盾构穿越高架桩基风险辨识与控制技术

1　工程概况

　　长江西路越江隧道新建工程采用Φ15.43m泥水气压平衡盾构施工，南线隧道盾构从浦东工作井向浦西工作井推进，进洞前首次从预留空间中的逸仙路高架、轨道交通3号线桩基穿越；盾构进洞后转位，由浦西工作井向浦东工作井推进北线隧道，盾构出洞后将再次穿越轨道交通3号线、逸仙路高架桩基。
　　浦西工作井距轨交3号线桩基约为29.4m，逸仙路高架桩基距轨交3号线桩基约为19.6m；南线盾构与逸仙路高架桩基最小净距约2.285m，北线盾构与轨交3号线桩基承台最小净距为1.055m，穿越处的桩基为PHC管桩和钢筋混凝土方桩，穿越部位与高架在平面上近似垂直相交。穿越段南、北线隧道顶埋深约15.0m，穿越段隧道主要处于④层灰色淤泥质土、⑤1层灰色黏土及⑥层暗绿～草黄色粉质黏土中。
　　图1为盾构穿越高架桩基工程平面位置图。


2　盾构穿越桩基的施工风险分析

　　轨交3号线北延伸线是连接宝山地区和市中心的一条重要的轨道交通线，采用高架形式敷设；逸仙路高架是宝钢、吴淞地区连接上海中心城区的快速通道，高架主线为双向4车道的城市快速路。穿越路段地面交通作为上海市重要的物流集散地，车流、人流较大，是该地区重要的货运和客运的交通干道。
　　长江西路隧道工程盾构穿越既有轨道交通3号线与盾构穿越市区高架路有着极大的相似性，不同的仅是桥梁上部的动荷载，因此，对3号线的控制要求更为严格，其保护等级为一级，要求3号线的两轨道横向高差小于4mm，主体结构的最终绝对沉降（或隆起）量和水平位移量小于10mm，两相邻承台的差异沉降小于等于6.25mm。
　　2.1　盾构穿越高架可能引起的风险
　　图2为盾构穿越轨道交通3号线及逸仙路高架施工风险辨识方框图。



　　1）盾构在推进时与轨道交通3号线、逸仙路高架垂直穿越，因此，首先需要考虑上方的桥梁跨径是否满足盾构施工要求，另外盾构在高架桥下推进前，须对桥梁下部结构作详细调查，包括桥台形式和桩的数量、长度、直径、桩位布置形式。如果地质勘测和桥梁下部结构调查不全面，将会影响盾构推进的施工控制。
　　表1列出来轨交3号线、逸仙路高架的桩基、箱梁、立柱的类型及跨距、净空高度、承台尺寸。



