软流塑地层盾构穿越夹岗过街涵群桩处理关键技术

彭红霞，王怀东，高姝妹

(1.南京地铁集团有限公司，江苏南京 210008;2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133;3.西南交通大学地质工程系，四川成都 610031)

0 引言

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市建设越来越多地利用地下空间，而地下空间的开发则经常面临地下障碍物的处理问题。

上海轨道交通10号线溧阳路站—曲阳路站区间隧道下穿四平路沙泾港桥桩基工程［1］，由于地层软弱，采用地基加固后扩大板式基础托换的方法。南京地铁三号线下穿高架桥工程［2］，盾构隧道与高架桩基冲突，由于地质条件好、穿越桩基数量少，因此采用常规的桩基托换处理方法。周冠南等［3］对成都地铁1号线盾构近距离穿越某建筑桩基托换工程进行了模拟分析，结果显示托换达到理想效果。广州地铁五号线地下岩石强度高，并存在有少量地下障碍物(约40 m)，采用了矿山法开挖，然后在隧道内回填砂浆后盾构掘进通过［4］。广州大学城供热供冷管道过江盾构隧道通过160 m长的矿山法隧道［5］、深圳地铁2号线东角头站—湾厦站盾构区间通过孤石群矿山法隧道［6］，考虑到地层稳定、透水性差和地下水匮乏，但岩石强度大或存在地下障碍物盾构掘进困难等因素，均采用了矿山法清除高强度岩石或障碍物后，盾构再通过矿山法隧道的处理方法。

目前，在城市地下隧道的施工中遇桩基时多采用托换方法进行处理，对硬岩等地下障碍物多采用矿山法破除后盾构掘进处理，而盾构穿越软流塑地层群桩基地下障碍物处理工程实例极少。本文以南京地铁三号线大明区间下穿桥梁式夹岗过街涵工程为背景，针对富水软流塑地层中的箱涵及其群桩基础，提出了采用盖挖施工矩形钢筋混凝土箱涵托换原箱涵后，矿山法隧道内截除桩基，然后矿山法隧道回填低强度材料、盾构掘进通过的综合处理措施。

1 工程概况

1.1 区间概况

南京地铁三号线大明路站—明发广场站区间隧道为左右线分离式单洞单线隧道，采用盾构法施工，盾构隧道外径6 200 mm，选用海瑞克φ6 480 mm铰接型土压平衡盾构机。区间隧道穿越夹岗过街涵段地层主要为②－3b3－4软至流塑状粉质黏土、②－2b4淤泥质粉质黏土，地层具有强度低、压缩性高、灵敏度中等的特点;地下水主要为孔隙潜水，地层含水量丰富、渗透性弱。

区间穿越的宁溧路夹岗过街涵地段雨水管、自来水管、通信电缆、军用光缆等地下管线分布较多，夹岗过街涵上方为市政高架，高架桥下方、盾构隧道上方的绿化带内有一组10 kV环控柜及变压器，此地段交通繁忙、地下管线分布复杂，地下管线迁改难度大、费用高。

1.2 桩基概况

宁溧路夹岗过街涵按桥梁结构设计，利用支护桩作为新建涵洞(桥梁)挡土结构，桥梁基础桩作为承力结构，道路路幅内桥面为预制钢筋混凝土行车道板，道路路幅以外按整体现浇顶板设计。其中道路路幅范围内基础桩桩长30 m，直径1 000 mm，桩距3.6 m;道路路幅范围外基础桩桩长23.5 m，直径1 000 mm，桩距2.4 m;支护桩桩长 17 m，直径1 000 mm，桩距 1.2 m，与基础桩间隔设置。

1.3 盾构隧道与桩基关系

区间隧道与下穿夹岗过街涵桩平面图和立面图如图1和图2所示。受两端车站埋深和行车纵坡影响，区间隧道最大埋深仅15.7 m，区间隧道平面范围内桩长为17 m、桩基41根，桩长为23.5 m、桩基16根，桩长为30 m、桩基11根均不同程度侵入隧道范围，为确保盾构隧道的顺利实施及运营阶段安全，盾构隧道施工前需对群桩障碍物进行处理。

