超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护技术研究

王德平

(苏州交投规划设计建设管理有限公司 江苏苏州 215007)

随着我国城镇化的快速发展和国产大盾构的自主研发，盾构法已逐渐成为城市地下工程建设的主要手段之一。受有限空间的影响，城市盾构隧道下穿地面建构筑物和河流的工况日益增多，穿越地层的地质条件也越来越复杂[1-2]。尤其对于盾构隧道下穿河流施工，主要存在两大问题：（1）土体扰动问题。盾构开挖卸荷改变了土体的原始应力状态和应力平衡，不可避免对周围土体造成扰动；尤其对于下穿河道浅覆土的大直径盾构隧道施工，土体扰动和变形更难以控制[3-4]。（2）管片上浮问题。大直径盾构在水中浅覆土层中掘进时，由于覆土自重较轻和土体处于饱和状态，容易造成河底地层隆起，并使盾构机上移，在管片脱离盾尾时会受到浆液的浮力作用，当管片与覆土自重小于浮力时，管片会发生上浮现象，易造成工程安全事故[5-6]。

目前，国内外已有部分学者对盾构下穿河流时的沉降控制和管片抗浮问题进行了研究。彭厚伟[7]以长沙市湘江大道浏阳河市政道路隧道为工程背景，详细分析和研究了隧道下穿河流的综合施工技术。邵迅等人[8]通过对合肥地铁1 号线盾构隧道下穿南淝河进行数值模拟，分析了盾构推进过程中隧道周边土体孔隙水压力的规律。李自力等人[9]依托常州轨道交通2 号线下穿越京杭运河区段工程，分析了注浆压力及注浆量对隧道整体结构位移、驳岸挡土墙变形及受力和地表沉降的影响。冯晓九等人[10]以常州地铁二号线一期工程穿越河流的实际情况为例，研究了盾构法在富水粉砂地层中穿越河流减小沉降的方法。杨建寅[11]通过考虑河道、隧道和地层等影响因素，针对地铁盾构隧道下穿某河道开展三维有限元数值分析。

传统浅埋段盾构施工覆土厚度一般大于0.7 倍盾构隧道直径，但盾构下穿河流时隧道顶到河底或湖底的距离往往很近，针对施工段覆土深度无法达到最低设计标准的超浅覆土情况，需采取反压防护等辅助措施来完成超浅埋段大直径盾构开挖施工。结合苏州桐泾路北延工程，该文对超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护技术开展系统研究，涵盖驳岸加固、河底注浆加固、砂袋回填等关键技术，以期为今后类似工程提供经验借鉴。

1 工程概述

苏州桐泾路作为“七纵”主干路之一，是苏州市穿越沪宁高速公路、沪宁城际铁路、沪宁铁路及北环快速路进而联系南北片区的重要通道。桐泾路北延项目施工隧道总长1 336 m，其中盾构段长度490 m，线路最大纵坡3.95%，具有短（短距离连续穿越多类型高风险源）、浅（超浅覆土，最浅处0.49 倍洞径）、险（风险源地段占比62%）、严（作为国内首条下穿高铁的大直径盾构项目，沉降要求控制在2 mm 以内）、高（作为苏州首条大直径泥水盾构，关注度高，社会影响大）等特点。该工程盾构穿越地层主要为粉砂、粉质黏土、黏土；隧道上部主要为粉砂、粉土地层，透水性大。

如图1所示，盾构左线K1+353～K1+398.5、盾构右线K1+330～K1+378 处下穿山塘河。山塘河垂直宽约38 m、深2～3.7 m，驳岸为浆砌片石，为重点旅游观光河道，山塘街为历史文街；盾构线路与山塘河斜交，隧道拱顶距河底设计为7.5 m属于超浅覆土穿越，且隧道拱顶地层主要为粉质黏土、粉土及粉砂地层，透水性大，盾构穿越掘进时极易造成驳岸沉降、损坏及河底击穿、冒顶。

图1 盾构隧道线路平面图

2 反压防护技术原理

针对盾构隧道在驳岸与河段掘进时覆土厚度突变，切口水压难以及时随之改变所导致驳岸沉降、坍塌等风险，该工程在河道两侧坡面设置纤维袋注浆锚杆，纤维袋注浆锚杆上部依次设置防渗土工布、混凝土封底、土工格栅、回填土台阶等提高坡面的稳定性。根据图2 施工工艺原理图可知，驳岸两侧施工范围内开挖冠梁槽，并在槽内施工袖阀钢管桩，隧道开挖区两端及中间位置施工水泥搅拌桩，砂袋回填范围为顺河向为隧道两侧结构外边缘10 m内，通过砂袋抛填堆叠形态与下方掘进盾构里程方向垂直，促使掘进时刀盘面覆土厚度同步改变，同时及时调整切口压力，提高穿越安全。

图2 超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护施工工艺原理图

针对超浅覆土大直径盾构穿越过程中可能造成的河底击穿、冒顶等风险，综合采用了河底注浆加固、砂袋回填等技术。在河道两侧施工纤维袋注浆锚杆，在河床先进行注浆加固形成河底注浆加固区，河底注浆加固区上部依次设置防渗土工布、混凝土封底、土工格栅，在河道坡上根据砂袋尺寸施工混凝土台阶，通过砂袋上的砂袋追踪器调整砂袋抛填位置，砂袋与驳岸空隙较小时在空隙内填入块石，空隙较大时填入自适应砂袋，砂袋两侧设置支撑斜杆，并在顶部设置可调式沙箱，提高隧道盾构施工时上部防护体系抗浮承载力及稳定性。

