广州地铁广佛线盾构隧道穿越桥梁桩基施工技术

李幸发

(中国中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

在现代城市建设中，地下空间的开发利用已成为其重要的组成部分［1］。我国自1965年始建北京地铁后，国内很多城市已在规划发展地铁，用以缓解地面交通压力，上海、广州和深圳等各大城市先后修建地铁，长沙、武汉和南昌等城市也在筹备和实验之中。可以预见，越来越多的城市地下交通将规划和建设。

地铁线路规划基本处于城市人口居住和商业密集区域，不可避免地会出现诸如穿越既有线、建筑物以及市政地下构筑物等复杂环境［2］。随之而来的在复杂环境下修建地铁对既有建(构)筑物的影响成为不可回避的重要课题［3］。地铁线路不可避免地要下穿一些建构筑物，从而导致建构筑物的桩基侵入隧道，需要对其进行处理，盾构才能安全通过。目前有关桩基处理的文献已有很多，其中:文献［4］介绍了广州地铁五号线下穿五羊邨过街楼洞内桩梁式托换法施工技术;文献［5］研究了扩大板式基础托换及除桩施工方法;文献［6］介绍了成都地铁二号线下穿东门大桥桩基采用托台换桩法对侵入隧道桩基进行托换处理的施工方法;文献［7］介绍了主动托换洞内截桩的施工技术;文献［8］阐述了洞内桩梁式托换在设计和施工过程中的关键工序和工程措施。而本文论述则针对盾构区间隧道下穿既有桥梁段采用的矿山法，利用隧道二次衬砌环梁承担被托换桩基的荷载，结构处理难度大，工程施工具有较大的风险。

1 工程概况

1.1 工程范围及地理位置

在珠江三角洲城际快速轨道交通广佛线沙涌站至沙园站盾构区间隧道的施工中，左线隧道出沙涌站17 m后随即下穿芳村大道沙涌桥，并先后有9根沙涌桥桩基侵入隧道，需要进行处理。由于芳村大道为广州市主要交通干道之一，交通繁忙且地位重要，不允许地面交通受到影响。同时，周边居民住宅小区密集，施工空间有限，工程风险较高，难度较大。为了保证盾构掘进过程中沙涌桥的功能得到正常发挥，避免影响地面交通及对地下管线造成破坏，并去除影响盾构向前推进的障碍物，本工程考虑采取在洞内对既有桥梁桩基进行处理的方法，社会影响小、施工周期短，可降低造价并达到优质工程的目的。

1.2 工程及水文地质

1.2.1 工程地质

沙涌站至沙园站盾构区间下穿沙涌桥段矿山法隧道位于沙涌河及沙涌桥下方位置，河涌常年平均水位深度约2 m，水面距地面高差约3 m。在地貌单元上属珠江三角河网交错的海陆冲积平原区，微地貌上属于河岸坡堤。

本区间地层主要由白垩系地层及新生界的第四系地层组成，按时代和地层层序由新至老分别为:第四系(Q)包括全新统(Q4)及残积土层，缺失中更新统和下更新统;全新统包括人工填土(Qml4)、全新世海陆交互相沉积层(Qmc4)、上更新统冲积—洪积砂层、土层(Qal+pl3)。基岩为白垩系上统大朗山组黄花岗段(K2d2a)地层上部是紫红色钙质泥岩和红色细砂岩，富含微体古生物化石，夹薄层石膏;下部是暗红色钙质粉砂岩夹薄层砾岩、砂砾岩。白垩系上统西濠段(K2S2b)由褐红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，夹薄层含砾粗砂岩及砂砾岩。根据本次勘察成果，黄花岗段(K2S2b)与西濠段(K2S2b)二段地层的界线约在里程ZDK23+890。属内陆湖相为主的砾、砂泥质岩建造。

本区间土、岩层从上到下主要有:〈1〉人工填土层;〈2－1A〉为海陆交互沉积的淤泥层;〈2－2〉粉细砂层;〈4－1〉冲洪积粉质黏土(或粉土)层;〈5－2〉残积硬塑状粉质黏土层;〈6〉褐红色泥质粉砂岩全风化带;〈7〉褐红色泥质粉砂岩、砂岩强风化带;〈8〉褐红色泥质粉砂岩、砂岩中风化带;〈9〉褐红色泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩微风化带。洞身主要位于〈7〉强风化带;〈8〉中风化带，局部位于〈9〉微风化带。各岩土分层及其特征如下:端头隧道拱顶以上主要由〈1〉人工填土层、〈2－1B〉淤泥质土、〈2－3〉中粗砂层、〈5－1〉可塑状粉质黏土层、〈6〉全风化泥质粉砂岩层、〈7〉强风化泥质粉砂岩层及〈8〉中风化泥质粉砂岩层构成。地质剖面图见图1。