图1 区间隧道下穿夹岗过街涵平面示意图Fig.1 Sketch showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

图2 区间隧道下穿夹岗过街涵桩立面图Fig.2 Profile showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

2 群桩障碍物处理关键技术

常用的桩基处理方案有桩基拔除和桩基托换2种，结合本工程过街涵桥面为市政道路、桩基密集且数量较大的特点，对桩基方案进行比选，如表1所示。

1)方案1:拔桩、钢筋混凝土框架结构箱涵恢复、盾构正常掘进方案。即对地面交通进行临时导改、工程范围内管线临时迁移，在地表将侵入隧道范围内桩基进行拔除、破除现有箱涵结构，对箱涵底进行旋喷加固作为持力层，然后采用钢筋混凝土框架结构恢复箱涵。

2)方案2:拔桩、桩基托换、恢复盖梁箱涵、盾构正常掘进方案。即对地面交通进行临时导改、工程范围内管线临时迁移，在地表将侵入隧道范围内桩基进行拔除、隧道两侧新增托换桩基、隧道范围新增托换梁，按现状标准恢复盖梁箱涵。

3)方案3:矿山法隧道托换、盾构过站方案。即利用矿山法隧道截除侵入隧道范围内的桩基，利用矿山法隧道二次衬砌作为托换体系与桩基相连接，盾构隧道在矿山法隧道内到达后过站、始发。

4)方案4:钢筋混凝土框架结构箱涵托换、矿山法隧道内截桩、隧道回填后盾构掘进方案。即利用盖梁和围护桩作为支撑体系，分段凿除现状箱涵结构，利用旋喷桩进行地基处理，采用盖挖法施作钢筋混凝土框架结构作为盖梁托换体系，然后利用矿山法隧道截除侵入隧道范围内的桩基，最后对隧道进行回填处理、盾构在回填体内掘进的方案。

表1 桩基处理方案比较表Table 1 Comparison and contrast among different pile foundation treatment plans

工程所处的宁溧路为江宁通往主城的主干道，在南京地铁三号线确保2014年青奥会前通车的紧张工期前提下，为减小对地面交通的影响，避免周期长、费用高、协调难度大的管线迁改工作，本工程采用矿山法进行桩基处理。其中方案3在矿山法隧道内直接进行桩基截除，施工期间夹岗过街涵的沉降控制难度大，桩基利用隧道二次衬砌作为托换体系，结构受桩基传递的地表振动影响较大，且盾构需在矿山法隧道内实现接收、过站、始发，施工工序多，实施风险高，因此方案3不适合本工程;方案4先行对夹岗过街涵进行托换处理，利用加固后的地基作为托换箱涵基础，矿山法施工期间箱涵沉降易实现控制(如图3所示)。隧道回填后盾构掘进避免了盾构在矿山法隧道内的接收、过站、始发工序，施工风险降低。

综上分析，盾构穿越夹岗过街涵群桩采用方案4(钢筋混凝土框架结构箱涵托换、矿山法隧道内截除桩基、隧道回填后盾构掘进方案)最具优势。

3 软流塑地层矿山法隧道施工关键技术

软流塑地层实施矿山法隧道施工在南京地铁一号线鼓玄区间［7］、二号线上新区间［8］得到了实践，劈裂注浆加固地层后采用大管棚超前支护，利用CRD工法或双侧壁导坑法开挖地层。本工程需3次下穿夹岗过街涵，并在隧道内完成过街涵桩基的截除工作。结合本工程的特点，为确保矿山法隧道的实施并控制地表沉降，需解决群桩地段软流塑地层矿山法隧道施工关键技术和确保桩基稳定关键技术。

图3 过街箱涵托换立面图(单位:mm)Fig.3 Profile showing underpinning of street-crossing box culvert(mm)

