行业要闻

 

摘　要:盾构施工中经常遇到要穿越高架道路或跨河桥梁的桩基基础,在穿越过程中应尽可能减少对周边环境的影响。本文以上海轨道交通十号线某区间隧道穿越四平路上的沙泾港桥桩基为背景,详细介绍了盾构工程穿越大流量通行桥梁基础异形托换的施工工艺,具有成本底、对周边环境影响小、不影响车辆正常运行等优点,减小了盾构穿越桩基施工对桥体的影响。

关键词:穿越桥桩;基础托换;直接切桩;盾构法施工

 

1、引言

      本工程沙泾港桥位于主干道四平路上,交通繁重且无分流至周边道路的条件,同时沙泾港桥两侧近距离为多栋高层居民楼,无搭建临时便桥空间条件,故排除了拆除原有桥梁拔桩处理的可行性。而且本区间接受地铁车站离该桥梁桩基很近,加上线路的纵断面坡度的限制条件,隧道不能从桩基的下方穿越过去。由此,只能采取盾构穿越桥桩的施工方法。

      盾构穿越施工前,将桥梁的桩基础托换成扩大的板式基础,即通过受力体系转换,将沙泾港桥由深基础转换成浅基础。转换后,盾构推进时所遇到的桥桩均可截断、清除而不会影响桥梁的正常使用。由于上海地区浅层土的承载力较低,因此扩大基础底板下的地基必须加固,且地基土的沉降变形应满足桥梁安全运行规定的技术标准。

2、工程概况

      上海轨道交通10号线某区间隧道将由正常使用的四平路上的沙泾港桥桩基间穿越。在穿越前对沙泾港桥进行基础托换以保证穿越过程中桥梁及地面交通的安全。沙泾港桥位于四平路曲阳路交叉口南侧100m左右,如图1所示桥中心里程为SK23+242. 0。该桥为三跨简支梁结构,跨径6m+13m+6m,宽度30m。共设置桥台、桥墩各两座,桥墩采用23根400mm×400mm×26 000mm预制钢筋混凝土方桩作为基础,桩基长度为12m+14m与14m+12m,钢帽接桩;桥台采用14根400mm×400mm×27 000mm预制钢筋混凝土方桩作为基础,长度为13m+14m与14m+13m,钢帽接桩。此处隧道顶标高约-6~-7m,受影响的桩基每个桥墩处约5根桩,每个桥台处约3~4根桩,共需处理约33根桩。

      四平路路面宽为双向五车道,两侧另设非机动车道和人行道。四平路为上海城市主干道,车辆通行频繁,交通流量十分巨大,盾构穿越施工必须保证四平路的正常交通能力。

3、周边环境、管线及地质水文情况

      沙泾港桥西南侧有一新建高层建筑,其角部距离道路边线11m。桥南侧15. 2m、距四平路边线4. 69m为单层四平泵站一座。桥东南侧为居民小区。桥东北侧为一座四层砖混楼房。桥北侧为拟建10号某车站,桥梁施工时正处于施工阶段。西北侧曲阳路口为华西证券大厦。

      桥梁附近比较重要的地下管线如表1和表2所示。

      根据工程地质勘察报告[1],沙泾港桥所在处的地质情况大致可分为以下几层:

      第一层:厚1. 16m~3. 8m不等的填土,其中含煤屑、石子等;

      第二层:为灰黄~灰色粘质粉土夹粉质粘土,有黑色腐殖质,约8. 85m厚,夹有大量黑色淤泥质土,似河浜现象;

      第三层:灰色砂质粉土,属中压缩性土, 2. 35m厚;

      第四层:灰色淤泥质粘土,属高压缩性土,含有白色僵块、黑色腐殖质,约3. 2m厚;

      第五层:灰色粘土,属中压缩性土,此层有7. 8m厚;

      第六层:暗绿~草黄色粉质粘土,属中压缩性土;

      第七层:草黄~灰色砂质粉土。

      盾构穿越沙泾港桥桩时,盾构顶部标高为-6m~-7m,盾构穿越部分土体为灰黄~灰色粘质粉土夹粉质粘土、灰色砂质粉土、灰色淤泥质粘土。盾构覆土厚度7~8m。盾构底部距离⑦1层层面有12m。

