山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工技术研究与应用分析

顾建炉

（中交四公局第三工程有限公司，北京 100123）

在我国地下轨道交通建设规模持续扩大进程中, 地下轨道交通工程周边环境愈发复杂,暗挖隧道下穿桥梁工程持续涌现,对地上桥梁结构体完整性与坚固性控制、地下透水失稳问题防控均提出了较高的要求。特别是在山地城市,地下环境干扰因素较多,一旦操作不当,就会对桥梁结构体造成危害。因此,根据山地城市特殊情况,探究暗挖隧道近距离下穿桥梁施工技术措施具有非常重要的意义。

1 山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工项目

1.1 工程基本情况

某桥梁施工项目位于山地城市,临近暗挖隧道,拱顶部为直墙截面形式,隧道长度为168.95m,净宽度为7.56m,毛宽度为12.32m,工法为浅埋暗挖法。隧道走向为东→西,下穿平顶直墙矩形截面形式的桥梁, 主通道埋设深度在16.23m 左右,平顶部直墙覆盖土层厚度为8.56m, 拱顶直墙覆盖土层厚度为6.89m。隧道近距离下穿桥梁情况如图1。

图1 山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁位置

如图1 所示, 桥梁设计荷载为公路-I 级, 人群荷载4.00kPa,抗震设防标准为抗震设防B 类,抗震设防烈度为VII度,桥梁表面横向坡度为1.50%(车行道)、2.00%(慢行一体),桥梁下层净高大于等于3.50m。桥梁桩基长度为14.85m, 与隧道北侧2# 导洞距离为0.10m, 与隧道南侧导洞净距离为8.65m,与隧道北侧护壁净距离为0.99m,与隧道南侧护壁静距离为11.32m, 通道开挖破裂面范围占据总体桩长的10.0%。桥梁桩基顶端以下2.36m 为隧道底板底,隧道桩基顶端以下5.32m 位置为隧道北侧导洞。

1.2 地质情况

隧道选择全断面开挖方法,隧道岩层处于中风化白云岩,岩体等级在IV 级到V 级之间, 岩溶发育强度在中等到强烈之间,承载力超过240.00kPa,地下水较发育。某山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工地质情况如表1。

表1 地质情况表

工程所在场区最大地表径流为常年流水河, 所处地下水位波动不大, 埋深在0.70m～2.00m 之间, 水位年变化幅度在1.23m～1.62m 之间,地下水可与地表径流互相补充。

工程所在地夏季风力最大在7 级到8 级之间, 为亚热带与暖温带过渡带,因地区处于暖温带半湿润季风气候区,冷气团与暖气团交会频次较高,天气变化较为频繁,夏季降雨量较大, 气温较高, 冬季降雨量较少, 气温较低, 年均降水量为956.20mm,6 月份到9 月份为汛期。

2 山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工理论及方案

2.1 施工理论

因案述工程位验为断裂破碎带(强风化带内岩体),可假定位于山地城市的暗挖隧道近距离下穿桥梁围岩处于散体状态(无内聚力),且上方围岩可形成波动不大的普氏压力拱的情况下,引入岩体坚固系数f,得出一个f 与正应力之间的函数。此时,隧道顶部中央围岩压力远远高于其他位置围岩压力[1]。基于此,可以从顶部中央围岩压力控制着手,进行暗挖隧道下穿桥梁施工方案的设计。

2.2 施工方案

对于暗挖隧道下穿桥梁施工来说,需要从地上、地下两个层面着手进行方案设计。地下、地上同时施工的方式,可以规避临近构筑物地基承载力不均而引发的桥梁开裂或倾斜问题,结合基础加固、地基基础处理以及补强技术操作,可以提高暗挖隧道下穿桥梁施工安全系数,降低距离较近的地上地下工程相互影响程度,确保工程质量与工期满足前期设计要求[2]。

2.2.1 地上施工方案

因开挖面与桥梁桩基底部距离较小, 在桥梁隧道开挖阶段,应利用台阶法进行开挖(如图2 和图3 所示)和利用长导管WSS 注浆技术。台阶法开挖施工图中Ⅰ采用注浆小导管施工,Ⅱ采用环形开挖施工,Ⅲ采用挂网施工,Ⅳ采用环形开挖,Ⅴ采用挂网,Ⅵ采用二衬砌和底板回填施工。长导管WSS注浆技术对桩基底部土层进行超前注浆加固,确保注浆体单轴无侧限抗压强度、渗透系数分别大于等于1.20MPa、110.00cm/s, 压力试验值则大于等于0.50MPa, 小于等于1.00MPa。