3.1 矿山法隧道施工关键技术

该工程所处地层为软流塑地层，在软流塑地层进行矿山法隧道的施工需进行有效的地层预加固，采用合理的超前支护方案及选用适宜的施工工法。

1)本工程借鉴南京地区类似地层矿山法施工经验，采用全断面劈裂注浆加固地层技术。劈裂注浆采用HSC超细水泥－水玻璃双液浆［9］，劈裂注浆加固技术参数如表2所示。

表2 全断面劈裂注浆加固参数表Table 2 Parameters for full-face splitting grouting

2)矿山法隧道超前支护有超前大管棚、超前中管棚和超前小导管3种形式。超前大管棚一次打设长度较长，支护体系刚度较大;超前小导管一次打设长度3～3.5 m，支护体系刚度较小，需频繁的循环打设以确保支护效果;超前中管棚一次打设长度和支护刚度略次于大管棚。

由于本工程桩基在区间隧道分布不规则，管棚成孔穿越桩基时难度较大，且遇圆形桩基易偏位，因此本工程不适合采用超前管棚支护。为提高超前支护刚度，防止拱顶坍塌，采用双排小导管超前支护形式更具优势。

导洞法分CD法和CRD法，2种工法均是将隧道分4～6部进行开挖，但CRD工法设置临时仰拱，开挖期间对围岩的变形约束能力大于CD工法。

结合工程地质和周边环境，为确保施工安全和控制地层沉降变形，采用4部开挖设置临时支撑和临时仰拱的CRD工法开挖隧道具有明显优势。4部开挖及支护导坑如图4所示。

图4 隧道支护及开挖导坑示意图Fig.4 Tunnel support and tunnel excavation sequence

3.2 确保桩基稳定关键技术

桩基截除在矿山法隧道支护前后2个阶段需考虑其稳定。第1阶段为桩基截除、矿山法隧道支护前阶段，桩基处于临空状态;第2阶段为桩基支撑与矿山法隧道边墙和拱顶交接的斜向部位，桩基位于非均匀基础，处于斜向偏移状态。

由于桩基顶部为机动车路面板，为防止桩基截除后桩基掉落和使用期间桩基侧滑，采用如下几项措施确保桩基稳定。

1)桩基不得一次破除完成，采取边破除边架设钢格栅支护桩基的措施，桩基破除一半、架设钢格栅后再破除剩余部分，钢格栅采用纵向连接筋形成整体，确保桩基安全;

2)桩底格栅钢架密排布置，提高隧道支护承载能力;

3)隧道采用CRD法开挖，在钢格栅未封闭成环前，先在桩基础下方增设竖向临时型钢支撑约束钢架变形，确保桩基稳定;

4)桩基钢筋伸入钢格栅内与格栅钢架帮条焊，防止桩基基础侧滑。桩基临时支撑示意图如图5所示。

图5 桩基临时支撑示意图Fig.5 Temporary support of pile foundation

4 盾构过矿山法隧道关键技术

盾构通过矿山法隧道需解决盾构到达矿山法、盾构通过矿山法和盾构在矿山法隧道内始发3个技术问题。目前盾构过矿山法隧道主要用于隧道穿越高强度岩层、溶洞、障碍物工程实例中，该类工程地层稳定性好、地下水相对匮乏，能够在不需端头加固或仅需注浆加固的条件下在矿山法隧道内安全到达、始发，盾构通过矿山法隧道采用空推+拼装管片方式进行，管片背后多充填碎石，注浆填充［10］。

南京地铁三号线盾构穿越夹岗过街涵工程穿越地层主要为软流塑地层，地下管线较多，地表实施盾构端头加固较为困难;同时盾构在矿山法隧道内到达和始发，到达和始发端矿山法隧道每侧需加宽处理，加宽后断面宽度达11 m，无疑增加了软流塑地层矿山法隧道的施工难度和工程造价。综合周边环境、工期、工程风险和造价等多方面考虑，采用盾构在回填后的矿山法隧道内掘进通过方案。矿山法隧道断面需满足盾构通过条件、矿山法隧道堵头的拆除、回填材料的选取几个关键技术。

1)矿山法隧道断面除满足地铁建筑限界要求外，尚需保证盾构通过。A型车建筑限界宽度为5 180 mm，区间采用盾构最大开挖直径6 480 mm，考虑到矿山法隧道的变形、施工误差和盾构推进偏差等因数，矿山法隧道结构净空拟在盾构最大开挖轮廓基础上外放310 mm。外放后矿山法隧道结构内净空宽7 100 mm、高7 200 mm。