      拟建场地地下水主要有浅部粉性土层中的潜水,及深部粉性土、砂土层中的承压水。据区域资料,承压水位一般低于潜水位。浅部土层中的潜水位埋深,离地表面0. 3m~1. 5m,年平均地下水位离地表面0. 5m~0. 7m。深部承压水位(第⑦层),埋深在3m~11m之间。潜水水位埋深为1. 00m~1. 50m,通过现场试验测得第⑦1层承压水水位埋深为5. 9m。

4、沙泾港桥基础托换

      在盾构施工前对沙泾港桥进行基础托换施工。

      根据桥梁结构、盾构影响范围(盾构穿越沙泾港桥共需处理约33根桩)及四平路交通情况(四平路为城市主干道,交通量十分巨大,施工时应尽可能保证道路正常的通行能力)。将桥梁的桩基础托换成扩大的板式基础,即通过受力体系转换,将沙泾港桥由桩基础转换成底板基础。转换后,盾构推进时所遇到的桥桩均可截断、清除而不会影响桥梁的正常使用。

      由于上海地区浅层土的承载力较低,因此对扩大基础底板下的地基进行加固。同时考虑到今后沙泾港桥的改建,在桥梁基础托换施工时,将桥梁的荷载标准适当提高。

      综合考虑扩大基础底板下的地基的加固和盾构过沙泾港桥桩基工况土体加固要求,本工程地基土加固的范围见图2,剖面图如图3所示。

      桥下加固采用三重管旋喷桩加固施工工艺,要求加固后土体的无侧向抗压强度q_u≥1. 5MPa,抗渗系数k≤10^-7cm/s。

      托换底板厚1. 3m,底板与其上部桩基刚性连接。

5、盾构机改造

      本次盾构推进选用Φ6340mm土压平衡式盾构机(ERB),根据M8线盾构过桩的施工经验,为提高盾构切削过桩能力,对盾构机进行改造。

5.1 盾构改造项

      (1)刀盘面板加装一套先行刀及6把“贝壳刀”(见图4中“A-F”),以提高盾构机应对施工过程中可能碰到桥梁桩基或残桩时的能力。

      (2)盾构推进系统增加微动功能,实现盾构机能够以5mm/min的超低速度进行掘进施工。

      (3)盾构操作室、车架部位及人行闸设置电话通信系统,保证施工过程中盾构与地面监控室的通讯畅通;盾构操作室、人行闸、主要工作面以及地面控制室监理视频监控系统,使地面监控室管理、指挥人员能随时掌握盾构机工作面的状况。隧道内外设置应急信号装置。

      (4)对刀盘及刀盘驱动系统、推进系统、螺旋机系统、人行闸等主要系统进行彻底保养和深度检查,确保各系统功能正常,以有效应对施工过程中可能发生的气压法施工及盾构切桩等工况;对各系统主要部件准备充足的备件以应对有关零部件损坏时及时更换需要。

      (5)在盾构土仓合理部位设置观察孔,使施工人员在人行闸门开启之前能够充分掌握土舱中的情况,确保施工安全。

      (6)土仓内螺旋输送机头部特殊处理,以应对可能会碰到的断桩及钢筋等。

      (7)盾构土仓内考虑预先安装工作人员进入土仓进行施工作业时必要的安全设施,如在土舱内盾构胸板位置安装上下攀登用的扶梯与横向的工作平台,设置换气、给排水、照明和电力设备以及气体探测装置等。

      (8)气压设备安装期间,在螺旋机“炮筒”上开设一个50×50cm的施工口,之后用闷板封住,闷板与“炮筒”间用法兰连接。在盾构直接过桩期间,如螺旋机被钢筋或钢板卡住,则打开此施工口,用割刀将障碍物割成小段(块)清除。

5.2 盾构切桩的抗力计算

     沙泾港桥桥桩所用砼为C30混凝土,抗疲劳变形模量为1. 3×10⁴N/mm²,盾构推进速度为1. 0cm/min。刀盘转速为0. 5r/min。盾构刀盘切削桩基所需总推力为412kN。

     桩基截面积为400mm×400mm。盾构刀盘直接切削桩体接触面积为0.40m×6.67m=2.668m²。

      被动土压力按下式计算^[2]:

                                  (1)

      式中:K_p=tan²（45°+φ/2） ;