3 关键施工技术

超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护施工工艺流程具体见图3。

图3 超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护施工工艺流程图

3.1 双壁钢管桩施工

在盾构穿越超浅覆土河床时，首先设置围堰，围堰大小根据盾构区间线间距有直接关系，设置围堰区域为区间隧道边缘向外延伸不低于1倍的隧道底部埋深的距离，围堰沿河流横断面布置，两围堰宽度为区间隧道边缘需要分别向外延伸，约3.5～4倍的宽度，放坡1∶1截流。采用双壁钢管桩作为围堰，抽水形成施工面。

3.2 冠梁开挖

驳岸两侧施工范围内开挖冠梁槽，并在槽内施工袖阀钢管桩，隧道开挖区两端及中间位置施工水泥搅拌桩，同时在驳岸外侧设置植筋，植筋弯折形成环箍，箍于冠梁主筋外侧，冠梁主筋上焊接护栏预埋段，并在护栏预埋段上安装护栏套筒，并对护栏套筒做好防护，随后浇筑混凝土，混凝土终凝后在护栏套筒上安装后接护栏，并同时安装后接护栏间的系杆，施工时先固定土工格栅后设置植筋及绑扎钢筋。

3.3 河道防护

根据图4河道防护示意图可知，整平河底轮廓线，在河道两侧施工纤维袋注浆锚杆，在河床先进行注浆加固形成河底注浆加固区，河底注浆加固区施工时在相应位置安装围栏预埋段，并在围栏预埋段上安装螺纹套筒，并做好螺纹套筒防护，随后在河床上铺一层防渗土工布，并在防渗土工布上及河道两侧浇筑混凝土封底，混凝土初凝前在混凝土封底上铺设土工格栅，土工格栅两端跨过驳岸埋入冠梁开挖槽内。

图4 河道防护示意图

3.4 填抛砂袋

通过图5 和图6 的砂袋抛填平面与剖面示意图可知，制作砂袋，并在砂袋上安装砂袋追踪器，在靠近驳岸位置根据实际施工需要制作自适应砂袋；在河道坡上根据砂袋尺寸施工混凝土台阶，并在混凝土台阶上放置首层砂袋。拆除双壁钢管桩围堰，在围栏后接段顶部安装警示灯，随后进行砂袋抛填，通过砂袋上的砂袋追踪器调整砂袋抛填位置，砂袋与驳岸空隙较小时在空隙内填入块石，空隙较大时填入自适应砂袋。

图5 砂袋抛填平面图

图6 砂袋抛填剖面图

3.5 砂袋支撑

拆除螺纹套筒上的防护装置，在螺纹套筒上安装围栏后接段，围栏后接段上的支撑斜杆通过连接铰旋转至砂袋形成的斜坡上压紧固定，随后在围栏后接段及支撑斜杆间设置支撑横杆，支撑横杆上安装支撑系杆。

3.6 沙箱就位

可调式沙箱通过沙箱底板底部的沙箱扣槽置于支撑横杆上，并调节沙箱伸缩段长度，随后灌入砂石，随即恢复航道。

3.7 隧道注浆

盾构开挖后在拱顶半圆范围内注浆，形成隧道注浆加固区。掘进过程中通过同步注浆及时充填空隙，保证管片不发生错台和上浮现象，减少施工过程中的土体沉降。

4 施工效果分析

图7 为施工结束后的河道反压防护现场。经观测，在盾构下穿河流期间，河道驳岸与河道的变形均在控制范围内，反压防护效果较好。进一步分析，该技术具有以下特点。

4.1 河流驳岸加固质量高

河道两侧坡面设置纤维袋注浆锚杆，驳岸外侧开挖冠梁槽后施工袖阀钢管桩，隧道开挖区两端及中间位置施工水泥搅拌桩，同时在驳岸外侧设置植筋，植筋弯折环箍于冠梁主筋外侧，避免盾构施工引发的驳岸沉降、坍塌风险。

4.2 景观保护与生态效益好

顺河向隧道两侧结构外缘10 m 范围内台阶状回填砂袋增加覆土厚度，在河道中部预留槽道，供游船临时通行使用，保持水流通畅，保持驳岸的传统砌筑形式和河道的天然状况。

图7 反压防护效果图

4.3 施工效率高，回填质量好

通过砂袋上的砂袋追踪器调整砂袋抛填位置，砂袋两侧设置支撑斜杆，并在顶部设置可调式沙箱，提高砂袋回填的稳定性，降低砂袋回填的难度。

5 结语

结合苏州桐泾路北延工程，该文提出了驳岸加固、河底注浆加固、砂袋回填等反压防护关键技术，适用于覆土深度无法达到最低设计标准的超浅覆土大直径盾构下穿河流反压防护施工。施工效果表明，该技术具有施工效率高、加固质量好、景观保护与生态效益好等特点，能够有效在盾构穿越期间对河道形成保护。