中在7月、8月、9月，枯水期主要是12月、1月、2月，其中8月份地下水位埋深最浅，洪水期地下水水位埋深约为2～4m，枯水期地下水水位埋深为3～5m，结合区域内地下水水位动态长期观测资料，在普遍天然情况下，区内水位变化幅度约为，中测得场地地下水位埋深为2.1～11m。

（3）管线情况

图1 开仓停机位置管线平面图

根据管线探测图和现场实际调查情况，盾构机停机位置范围内无管线，盾构机停机位置附近主要存在的管线有：一条D600污水管，距离停机位置前方7.73m，埋深7.7m，一条350×150mm通信箱涵，距离停机位置后方5.45m，埋深0.7m，一条250×150mm通信箱涵，平行于左线隧道东侧3～3.67m。

（4）既有桥墩 盾构隧道在Y（Z）C19+160～Y（Z）C19+670里程范围侧穿火车南站跨线桥（火车南站以北段）。该桥为独立桩基础，桥面为连续梁，基础位于密实卵石层。隧道侧穿桥梁基础，最小净距约2.3m。隧道右线穿越地层主要复合卵石土和强风化泥岩。

4、开仓区域地层处理

考虑常压开仓的施工风险，结合砂卵石地层的自稳性差，且临近既有桥墩，开仓风险较大，必须采取相应技术措施。采用6根φ1500@1750mm混凝土素桩+2口降水井进行加固处理。桩底标高为472.51m，嵌入隧道底1m，桩顶标高为地面以下3m，即桩长约18.908m。即开仓位置为盾构机刀盘磨桩1m，保证土仓顶部在加固范围内。

为保证盾构掘进过程中桥的安全，需对以下桥墩采取一系列加固措施，具体需加固的桥墩如下：

开仓位置新增素桩距离既有天府立交桥C-2桥桩，中心间距5.2m，净距3.7m，既有桥桩桩底标高为480.124m，位于<3-8-2>中密卵石层中，距离强风化泥岩6.2m，新增素桩桩底标高为472.51m，位于<5-2>强风化泥岩，进入强风化泥岩1m，既有桥桩与新增素桩桩底竖向间距7.614m。既有桥桩前期考虑盾构侧穿进行了预加固处理，预加固处理措施为DN219@500mm钢管隔离桩+袖阀管注浆，钢管隔离桩伸入隧道下1m，桩底标高为472.774m，钢管隔离桩施工完成后，进行注浆加固，加固范围为既有桥桩周边2m，桩底以下2m。

C-1、C-2号桥墩基础均为1根直径1.5m的摩擦桩，其中C-1桩长14.2m，桩顶标高493.721，C-2桩长12m，桩顶标高492.124，均需要加固处理。桩基加固采用地面预注浆+洞内注浆+隔离桩的加固方式，详见下图2。

图2 C-1、C-2号桥墩与区间隧道位置剖、平面关系图

5、洞内加固

（1）为降低风险，避免盾构通过建筑的沉降及位移，选择在局部段落的管片上增设注浆孔、打设注浆管，灌注浆液，加固隧道周边地层。临近围护桩侧半圆增设注浆孔，注浆范围3m，洞内注浆通过注浆孔（含吊装孔）进行，增设注浆孔管片由管片厂提供，严禁擅自开孔。注浆管采用φ42×3.5mm的钢花管，其总长度为3m。

（2）洞内加固二次深孔的工艺流程如下：

（3）注浆材料：在隧道开挖对地表建筑物影响较大的地段，防止周边土体松动领域的扩大，选择水泥—水玻璃双液型浆液。根据以往的施工经验，水泥浆所用材料及配比如下：

1m3的配合比为（kg/m3）水泥：水=500:680的水泥浆，水泥浆：水玻璃=10:1（体积比）。在具体的施工中，应根据实际情况对配合比做相应的调整，尽快达到凝固时间。

（4）注浆施工。洞内加固注浆通过注浆孔（包括吊装孔）进行，浆液采用同步注浆浆液，在管片脱出盾尾第4～5环开孔，每掘进2环开孔一个，注浆量一般控制在1～2m3，注入率系数取1，具体的注浆压力与注浆量需根据现场实际情况而定。1）注浆压力。双液浆注浆压力控制在0.3～0.4MPa。2）二次补强注浆工艺。在注浆前先选择合适的注浆孔位，戴上注浆单向球阀后，用电锤钻穿该孔位后3cm保护层，往里面打20cm深孔开孔，放入一节1m长钢花管，继续旋转进入，钢花管共计长3m，接着再安装连接三通，并在三通2边接入水泥浆管和水玻璃管。在开展双液浆注浆作业时，应先注入纯水泥浆液，持续1min，接着再开启水玻璃阀，混合注入纯水泥浆液和水玻璃，终孔时应调整水玻璃的浓度，以保证注浆质量。在完成前一注浆孔的注浆作业后，应保持静止5～10min，再打开注浆头，疏通检查注浆效果，若发现水很大，应再次进行注浆作业，直至较少水从注浆孔流出。拆除注浆头后，应及时采用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵，接着再用塑料螺堵进行封堵，循环完成所有注浆孔位的注浆作业。相邻管片孔位示意图如图3：