      E_p为单位长度的总被动土压力;E0为单位长度的静止土压力;γ为土体重度(kN/m³);H为所计算总埋深;K_p为被动土压力系数; c为土体粘聚力(kN/m²)。

      计算得被动土压力为2250kN/m。抗力为F=Ep×L/1000g=900kN>切削桩基所需总推力412kN。故盾构机切桩可行。

6、施工监测

      为提高过桩过程中桥梁监测的自动化,采用联通管监测形式。

6.1 监测点位布置

      沙泾港桥共有2座桥台、2座桥墩。在每座桥台和桥墩上各布设2个监测点,共8个监测点。编号分别为JS2-JS5和JX2-JX5,沙泾港桥两岸各布设1个基准点,编号为JS1和JX1。测点布置如图5所示。

6.2 监测要求

      监测精度:

      (1)自动化沉降监测:±0. 2mm。

      (2)每5分钟刷新一次数据,并通过网络传输至电脑终端。

7、穿桩施工

7.1 穿越桩基平面示意图

      穿越桩基平面示意图如图6所示。

7.2 施工步骤

      (1)盾构推进至刀盘切口靠近桥外侧6. 3m加固土体后停止推进,组织专人对盾构机进行全面检查,保证盾构机穿桩过程中无机械故障。

      (2)盾构机穿越桥梁外侧6. 3m加固区过程中放慢推进速度并逐步卸除土压。实际施工过程中推进速度由4cm/min下调至1cm/min,土压由之前的0. 2MPa左右逐步下调至0. 1MPa。

      (3)根据桥桩坐标及盾构切口里程精确判断切口遇桩时盾构机的位置,此时进一步下调推进速度,并根据刀盘扭矩调整正面土压力设定值。实际施工过程中将推进速度下调至0. 5cm/min,土压基本保持在0. 7MPa~0. 12MPa。

      (4)在盾构全部穿越桥桩过程中,技术人员24小时轮班通过陀螺仪对施工参数进行监控,实时调整施工参数。

      (5)盾构完全穿越桥桩且切口通过桥梁外侧6. 3m加固区后及时上调土压,恢复至0. 2MPa左右,并根据监测数据进行调整,防止地面下沉^[3]。

8、穿越桥桩结果

      本次盾构穿越16根桥桩共用时8天,总体情况良好。
      穿越过程中联通管监测数据稳定,单次最大变化值(10cm/次)为0. 3mm,累积最大变化值(JX4点)为-1. 3mm,符合规范及桥梁权属单位要求。

      盾构过桩过程中曾发生3次螺旋机被钢筋卡住情况,通过正反转螺旋机并适当提高液压油压恢复正常推进。

9、总结及建议

      盾构直接穿越建筑物桩基在盾构法施工中例子较少,大量穿越大桩径障碍物更是少见,本次盾构顺利穿越沙泾港桥桥桩为类似工程提供了重要的参考价值。

      同时根据本工程施工过程中所遇到的情况,提出建议如下:

      (1)以后类似工程应事先调整盾构平、纵曲线以使盾构机中心刀避开接桩桩帽;

      (2)从盾构机进洞后的刀盘磨损情况看,贝壳刀数量可适当增加;

      (3)桥梁上方机动车辆行驶时产生的振动对联通管监测影响较大,如有条件可考虑适当限载;

      (4)在前期盾构筹划时,应将进洞车站选择在距所需穿桩近的一侧,以避免盾构机在穿桩过程中刀盘损失过多而影响后续掘进作业;

      (5)在完成穿桩作业后应对盾构机各部件(尤其是螺旋机)做全面检修,及时更换、修理受损部件;

      (6)中控室设置专用宽带网络,以随时了解联通管监测情况及时指导下一步施工;

      (7)在盾构机完成穿桩作业后及时对桥梁下方进行双液浆置换注浆,以避免后期沉降对桥梁结构产生影响。

 

      参考文献:

      [1] 项培林,李民.上海市轨道交通10号线(M1线)一期工程-溧阳路站~曲阳路站区间(R15)岩土工程勘察报告(详勘).上海市城市建设设计研究院, 2006.

      [2] 高大钊,袁聚云.土质学与土力学(第三版)[M].北京:人民交通出版社, 2005.

      [3] 建筑施工手册编写组,建筑施工手册1(第三版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 1997.