图1 盾构空推段矿山法隧道地质剖面图(单位:m)Fig.1 Geological profile of the tunnel section(m)

1.2.2 水文地质条件

区间内地下水的类型按其赋存方式可分为第四系松散层孔隙潜水和白垩系碎屑岩层状(K2d2a、K2S2b)基岩裂隙微承压水，其中隧道开挖范围及其周边的地下水类型为基岩裂隙微承压水，其主要特征分述如下:主要分布在风化裂隙发育的岩石强风化带〈7〉和中风化带〈8〉，为承压型或微承压型裂隙含水层。地下水埋深随基岩面起伏而不同，由于岩性及裂隙发育程度的差异，其富水程度与渗透性也不尽相同，其渗透性受基岩裂隙发育程度影响，具有一定的随机性，局部裂隙发育，裂隙连通性较好，渗透性较强，致使地下水的渗透性在空间分布上的差异较大。岩性为泥质粉砂岩的主要以泥岩为主，裂隙多为泥质充填，渗透性较弱，富水性不强。岩性主为砂岩、砂砾岩，岩质较硬，局部地下水的渗透性较强。

2 总体实施方案

沙涌站至沙园站盾构区间左线隧道出沙涌站17 m后采用矿山法开挖，矿山法完成并对侵入隧道桩基进行处理后，采用盾构空推［9］、拼装管片最终完成本段隧道施工。总体施工方案示意图如图2。

图2 总体施工方案示意图Fig.2 Schematic diagram of tunnel construction process

3 洞内桩基托换

桩基托换是采用新增加基础工程的方法，对既有的建构筑物某一部位的基础结构进行部分或者完全替换，并与原有基础共同承担上部荷载，以取得预期的沉降和沉降差控制效果［10－11］。

沙涌桥桩基采用洞内桩基托换，其施工贯穿于隧道施工的整个过程中。施工内容主要包括:隧道开挖过程中桩底基岩的预留处理，隧道二次衬砌施工过程中桥桩与二次衬砌的连接处理，隧道施工完成后洞内桥桩的截除。

3.1 桥梁桩基与隧道的关系

下穿沙涌桥段矿山法隧道施工范围内共有9根桥桩侵入隧道，其中φ 800 mm桥桩4根分别为3号桥墩1#，2#，3#，4#桥桩，φ1 000 mm 桥桩5 根分别为4 号桥墩5#，6#，7#，8#，9#桥墩，各桥桩与隧道平面位置关系见图3。各桥桩与隧道断面详细位置关系见图4和图5。

图3 沙涌桥桥桩与隧道平面位置关系图Fig.3 Sketch showing positions of the pile foundations of Shayong Bridge and the tunnel

图4 3号桥墩各桥桩与隧道断面关系(单位:mm)Fig 4 . Relationship between existing piles of No.3 bridge pier and the tunnel(mm)

图5 4号桥墩各桥桩与隧道断面位置关系(单位:mm)Fig.5 Relationship between existing piles of No.4 bridge pier and the tunnel(mm)

3.2 桩底基岩处理

在隧道开挖过程中，对侵入隧道内的桥桩必须予以保留，并尽量减少开挖对桥桩的扰动。对于桩底位于隧道断面以内的部分桥桩，开挖过程中桩底基岩即距桩中心半径1.0 m范围内的基岩暂不开挖，用作支承桥桩，待截桩后再挖除预留基岩。须预留桩底基岩的桥桩分别为:3号桥墩4#桥桩(ZDK22+958.337)、4 号桥墩 5#桥桩(ZDK22+953.589)、4 号桥墩 6#桥桩(ZDK22+950.281)和4号桥墩7#桥桩(ZDK22+945.381)，桩底基岩预留见图6。

