超大泥水盾构穿越高架桥桩保护性控制技术

1 工程概况
　　上海长江西路越江隧道新建工程T1标圆隧道段由南线和北线2条隧道组成，采用德国海瑞克公司制造的f15.43 m超大型泥水气压平衡式盾构掘进机施工。南线隧道全长1538.942m，共770环（环宽2m）；北线隧道全长1545.683m，共775环。盾构隧道主线最大纵坡为4%，最小平面曲线半径910.805m。
　　南、北线盾构均需穿越逸仙路高架及轨交3号线高架的立柱及承台。穿越时，南线盾构机距离逸仙路高架桩基最近处为1.055m，距离轨交3号线高架桩基最近距离为2.285m；北线盾构穿越时距离轨交3号线高架桩基最近距离为1.045m，与逸仙路高架桩基最近距离为1.660m。
　　图1为南北线盾构穿越高架平面示意图，盾构在第738环开始穿越逸仙路高架桥桩，桩基类型为450mm×450mm混凝土方桩；第750环开始穿越3号线高架桥桩，桩基类型为f600PHC管桩。图2、图3为南北线盾构与高架桩基位置剖面示意图。






2 工程地质
　　根据地质勘探报告，盾构穿越高架桩基期间主要位于④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土、⑤3灰色粉质黏土和⑥暗绿～草黄色粉质黏土地层中，土层的物理力学性能见表1。

3 盾构施工对高架桩基稳定性的影响
　　盾构近距离穿越逸仙路高架和轨交3号线高架的桩基群，极易引起高架的不均匀沉降和高架立柱的沉降，盾构在穿桩前、穿桩中以及穿桩后的不同阶段里，对桩基产生的影响有所不同。
　　1）盾构切口到达桩基前，由于盾构推进引起的地层不均匀沉降会对桩基区域产生影响，不仅引起桩沉降，还会在桩的上部产生负摩阻力。由于地层位移作用引起桩体局部位置发生水平位移和竖向位移，进而产生相应的内力，从而影响桩基承载力。尤其是逸仙路高架桩基为混凝土方桩，埋深较浅（桩底标高约-29m左右），因桩底土的位移，会引起桩端承载力的部分或全部丧失。
　　2）在盾构开挖面到达桩、盾尾通过桩的施工阶段里，因地层的应力释放、土体的扰动而产生的竖向和水平变形，也会对桩体产生扰动和附加荷载。
　　3）盾尾脱出桩时，由于盾尾间隙的存在、浆液的作用、管片的变形、管片漏水等，引起地层应力释放或负载、土体有效应力的增加，从而产生地层竖向和水平的弹塑性变形及压密沉降，引起桩的水平位移和竖向位移以及相应的内力。此外，盾构穿越桩基后由于前期各阶段的土体扰动所引发的固结和蠕变残余变形沉降，将在桩身上继续产生负摩阻力，使桩的沉降和外力进一步增大。
4 保护高架的主要控制技术
　　结合盾构穿越桩基各阶段的施工特点，确定具体的控制技术措施，有助于确保盾构穿越高架时高架运行安全。
4.1 盾构穿桩前的控制技术
　　1）经过方案比选，本工程选取MJS工艺施作隔离桩，对高架进行保护。对穿越区地基施作MJS隔离桩，沿轨交、高架承台布置成“L”形（见图1），桩体为半圆摆喷，摆喷方向为背向承台方向（见图4），尽可能减小喷射时对原轨交、高架桩体摩擦力的破坏。