图3 相邻管片孔位示意图

根据施工规范，应在预注浆孔设置排气孔和安装注浆单向逆止阀，在注浆过程中应同时打开球阀和注浆单向逆止阀，直到浆液从注浆孔中冒出，关闭球阀，等待10min后打开注浆头，检查注浆情况，若有水溢出，则要继续进行注浆。

（5）注浆结束标准。1）在开展注浆前和注浆过程中，应动态观察管片情况，若管片出现移位等异常情况，应马上停止注浆对异常进行排查；2）注浆过程中应密切关注土仓压力，若发现土仓压力出现异常应立即停止注浆，如实记录和上报；3）在完成注浆孔注浆作业后，应静待5～10min，再打开注浆头，检查注浆情况，若水很大，应继续进行注浆作业，直至水变小后才能够实施终孔，拆除注浆头，注入双快水泥砂浆和采用塑料螺堵进行封闭。

6、辅助及应急措施

6.1 止水环箍

（1）严格执行施工规范对隧道内脱出盾尾的3～10环管片进行二次注双液浆，加固管片，保证止水效果，避免盾尾后部的地下水渗入盾体区域，提升开仓的安全性。

（2）控制注浆压力，采用压力流量双重控制的方式对注浆压力进行控制，其中以压力控制为主，流量控制为辅助，使得注浆压力保持在0.2～0.35MPa范围内。

6.2 管片加固措施

在完成管片背后二次补浆作业后，施工人员要对盾构台车范围内的所有管片螺栓进行复核紧固，并采用4道10号槽钢拉紧盾尾后部15环管片，加固管片，提升止水效果。

6.3 应急措施

充分讨论，反复研究，制定科学的应急预案，并在开仓前组织现场演练，24h全天候对施工现场进行巡视监督，加强对地面沉降的检查监测，每天不少于6次，详细如实记录监测数据，及时将监测报告反馈至值班技术人员，如果发现异常情况要立即反馈上报，避免问题扩大化。

7、开仓准备

（1）适度掘进（到达开仓区域）

盾构机以满仓、保压的状态掘进，在此期间检测并有效控制出土量。随着运行进程的推进，临近和切入素桩加固体时，调控好速度，此过程始终不超过20mm/min，而为了最大限度减小刀具的磨损量，掺适量的膨润土，用于润滑。

（2）开仓的安全性评价

系统性地评价开仓部位的地质条件，检测仓内各项与安全有关的指标（含氧量、有毒有害气体浓度等），在确保无安全状况的前提下，方可开仓。

（3）开仓前止水封堵措施

1）盾构掘进至临近开仓位置的加大同步注浆量，保证填充密实；

2）为确保截断管片后的水路，需在盾尾第4～10环范围内通过管片注浆孔二次补浆（双液浆），形成止水环，确保掌子面无后方来水，浆液采用水玻璃与水泥浆1:1比例调制（具体根据现场实际情况进行调整）；

3）止水环施做完毕后，应对止水效果进行检查确认。采取击穿止水环前方的管片注浆孔检查止水效果，如仍有渗漏水，应重新进行二次注浆。

8、开仓过程

盾构开仓技术要点较多，为了保证开仓的安全性和有效性，需按照特定的流程有序进行，例如实施签认制度等，开仓后冷却土仓并加强空气置换。具体的开仓流程，如图4所示。

图4 开仓换刀流程

降水井运行一周后，刀盘位置静态水位达到15.73m时，进行开仓作业。

经进仓检查：刀盘整体嵌入桩体情况良好，掌子面坚实稳固，除1点钟方向存在少量渗水外，整体满足开仓作业条件，地层处理达到预期目的。

刀盘磨损情况良好，无断刀、掉刀现象，取出一根嵌入刀槽约2m的钢筋并关闭仓门试掘进后，参数恢复正常。

盾构停机至恢复掘进过程中，经监测数据反映刀盘位置地层及桥墩沉降变形可控。

结语：

（1）在富水砂卵石地层中，采用钻孔灌注桩技术能够有效平衡刀盘前端水土压力，实现加固地层和辅助降水，改善常压进仓环境的目的；

（2）对刀盘前端既有桥墩采取隔离桩及袖阀管注浆加固措施，可以有效保护既有桥墩的安全；

（3）重视监控量测工作，特别是对砂卵石地层、桥墩的监测，及时反馈并指导开仓作业。

通过加强以上施工过程控制，并严格按照施工参数规范施工，顺利完成了富水砂卵石地质环境下临近既有桥墩常压开仓处理盾构故障作业，为类似工况下的开仓施工提供借鉴。