对于桩底位于隧道开挖轮廓以内的桥桩，在探孔探明桩底标高后，沿隧道纵向于每根桥桩底部打设2根注浆孔，详见图7，灌注水泥浆(水灰质量比1∶1)加固桩底地层，以保证桩端持力层满足桥梁桩基承载力需要。桩底注浆所用注浆管采用φ 50 mm，壁厚5 mm的热轧无缝钢管，管长4 m，注浆管尾端加工丝扣并安装阀门;注浆管安装过程中包裹棉布用于填充注浆管与钻孔之间的空隙，安装完成后使用快干水泥封堵钻孔口部与注浆管之间的空隙。桥桩底部注浆过程中，应严格控制注浆压力，并对桥梁桩基进行监测，防止因为注浆压力过大而将桥桩顶起。

图6 桩底基岩预留情况(单位:mm)Fig.6 Reserved bedrock at pile base(mm)

桩底基岩预留过程中应尽量减少岩石暴露时间避免岩石风化，应尽量做到一次开挖成型，其开挖方法采用人工手持风镐开挖，成型后立即采用φ 8钢筋网(250 mm×250 mm)加5 cm喷射混凝土封闭岩面。桩底预留基岩处理见图8。

3.3 桩基与二次衬砌的连接

桩基托换中最关键的部分是托换梁与原桩的连接，只有托换梁与原桩进行了可靠的连接，才能保证原桩受力状态逐步转换到新桩上。

隧道开挖初期支护施工完成后，立刻封闭掌子面并调头反方向施工隧道二次衬砌，二次衬砌施工过程中遇桥桩时，使用水钻在桥桩上二次衬砌钢筋对应位置钻孔，以使二次衬砌钢筋穿孔通过。其中拱顶位置桥桩钻孔内排φ 70，外排φ 50;拱墙位置桥桩钻孔为φ 80。根据侵入隧道的桩基与隧道断面的位置关系，分为桩基与拱顶二次衬砌钢筋连接和桩基与拱墙二次衬砌钢筋连接两种情况的施工处理。

图7 桥桩底部注浆加固示意图Fig.7 Schematic diagram of grouting reinforcement at pile base

图8 桩底预留基岩处理示图Fig.8 Diagram of treatment of bedrock at pile base

3.3.1 桩基与拱顶二次衬砌钢筋连接

1#，2#和3#与隧道拱顶二次衬砌连接的桥桩分别为3号桥墩桩及4号桥墩6#，7#，8#桩共6根桥桩，其与隧道断面的详细位置关系见图4和图5。二次衬砌施工过程中使用水钻在桥桩上二次衬砌内排钢筋对应位置钻φ 70 mm孔洞，外排钢筋对应位置钻φ 50 mm孔洞，钻孔数量分别为 φ 800 mm桥桩钻孔4个，φ 1 000 mm桥桩钻孔5个。钻孔布置及钻孔顺序见图9和图10所示。迎土侧每个钻孔供1根二次衬砌主筋穿过，背土侧每个钻孔供2根二次衬砌主筋穿过。每处钻孔完成后立即将钢筋穿过钻孔，并使用高压空气将钻孔内吹干后填充M15微膨胀水泥砂浆。钢筋穿过钻孔处理见图11。

图9 φ 800桥桩与二次衬砌连接钻孔布置图Fig.9 Layout of boreholes to connect φ 800 pile and secondary lining

图11 钢筋(拱顶)穿过钻孔处理示意图Fig.11 Treatment of reinforcing bars(at the crown)penetrating through the borehole

3.3.2 桩基与拱墙二次衬砌钢筋连接

与隧道拱墙二次衬砌连接的桥桩分别为3号桥墩4#桩及4号桥墩5#，9#桩共3根桥桩，其与隧道断面的详细位置关系参见图4和图5。在二次衬砌施工过程中此3根桥桩与拱墙二次衬砌的接触面积相对较大，其连接处理亦较上述桥桩与拱顶二次衬砌的连接处理更为复杂，但其基本处理方式相同。二次衬砌施工过程中使用水钻在桥桩上相应位置钻φ 80 mm孔洞，钻孔数量分别为3号桥墩4#桩和4号桥墩9#桩各8个钻孔，4号桥墩5#桩11个钻孔。钻孔布置及钻孔顺序见图12。每个钻孔供3根φ 32钢筋穿过，每处钻孔完成后立即将钢筋穿过钻孔，并使用高压空气将钻孔内吹干后填充M15微膨胀水泥砂浆，钢筋穿过桥桩后钢筋前后两端锚入二次衬砌钢筋内长度不小于35d(1 120 mm)见图13。钢筋穿过钻孔处理见图14。