图2 台阶法开挖施工横向示意图

图3 台阶法开挖施工纵向示意图

在注浆前期, 利用长3.50m、宽2.20m、高5.40m 的RPD-130C 型钻机,围绕桥梁桩基布置浆液灌注孔,灌注孔之间距离为0.80m,直径为0.80m,扩散半径为0.60m,每米水泥用量为120.00kg,孔隙率为0.20%,填充系数以及损耗系数分别为0.70、1.05。在注浆孔布置完毕之后,利用长导管WSS 注浆技术向桥梁桩基周边注入水泥浆,以便在加固桥梁桩基周边土体、桩基底部土地的同时,降低暗挖隧道操作对土体的干扰,为桩基端部承载力提升提供支持[3]。

鉴于山地白云岩层可注入浆液性质较佳, 可以采用单液水泥浆,水与水泥、减水剂配比为1.00:1.00:0.08,形成渗透注浆。若遇细颗粒土层,则利用劈裂注浆的方式,减小压力,避免浆液灌注体顶部压力过大引发地面隆起。

在地面注入浆液后,依据配置灵活、安全功能完善、历史曲线记录、故障自诊断、控制精度高、远距离数据监视的标准,选择适宜的顶升设备控制装置。比如,PLC 液压同步顶升自动控制系统控制的顶升设备。在顶升设备以及对应的控制装置确定后,以桥墩基础竖向位移超出控制值8.00m 为标准,将钢板垫设到固定盆式支座下方。为了达到良好的支座、梁体复位效果,需要事先将盆式支座、墩柱之间联系拆除,进而在设计位置安放盆式制作、箱梁。具体安放操作过程中,应在将钢筋设置到承台顶部并浇筑混凝土的基础上,沿着桥墩底部承台东侧、西侧分别进行临时支撑放置,常用的临时支撑为直径800.00mm、长10.00mm 钢质管道,管道内部已浇筑混凝土。在临时支撑安装完毕后,适当放松桥梁固定支座下垫设钢板的地脚螺栓并开启千斤顶,顶升桥梁表体,顶升高度为5.00mm。在桥梁底部没有下沉高程为±0.00mm 时,调整临时支座。调整完毕后关闭千斤顶,完成临时支撑上桥梁安装放置,临时支撑上承载的桥梁表体重量占总重量的70.00%～90.00%。进而进行钢垫板平整处理,促使钢筋焊接盆式支座、钢垫板形成一个整体。最后,再次启动千斤顶进行箱梁的顶升操作。在箱梁顶升操作过程中,需要利用厚度一定的钢质垫板进行盆式支座下方填充,填充后下落箱梁到设计位置[4]。需要注意的是,若下落后箱梁高程超出以往高程2.00mm,则需要进行支座下方钢质垫板厚度的重新调整,确认无误后方可进行临时支撑的拆除以及下垫板地脚螺栓的拧紧操作。

2.2.2 地下施工方案

鉴于案述暗挖隧道临时仰拱为半径41251.00mm 的双拼工字钢, 除了借助跨中高强螺栓拧紧操作向工字钢施加50.00kN 预应力外,还需要从上导洞着手,进行下人工桩的深挖,达到限制导洞边墙向一侧水平位置偏移的目的。根据案述暗挖隧道下穿桥梁现场条件,可以选择每间隔4 根桩基跳跃开挖方式,每一次以往承台范围内施工的桩基数量限制在1 根,并在桩基底部进行浆液灌注管的预先埋设,以便在桩基开挖24.00h 内注浆补强加固底部土体。

在隧道下穿桥梁环节,外避免边桩外侧土体失稳,技术人员可从既有桥梁桩基、周边土体摩擦力控制着手,强化主体结构土方开挖后期桥梁桩基横向支撑装置设置[5]。即在土方开挖完成后第一时间将临时钢支撑架设到边桩侧向位移位置,钢支撑两个端头均位于边桩后,降低桥梁桩基承受压力。临时钢支撑的拆除时间为中板达到设计强度。

