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大直径泥水盾构下穿路堑式城市主干道综合施工技术

1 概述
1.1 工程概况
    新建北京至张家口铁路工程清华园隧道盾构区间位于北京市海淀区，并行地铁13号线东侧敷设，隧道全长6020m，包含两段盾构区间，其中2-1盾构区间长2707.5m，3-2盾构区间长1741m，采用两台直径12.64m的泥水盾构机进行掘进施工。盾构隧道管片外径12.2m，内径11.1m，环宽2m，管片厚度55cm。清华园隧道3-2盾构区间穿越北四环路，北四环路全长82.9m，加两侧绿化带共100m。
1.2 北四环概况
    北四环主路设计车速80km/h，辅路设计车速40km/h;该段采用路堑方式下穿现况京包铁路，路面处覆土厚度10.5m～10.75m，挡墙外覆土深度17.63m～17.89m。道路断面见图1。
 
1.3 穿越地质条件分析
    拟建盾构区间穿越的土层自上而下分别为杂填土层、粉质粘土层、粉土层、粉质粘土层、卵石土层，盾构施工穿越的土层为粉质粘土层、卵石土层，盾构顶部为粉质粘土层。该段盾构区间结构底部标高20.30m～20.54m，位于上层滞水及承压水之下。该区间穿越地层为第四系地层，围岩自稳能力较差。地质条件如图2所示。
 
2 下穿前检测评估
    地下工程下穿交通设施应进行事前评估，主要评估内容包括:对交通设施现状进行检测评估，评价地下工程对交通设施的影响，提出交通设施允许变形控制值，确定监测原则和技术标准，结论及安全防护建议。评估流程见图3。
 
2.1 下穿前检测
    1)道路表观调查:道路几何尺寸，包括人行道、非机动车道、机动车道、隔离带等道路要素的断面尺寸;详细记录道路病害，其中沥青路面病害包括龟裂、块状裂缝、纵裂缝、横裂缝、坑槽、松散、沉陷、车辙、波浪壅包、泛油、修补等;人行道病害包括裂缝、松动或变形、残缺等;
    2)道路下方土体密实性检测:采用地质雷达法对路面以下5m范围内的土体密实情况进行探测;
    3)道路平整度检测:采用连续式平整度仪测量路面的平整度;
    4)挡土墙检测:挡土墙材质检测、外观损坏情况、垂直度测量、挡土墙基础下方土体密实性情况。
2.2 控制标准制定
    结合北京市市政工程设计研究总院有限公司《新建北京至张家口铁路工程清华园隧道盾构区间下穿北四环路设计咨询》及《新建北京至张家口铁路工程清华园隧道盾构区间下穿道路设施设计咨询北四环地下连续墙设计咨询报告》，本次施工影响北四环路及北四环地下连续墙变形控制标准见表1。
 
3 施工影响预测分析
    对盾构隧道下穿北四环路采用数值计算软件FLAC 3D进行三维全过程施工模拟计算，综合分析隧道施工对路面变形的影响规律，对施工引起的路面沉降进行预测。模拟计算均按照工程的实际工况进行模拟，评估的前提是盾构掘进处于正常良好控制条件下。
    本次盾构施工影响北四环中路及挡墙，对新建盾构隧道进行模拟分析，具体模拟过程由北向南为:盾构始发到北四环北侧挡墙;北四环北侧挡墙到北四环主路;北四环主路到北四环南侧挡墙;北四环南侧挡墙到盾构接收井。对盾构穿越各阶段分别进行分析模拟，按照施工提供参数，改变注浆土层参数模拟注浆过程，注浆压力0.3MPa～0.5MPa。得到计算云图及结论如下。
    1)第一阶段:盾构始发到北四环挡墙，见图4～图6。
    2)第二阶段:北四环北侧挡墙到北四环主路，见图7～图9。
    3)第三阶段:北四环主路到北四环南侧挡墙，见图10～图12。
    4)第四阶段:北四环南侧挡墙到盾构接收井，见图13～图15。
    由图4～图15可知:
    穿越后道路最大沉降为11mm，小于15mm，挡墙最大沉降6.4mm，小于8mm，挡墙最大水平位移为0.57mm，不均匀沉降小于2mm/6m。
    以上计算结果表明:设计施工方案基本可行，在施工控制措施得当的情况下，盾构施工对北四环路及挡墙的影响在可控范围。
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
4 穿越施工
    清华园隧道3号～2号井盾构区间穿越北四环路及挡墙施工，按照“连续施工、稳步推进、严控参数、注浆饱满”的控制原则，确保盾构机安全顺利穿越北四环路及挡墙。穿越过程主要控制参数见表2。
 
    1)穿越过程严格控制切口压力，盾构机距北四环两侧挡墙4环时开始逐环调整切口压力，每环调整量不大于0.2bar，穿越挡墙后切口压力恢复到正常计算值;
    2)穿越过程控制好泥浆指标，泥浆比重控制在1.15g/cm3～1.25g/cm3之间，粘度控制在17s～22s之间;
    3)穿越过程中，盾壳外部连续注入克泥效，填充土体与盾壳间的空隙，严格克泥效注入量和注入压力，控制地表沉降;
    4)穿过过程严格控制同步注浆，注浆量控制在计算量的130%～180%之间，确保同步注浆均匀、密实、饱满，必要时采取二次注浆措施补强;
    5)穿越过程做好道路、挡墙的沉降监测和挡墙的水平位移监测;
    6)时时关注监测数据，根据监测数据情况，及时修正盾构掘进和注浆参数。
5 实施效果
    2018年5月7日开始穿越北四环，2018年5月17日安全完成穿越，期间盾构各项参数均在正常范围，穿越完成后道路沉降最大值为5mm，挡墙最大沉降为2mm，盾构穿越北四环道路及构筑物沉降及水平位移均在可控范围内。
6 结语
    盾构下穿既有道路及构筑物前进行检测、评估，给出控制标准，并采取三维模拟计算的方法对穿越施工全过程进行模拟，为穿越过程提供参考依据，在穿过过程正确设定各项施工参数，做好施工监测，确保了大直径泥水盾构安全顺利穿越路堑式城市主干道，该方法可供同类工程借鉴。

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