　　2）在盾构推进至离桩基50m左右进行推进参数优化
　　⑴ 根据该区段的土层分布、地下水的水头标高和隧道轴线埋深，采用静止土压力计算公式计算出理论泥水压力值为0.25～0.27MPa，并根据深层沉降监测数据逐环进行调整。最终穿越期间实际推进泥水压力设定的范围为0.32～0.34MPa，此时，盾构推进对前方地表仅产生±3mm以内的扰动。
　　⑵ 盾构推进速度对前方地层扰动有重要影响，推得过快，则刀盘开口断面对地层的挤压作用相对明显，地层应力来不及释放；推得过慢，则刀盘的正反转动对地层扰动作用相对明显，容易造成建筑空隙。为减少对周边土体的扰动影响，根据以往施工经验和前阶段沉降数据，控制推进速度在1.5～3mm/min左右。在实际施工中，根据沉降的情况穿桩前后推进速度基本都保持在3mm/min。
4.2 盾构在穿桩过程中的控制技术
　　1）盾构在穿越桥桩时，因平面或高程的纠偏，会增加对土体的扰动，故应尽可能保证盾构匀速通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。
　　2）同步注浆的浆液为新型单液浆，要求浆液坍落度控制在14±2cm。根据前期施工经验，同步注浆量一般为建筑空隙的110%～130%（22.6～26.7m3）。盾构实际穿越逸仙路高架桥桩基础之前，同步注浆量为125%左右，从731环时监测信息分析发现，盾尾脱出731环时发生较为明显的地面隆起，达到15mm左右。因此在盾构切口进入高架桩基范围后，根据地层变形监测信息，及时动态调整同步注浆量，经过实测数据的总结分析，为确保了地表沉降控制在10mm之内，实际穿越桥桩基础同步注浆量约为25m3，为理论建筑空隙的120%左右，从而对高架桩基起到了更好的保护效果。图5为盾构穿越桩基过程中的实际同步注浆量示意图。


　　3）若发现盾构背部上方的地层沉降较大，可通过盾壳上预设的19个均布注浆孔进行注浆，补充掘进引起的地层损失。视注浆压力和地层变形监测数据而相应调整压入位置、压入量、压力值，确保盾构在穿越过程中，将地表沉降控制在最小的范围内。
　　4）为提升浆液充填的均匀性，每块管片内弧面增开2个注浆孔；且穿越段的管片均增设剪力销，用以提升管片间的抗剪能力，有利于提升隧道衬砌圆环的成环稳定性和管片外建筑空隙的均匀性。
4.3 盾构穿越桩基后的控制措施
　　由于受土体固结沉降、浆液的收缩变形，以及从盾尾脱出的管片在外部荷载作用下发生变形等因素的影响，盾构穿越桩基后地层会发生后期沉降，从而会对桥桩造成影响。因此，对桩基的后续沉降必须进行跟踪监测，必要时可通过补压浆的方法对盾构穿越后的土体进行加固。由于同步注浆后地层均产生一定程度的上浮，且随着地层固结和浆液收缩等后期变化，地面隆起逐渐回复，本工程在实际施工中并未进行补压浆。
　　盾构通过桩基群半年后，地面隆沉控制在±5mm内（见图6），逸仙路高架立柱及3号线高架立柱沉降也均控制在±5mm内（见图7、图8）。






4.4 监测警戒线的设定
　　为了较好地控制盾构在整个穿越高架桥桩基础过程中的地面沉降、立柱沉降和水平位移，制定了监测的警戒线及超警戒值时的控制方案（见表2）。在施工监测过程中，当所监控的位移超出警戒值时，可通过及时调整施工参数和提高监测频率及实施超警戒值的控制方案。在实际施工过程中，由于保护性控制措施的合理实施，高架支承柱的位移始终处于安全范围内，并未采取预定的深孔分层注浆以及顶升等应急控制措施。


5 结语

　　长江西路越江隧道南线盾构于2012年4月顺利穿越逸仙路高架和轨交3号线高架的桩基群，穿越期间地面沉降控制在-10～+20mm；穿越后地面沉降控制在-5～+10mm、立柱沉降和水平位移控制在±5mm，均在安全范围内，施工期间未对高架的正常运行造成影响。
　　施工参数的优化以及各项控制技术的有效运用，对高架的保护取得了良好的控制效果，可以为北线隧道的施工以及今后类似工况的顺利施工提供参考。