盾构隧道下穿高速公路桥梁安全风险研究

李枝龙

摘要：随着地上空间资源越发匮乏，地面交通越发拥挤，对地下空间进行开发成为解决此问题的重要手段。同时，随着城市地铁工程大规模建设和地下轨道交通网加速成型，新建盾构隧道近距离上穿既有地铁隧道工程日益增多。然而在进行地下空间工程建设中，不可避免地会遇到一系列风险，基于此，本文主要对盾构隧道下穿高速公路桥梁安全风险进行研究，详情如下。

关键词： 盾构隧道；高速公路桥梁；安全风险

引言

随着城市化进程的推进，轨道交通建设也在蓬勃发展。除了民用住宅和市政道路外，穿越城市周边的既有高速公路桥梁也是地铁建设的重要研究课题。地铁穿越高速公路施工是在岩土体内部进行的。盾构施工不可避免地会扰乱岩土体的原始状态，破坏土体平衡，进而引起地层变形，导致高速公路的地表沉降。在施工过程中，如果对地面变形控制不当，将危及桥梁桩的稳定性和高速公路的安全运行。

1 盾构掘进的关键工序管理

1.1土压力的管理

在正式掘进时期，参考前 100 环试掘进过程中的成功经验，完善施工监测工作，优化施工工艺，并控制好地面沉降。推进时，注意管控好推进里程，把施工测量得到的数据跟计算出来的三维坐标相校准，在此基础上合理调整盾构姿态。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，在实际施工的时候，应综合考虑盾构所在位置的埋深大小、土层情况以及地表监测结果来适当调整。

1.2出土运输方法

1）轨道输送。适用于各类性状的土砂运输场景，是应用较为广泛的方法。不过运土车需要接替装土，所以可能会出现运输难度增加、土砂掉出等问题。（2）泵送输送。根据运输工作量，在工作井外适配合规格的土砂泵，连接一条稳定可靠的管路用于高效运输土砂。通常，输送间隔在 400～500m 时宜使用泵送模式，如果距离偏长则增加中继泵。（3）皮带输送机运输。在工程量较大的盾构施工中，皮带输送机输送是优质的方法，其具有连续运行、稳定性好、输送能力强等多重优势。硬件配置方面，分别在始发井和地面两处安装合适规格的皮带输送机，并以施工进度为准灵活调控，随盾构掘进的持续推进而同步延伸。

1.3同步注浆

（1）在正式开展施工之前，编制一份全面的注浆作业指导书，并通过浆材配比试验来确定最适宜的注浆材料和浆液配比；（2）明确注浆施工设计、工艺流程和质量控制程序，按照要求操作，并做好检查、记录以及分析工作，绘制 P（注浆压力）－Q（注浆量）－t（时间）曲线，在此基础上分析注浆速度与掘进速度之间的关联，进而对注浆效果作出评估，为下一次的注浆作业奠定经验；（3）创建一支专业注浆作业组，安排操作经验丰富的注浆工作人员来负责现场的施工和管理；（4）参考洞内管片衬砌变形、地面以及周围建筑物变形监测数据，分析后及时反馈结果，为技术人员合理调整注浆参数和施工工艺提供参考依据；（5）必须保证材料充足和及时供应，注意维护注浆设备以确保运行的稳定性，保证注浆管路和设备的清洁，以此促进注浆作业高效进行；（6）每环掘进之前，先确定注浆系统工作状态是否正常，且浆液储量是否充足，掘进时，如果发现注浆系统发生故障，必须马上停止作业，检查情况并确保无问题后再继续掘进。

2 盾构隧道下穿高速公路桥梁安全风险控制

2.1力学计算模型

在新建盾构隧道上跨既有隧道过程中，假设盾构连续施工，建模分析时描述盾构的施工过程是通过位置坐标的改变而实现的，考虑新建隧道开挖造成的卸荷应力 F，盾构开挖面处的推力 q、盾壳摩擦力 f 和盾尾的注浆压力 p 对既有地铁隧道造成的影 响 。 将 既 有 隧 道 视 为 一 系 列 的 短 梁 支 承 在Pasternak 地基模型上，Pasternak 地基模型由地基弹簧层和剪切层组成，从而反应地基土体变形连续性。

2.2 侧穿桩基风险防控

１）做好地下勘探工作，防止推进过程中意外情况发生。 ２）掘进前，认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备检查，确保穿越过程中设备无故障，进行连续施工。 ３） 加强泥土塑性改造，合理设定目标压力、严格控制排土量、均衡推进，使开挖面处的土体受到的干扰最小。 ４）严格控制盾构掘进参数，盾构通过后及时同步注浆，并注意控制同步注浆的量与压力。 严格控制地层损失率，通过质量与体积双控指标，将地层损失率控制在 １％ 以内。 ５）盾构穿越西宝高速前开展试验段（２００ ｍ）进行试掘进，以确定盾构合理参数，从而保证施工过程西宝高速安全运营。 ６） 盾构隧道施工过程中，进行系统、全面的监控测量，实行信息化施工，若发现异常，立即通知相关单位并采取相应的应急预案。 ７）临近桥桩侧（净距小于６ ｍ）进行盾构隧道洞内注浆，用于加固土体，补偿由于盾构掘进可能导致的桩侧摩阻力损失，注浆期间需严格控制注浆压力，避免注浆对桥桩的二次影响，加固长度为穿越点桥桩前后各 ５ ｍ，加固范围为盾构管片以外 ２ ｍ。 ８） 采取同步注浆控制措施，制定详细的监测控制措施，对桥梁和附近地面进行监控，做到“动态设计、动态施工”，并制定详细的监测预警及设计预防措施预防突发事件的发生。

2.3 管片结构自防水

隧道结构防水的核心部分是管片。为使管片达到相应的精度要求，就需要在管片的模具制造中严格要求精度，除此之外，在管片的原材料质量上也需要进行严格要求，例如混凝土中固体颗粒的级配程度和含泥量及搅拌配合比等。同时对于盾构管片，在混凝土施工规范基础上，还有更严格的要求：（1）水泥标号不宜小于 42.5 级；（2）石子粒径不宜大于 20mm；（3）砂子宜用洁净的中砂；在混凝土管片的质量保证中，对混凝土的养护亦是极为重要的一环工作，对于混凝土的养护时间、养护温度、时间和环境的湿度等都有严格的要求，否则可能会导致混凝土管片无法达到预期的强度或防水能力。

结语

总之，盾构下穿施工产生扰动，使原有土层的稳定性受到破坏，容易对路面结构产生较大的影响，引起较大的地面沉降，需要对整个掘进过程进行专项分析和风险评估。盾构隧道施工引起的地表及挡墙结构变形具有显著的时空效应，数值模拟的方法无法做到绝对定量模拟复杂环境下盾构隧道施工全过程，应根据现场监测结果结合数值分析方法，及时调整盾构掘进参数，严格控制盾构推力、注浆压力等掘进参数，最大限度保证既有道路及挡墙的安全。

参考文献

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