3 山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工技术要点

3.1 开挖技术要点

在地下操作过程中, 为了确保临近桥梁结构安全稳固性,技术人员应依据先左线下穿后右线下穿的顺序进行操作,左线下穿与右线下穿交汇点为左线二次衬砌完工。鉴于案述工程岩体材料并非均匀、各向同性的连续介质,时刻承受着岩体节理材料、裂隙力学行为、实操阶段机械荷载等因素干扰,加之现场地质环境高度复杂,应选择应力释放速度较慢的冷开挖法。事先利用潜孔钻向掌子面上钻设梅花形孔洞。孔洞钻设完毕后,以破碎锤+人工修整的方式,进行有序操作,规避隧道下穿操作对桥梁安全稳定性干扰[6]。整个操作过程中,技术人员应借助超前地质预报理论, 以前方地下水发育情况、岩溶发育情况为对象,进行探测,根据探测结果,采取恰当的防控措施,降低掌子面上部、前方溶腔冲水乃至泥水突涌问题发生概率。

3.2 支护技术要点

在操作前期, 技术人员应配合跟管钻进操作进行大管棚超前支护,规避孔洞钻设期间地表形异变问题。在支护操作时,技术人员可以利用DTM352 型全站仪,准确放出钻孔位置以及桥梁位置[7]。对桥梁位置进行再次检测,确保放线误差小于等于5.00mm。进而利用木质桩带入地面,打入地面深度为30.00cm～40.00cm,并沿着木质桩撒白灰,避免后期机械破坏。

在初期支护通过的桩基数量等于1 根且长度与二次衬砌循环长度相等后,技术人员应暂停掌子面开挖并完成掌子面封闭。在掌子面封闭后,进行二次衬砌混凝土的浇筑。在二次衬砌混凝土浇筑强度达到设计强度的80.00%及以上后,技术人员可以进行下一次衬砌循环的开挖。初期支护为I25b(或I28b) 型钢钢架全环设置+33.00cm～36.00cm 厚C30 早强混凝土(重度为25.00kN/m3,泊松比为0.20),每榀型钢钢架之间距离为0.50m;二次衬砌为80.00cm～100.00cm 厚C35 防水钢筋混凝土(重度为25.00kN/m3,泊松比为0.20)。

需要注意的是,技术人员应控制一次衬砌循环、二次衬砌循环在同一时刻跨越的桩基数量小于两根。与此同时,技术人员应以桥梁桩基沉降、桥梁倾斜以及洞内拱顶沉降、水平收敛度为对象,强化监测,以便根据监测结果进行操作控制,确保工程质量。

4 山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工问题及处理措施

4.1 层间滞水问题及处理

在山地工程操作过程中，层间水分滞留问题较为常见，针对上述问题，技术人员应以缩短开挖深度的方式，将在开挖至底板下7.00m 调整到开挖至底板下5.00m，并在破除导洞初期衬砌后第一时间进行护肩操作，配合轳辘提升以及支模浇筑，可以最大限度确保层间操作稳定性。

4.2 顶升急停问题及处理

顶升急停问题多与下钢盆无法顺利脱离、个别油缸压力超标、油路泄露等因素有关。技术人员可以根据相关因素，采取对应的解决措施[8]。比如，对于下钢盆无法脱离垫石问题，技术人员可以利用绳锯切割下垫石的方式，配合特殊制备的加长钻头，对四个角落进行钻孔，同时经绳锯缓慢平整切割；对于个别油缸压力超标问题，技术人员可以利用气焊配合冲击钻将钢筋联接解除，或者破碎异物，解除油缸约束；对于油路泄露问题，技术人员可以对油路泄露位置进行检查，确定位置后进行油路更换。

结束语

综上所述，在山地城市暗挖隧道近距离下穿桥梁施工过程中，施工技术人员应综合考虑拱顶部沉降、地表沉降、桥墩沉降、桩基轴力等影响桥梁运营安全的因素，选择桥墩沉降、地层差异沉降均处于较低水平的桥梁施工方案。在方案实践过程中，根据超前地质预报情况，适当调整临时支撑、超前支护以及超前注浆参数，结合实操过程中工程问题的处理，确保暗挖隧道近距离下穿桥梁施工过程顺利进行。