图12 桥桩与拱墙二次衬砌连接钻孔布置图Fig.12 Layout of boreholes to connect the existing bridge pile and the arch and side wall of secondary lining

3.3.3 桩基与二次衬砌混凝土连接

上述二次衬砌钢筋与桥桩连接处理完成后，将与二次衬砌连接区段内的桥桩表面做凿毛处理，然后完成其余二次衬砌钢筋制作安装后，再支设模板并浇筑混凝土，将既有桥梁桩基与隧道二次衬砌形成整体，新旧混凝土之间通过界面处理保证两者之间的黏结力［12］。混凝土施工应遵守国家现行标准GB 50204—2011《混凝土结构工程施工质量验收规范》［13］的规定。对于3号桥墩4#桩及4号桥墩5#桩桩底预留基岩处，二次衬砌钢筋断开，二次衬砌混凝土在此处预留孔洞，待桩基托换完成后，凿除桩底预留的基岩，将加工成型的钢筋笼安装于桥桩之下，并确保钢筋笼与桥桩轴心重合，然后支设模板浇筑与二次衬砌同等级的补偿收缩混凝土封堵孔洞。钢筋笼配筋见图15。

图13 钢筋(拱墙)穿过桥桩钻孔布置示意图Fig.13 Layout of boreholes for reinforcing bars(at the arch and side wall)to penetrate through the existing bridge pile

图14 钢筋(拱墙)穿过钻孔处理示意图Fig.14 Treatment of reinforcing bars(at the arch and side wall)penetrating through the borehole

图15 桥桩底部托换桩配筋图Fig.15 Arrangement of reinforcing bars of underpinning pile underneath of the existing bridge pile

3.4 隧道内截桩

下穿沙涌桥段矿山法隧道二次衬砌施工完成，且结构混凝土达到设计强度后，随即对侵入隧道净空内的桥桩进行截除。截桩施工顺序为由洞口向洞内方向进行，截桩必须遵循“先截断、再外运、后破碎”的原则。即首先采用人工手持风镐沿二次衬砌内轮廓将桥桩切断与二次衬砌分离，然后再截断成1.5 m左右的小段，以便出渣运输车水平运输出隧道，最后通过龙门吊垂直运输至地面后采用油压炮机进行破碎，见图16。

图16 隧道内截桩示意图Fig.16 Pile cutting inside the tunnel

因截桩施工顺序为由洞口向洞内方向进行，所以二次衬砌混凝土浇筑完成后靠近桥桩附近的2～3排脚手架暂时不拆除，并进行必要的加固，如加设剪刀撑、连接件、脚手板等，然后用作截桩施工的作业平台。

截桩作业平台搭设完成后，首先采用人工手持风镐沿二次衬砌内轮廓将桥桩的钢筋保护层混凝土凿除;再使用氧气－乙炔焰按“割三留一”的方式割断桥桩75%的主筋，剩余主筋暂不割断，以免部分桩底在隧道开挖轮廓内的桥桩在截断过程中倒塌;钢筋割断后沿剩余钢筋之间的空隙凿除桥桩核心混凝土;最后采用相同的方法自上而下将桥桩按1.5 m左右长度分段截断并装车外运出隧道。

桥桩截断后二次衬砌内的桩体断口必须及时沿二次衬砌内轮廓打凿平整，然后使用原浆找平，避免此部位托换桥桩的二次衬砌钢筋以及桥桩主筋长时间暴露而锈蚀。

4 应急预案

4.1 地表、周边建构筑物及桥桩沉降异常应急处理预案

1)出现沉降异常立即停止开挖，查明原因，确定控制沉降措施。

2)查明沉降无危害后，施工照常进行，但采取控制进度和加强防护的办法渡过此段，施工中严格控制沉降速率并将沉降值控制在标准范围内，采用仪器监测进行施工。

3)发现建筑物沉降速率过快或沉降值超出规定范围立即停止施工，及时采取支护措施或补救措施。

4)桥桩出现异常沉降，事故救援组使用准备好的2～4个I18钢三脚架斜撑通过膨胀螺丝固定至下沉桥桩上，稳定桥桩防止桥桩继续下沉;立即在桥面系下方使用钢管支撑或脚手架加固桥面，避免桥面因桥桩下沉而进一步破坏。