　　2）盾构推进引起桩基周围土体扰动主要体现在：
　　⑴盾构经过高架桩基础时，可能引起地下水含量和紊流运动状态的改变；含砂土颗粒的泥水不断沿初砌管片接缝渗入，引起局部土体坍塌。　
　　⑵盾构机前进所遇到各种阻力，反作用于土体，产生土体附加应力，引起桩基周围土体变形甚至破坏。　
　　⑶当管片脱出盾尾时与周围土体产生的建筑空隙不能及时注浆填补，使上部土体向管片坍落，覆土层出现一些附加的间隙或裂缝，密实度降低；隧道纠偏时，盾构两侧土体应力应变扰动土体的结构及物理力学参数的变化，影响到上部结构的安全。
　　⑷受盾构推进的影响，盾构机前后、左右、上下各部位的土体以及浆液的固结、次固结沉降都使土体产生向下的位移变形。
　　3）桩基周围的土体受到扰动，桩基可能会发生一定挠曲，这种挠曲会随着盾构的不断推进而改变方向，桥梁的桩基产生挠曲会改变桩原来的受力特性，会使桩与桩之间产生一定程度的差异沉降，由此会影响到桥梁上部结构。
　　4）盾构在推进施工过程中会引起高架桩基础附近土体的变形，如果变形程度较大，导致桩基不均匀沉降，则会引起高架桥面起伏不平。在列车的动荷载作用下，铁轨将产生较大的变形，列车振动严重时会造成出轨事故，列车车速越快，危险越高。
　　5）上部列车动荷载传至下部结构，影响到土体，增大了盾构掘进风险。
　　6）如果忽视对隧道以及周围地表沉降、高架桥梁上部结构的监测，信息化施工不力，将影响盾构的推进。
　　2.3　盾构穿越高架风险预控目标
　　依据上海市隧道工程轨道交通设计研究院的《长江西路隧道工程穿越轨道交通3号线及逸仙路高架专项论证报告》，上海申通地铁集团有限公司对轨道交通3号线高架结构以及营运安全的保护提出的控制标准为地表沉降、地铁结构的最终绝对沉降、隆起及水平位移量控制在10mm；上海市市政工程管理处对逸仙路高架保护提出的控制标准为地面的日沉降量为3mm，累积沉降量控制在10mm；立柱的日沉降量为2mm，累积沉降量控制在5mm。
3　盾构穿越高架施工风险控制
　　采用有限软件MADTS进行有限元分析，盾构机在推进过程中会使地表面产生较大沉降，同时承台（或立柱）的沉降也较大，不能满足变形控制要求。数值计算结果表明，在将地层损失率控制在4‰的基础上，并对盾构周边土体进行MJS单排加固（直径2.4m，深约34m），则双线隧道掘进后地表最大沉降量为10mm，高架承台的最大附加水平位移量为9.3mm，最大附加沉降量为3.2mm，满足保护控制标准。
　　3.1　高架桩基MJS隔离桩加固
　　盾构穿越轨道交通3号线、逸仙路高架墩柱桩基，对穿越区地基采用MJS工法进行加固，对高架桩基采取隔离保护措施，沿轨交、高架承台布桩呈“L”型，见图3。桩体为半圆摆喷，摆喷方向为背向承台方向，尽可能减小喷射时对原轨交、高架桩体的摩擦力破坏。表2为MJS工法桩工程量。




　　3.2　盾构穿越桩基施工技术控制

　　将盾构穿越逸仙路高架、轨道交通3号线推进分为试验段、影响段、穿越中和穿越后4个阶段。
　　1）在穿越前先对高架进行检测评定；按不同阶段，调整盾构机参数进行推进；全过程进行高架立柱沉降、水平位移监测；在穿越前准备好托换用材，在桥面沉降超过权属管理单位允许值时及时安装钢结构托换装置，根据实时监测情况同步调整千斤顶，控制高架桥面沉降值。
　　2）穿越高架桩基盾构施工建议参数见表3。


　　3）具体控制要点：
　　⑴盾构穿越施工总体按照“分步慢速推进，保持土压力，适时适量多点多次注浆，少量低压进行地基加固”的施工技术要点组织施工，土层损失控制不宜超过2%。　　
　　⑵穿越前确保盾构设备的完好率，尤其是液压系统、注浆泵及注浆计量系统等设备的完好，做好设备维修应急保障工作，缩短应急时间小于20min。　
　　⑶盾构穿越前先进行试验段模拟，以便于优化和掌握施工参数，为盾构穿越风险区提供可靠的施工参数，主要包括盾构推进、转向、正面压力、同步注浆、地基加固等。模拟方式为先埋设２～3个断面的深层点，模似深层土体的扰动不应超过5mm，地面隆起或沉降应严格控制在2mm内。
　　⑷盾构穿越风险区管片增加注浆孔，以利于注浆。
　　⑸盾构均匀、慢速、稳定地推进。严格按照经优化后得到的推进速度进行推进，保持盾构正面土压力，加快管片拼装速度，减少推进停滞时间。
　　⑹实施信息化施工，并根据即时监测数据情况决定是否调整已用施工参数，控制施工引起的高架结构变形，使其始终满足轨交运营状况。重点对整体倾斜、高架位移及侧向位移实施监测。
　　⑺组织风险预测、风险论证、专家评审，制订有针对性、可操作的安全应急预案，并加强现场安全管理。
4　结语
　　长江西路越江隧道新建工程采用f15.43m大直径泥水气压平衡盾构机近距离穿越高架桩基，技术复杂，施工难度大。通过参建各方的精心组织，严格管理，对施工专项方案的反复论证和优化，穿越前充分做好风险预控，穿越中对风险点严密监测，强化安全风险管理，终于顺利完成南线盾构的穿越，其为北线盾构再次穿越轨交3号线、逸仙路高架桩基，提供了坚实的理论基础和宝贵的实践经验。