2)软土盾构刀盘配置以刮刀和贝壳刀为主，其切削钢筋混凝土堵头墙能力较差，为确保盾构顺利进出矿山法隧道，隧道回填前需安全拆除堵头墙。安全拆除堵头墙需保证端头土体的稳定，为此提出了如下几项措施:①矿山法施工阶段，对端头地层采取全断面劈裂注浆加固地层，提高地层的稳定性和降低渗透性;②端头堵头自下而上分段拆除，边拆除边采用模袋砂浆进行回填。端头加固及堵头拆除示意图如图6所示。

图6 端头加固及堵头拆除示意图Fig.6 End reinforcement and plug removal

3)为确保盾构顺利推进、掌子面的稳定以及回填施工可操作性强，回填体需具备强度低、流动性好、密封性好的特点。由此确定可采用的回填体主要有低强度等级砂浆、盾构掘进时同步注浆采用的可硬性浆液、豆砾石和黏性土等。各回填材料比较如表3所示。

由于本区间以软流塑地层为主，结合盾构的配置，拟选取造价低、施工便利的可硬性浆液作为回填材料。

表3 回填材料比较表Table 3 Comparison and contrast among different backfilling materials

为确保盾构安全穿越回填后的隧道，隧道需回填密实，因此，提出了洞内机械回填和地表回灌相结合的措施。先采用小型翻斗车运输回填材料分段回填隧道;对于隧道上部机械无法实施区域，利用隧道拱顶预埋的PVC泵送管和地表回灌孔进行二次回填。

5 施工监测分析

根据设计方案，为确保施工安全，此工程针对矿山法隧道断面拱顶沉降变形、箱涵沉降变形等进行了第三方独立监测，拱顶沉降和箱涵沉降设置在相同竖向平面内，从西向东沿箱涵轴线方向共布置5个监测断面，根据监测数据，各监测项目累计变化量如图7和图8所示。

图7 矿山法隧道拱顶沉降变化图Fig.7 Crown settlement of mined tunnel

图8 托换箱涵沉降变化图Fig.8 Settlement of underpinned street-crossing box culvert

根据监测数据和施工过程中的变化曲线，可以得出以下结论:

1)整个施工过程中，现状道路正下方隧道拱顶沉降略高于其他位置，隧道拱顶变形累计量均不超过20 mm，满足规范要求。说明在此类软流塑地层中，采用矿山法进行隧道施工能够控制地层变形，确保环境安全。

2)各监测断面的箱涵累计沉降值均不超过10 mm，表明箱涵采用矩形框架结构托换后适应地层变形能力强，能够确保地面交通的正常通行。

6 结论与体会

目前，南京地铁三号线大明路站—明发广场站盾构区间已顺利实现贯通，通过采取过街涵盖挖顺筑托换、软流塑地层劈裂注浆加固后CRD法施工矿山法隧道、矿山法隧道内桩基截除、矿山法隧道回填后盾构掘进等综合技术措施，盾构顺利通过夹岗过街涵群桩，开创了国内在软流塑地层采用矿山法隧道技术处理障碍物和盾构通过回填后的矿山法隧道2项先例。通过本工程的研究和实践，有如下几点体会。

1)在复杂环境和软弱地质条件下盾构隧道穿越地下障碍物，应综合考虑周围环境、水文地质特征、施工条件及安全、经济等因素，选取安全、经济、可靠的综合处理方法;

2)软土地层矿山法隧道施工中掌子面稳定性控制、地层沉降控制是工程重点也是难点，采用劈裂注浆加固地层后CRD工法4部开挖实施效果良好;

3)在矿山法隧道中对桩基的处理应尽量使桩基和隧道工程相互独立，避免桩基直接作用于永久隧道工程;

4)矿山法隧道内采用可硬性浆液进行回填，掘进阻力小，但盾构在凝固后的可硬性浆液中掘进时轴线偏差控制难度大，而采用低强度等级砂浆回填时易出现软土盾构刀具磨损严重、推进速度慢的问题。希望在今后类似工程中进一步对回填材料进行研究和优化调整。

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