4.2 地下管线断裂或破损应急预案

1)及时查明管道线路性质，了解结构，并联系相关管线部门。

2)组织应急人员进行管道清淤，引排污水，然后进行支护。

3)用事先准备好的管道及时将破损的管道更换。

4)安装后认真检查确认无漏水处后进行回填。

4.3 隧道塌方应急预案

1)先加固连接未坍塌地段的结构物，防止坍方发展扩大。

2)小坍方(纵向不长，坍穴不高)时，可利用坍塌间隙时间，首先加固坍体两端洞身，并抓紧喷射混凝土或锚喷联合支护，封闭坍穴顶部。也可在坍方上架设临时支撑，待支稳顶部，再边清碴边换正式支撑。

3)大坍方(坍穴高、坍渣量大)时，在加固两端洞身后暂不处理顶部，不清渣，可采用先护后挖法。当坍方仍有发展，先将顶部情况摸清并处理妥当，再进行下部施工。

4.4 隧道涌水应急预案

1)停止隧道开挖施工。

2)采用快速水泥迅速将涌水口部进行封堵。

3)掌子面迅速用工字钢、方木、钢筋、钢筋网进行加固、封堵，并焊接双层钢筋网。

4)立即采用混凝土喷射机对封闭部位进行喷射混凝土封闭，封闭厚度根据现场情况而定。

5)针对涌水部位迅速打设注浆钢管，并对其进行注浆，以改善或加固周围地层。

6)加强隧道周围降水能力，将地下水位降至开挖面以下。

7)将隧道内积水清理干净，并加强观测，防止二次涌水事故发生。

5 施工监控量测

为了及时收集、反馈、分析周围环境要素及桥梁结构在施工中的变形信息，确保隧道开挖、托换施工安全，对周边环境、桥台倾斜、基础下沉等进行了全面监测［14］。特别是，在施工过程中加强洞内和地面桥梁的监控量测，作好记录，发现问题及时采取措施并反馈给各个单位，做到信息化施工［15］。

1)监测项目。被托换桩基及相邻桩基的沉降、倾斜，桥面板裂缝观测，地面沉降及裂缝，地下水位监测等。

2)测点布置。见图17。

3)监测结果。桩基托换完成和盾构空推通过后，被托换桩基最大累计沉降为7.89 mm，相邻桩基沉降梁均较小。各阶段最大沉降点沉降曲线见图18。

以信息化施工、动态管理为目的，通过监控量测了解施工方法和施工手段的科学性和合理性，以便及时调整施工方法，保证施工安全及地面建(构)筑物和地下管线的安全。通过对监测数据的分析、处理掌握隧道和围岩稳定性的变化规律、修改或确认设计及施工参数，确保建(构)物的安全，并为今后类似工程的建设提供经验。

图17 测点布置Fig.17 Layout of monitoring points

图18 各阶段最大沉降点沉降曲线Fig.18 Maximum settlement measured at different monitoring points during different stages

6 结论与讨论

1)根据现场施工监测结果可以看出，被托换桩基最大累计沉降为7.89 mm，最大差异沉降为2.78 mm，未出现异常沉降，充分说明此次桩基托换是可靠的，施工是成功的。

2)桥梁桩基与二次衬砌连接部位存在渗漏水情况，应重点解决新旧混凝土界面连接处理及防水问题。

3)传统的桩基托换都是在地面进行，具有施工进度快、经济性高的优点，但对于周边环境条件复杂的桩基托换工程，其适应性也受到了很大影响。本工程采用的洞内桩基托换，并利用隧道二次衬砌环梁承担被托换桩基的荷载。

4)实践证明，此次盾构隧道穿越既有桥梁桩基，在洞内进行桩基托换，对保持既有桥梁在正常运营下进行托换施工，具有一定的参考及借鉴价值，可以在类似的工程中推广应用。

5)与地铁隧道施工相关的许多桩基处理施工技术已经很成熟，在不同的限制条件下，应该结合施工现场具体情况，科学合理地选择处理方法，将更多的新工艺新技术应用到地铁隧道建设中来。

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