软土地区紧邻浅埋地铁时桩基施工过程安全监测研究

王武斌，白皓，李祖君，钟彪，邹国锋

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2.四川高速公路建设开发总公司，四川成都610041; 3.四川交通职业技术学院，四川成都611130)

软土地区紧邻浅埋地铁时桩基施工过程安全监测研究

王武斌1，白皓2，李祖君2，钟彪3，邹国锋3

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031;2.四川高速公路建设开发总公司，四川成都610041; 3.四川交通职业技术学院，四川成都611130)

地铁盾构管片对外围土体的扰动高度敏感，因此选择合理的桩基施工技术十分必要。本文考虑紧邻浅埋地铁隧道施工的高风险性，提出了全套管“静压+旋转+切割”桩基成孔技术，较好地解决了桩基施工对地铁盾构的动态扰动问题。监测表明，地铁隧道各类变形中沉降变形影响最大，收敛变形次之，水平位移最小，但是变形值均小于安全限值。

深厚软土地区 浅埋地铁 全套管钻孔桩技术 桩基施工 安全监测

近年来，随着我国各种基础设施建设的蓬勃发展，城市建设与交通线路相交或相邻的现象越来越广泛［1-2］。地铁隧道与邻近结构物桩基础相互影响，施工工艺与技术［3-4］的选择成为此类工程的难点。桩基的施工扰动和后续荷载会引起隧道周围岩土体的应力应变场发生变化［5］，从而影响邻近地铁隧道的安全和运营，因此选择合理的桩基类型及施工方法十分必要［6］。常用的超深度钢护筒插打技术、反循环回旋转泥浆护壁钻孔技术等［7-8］对周围土体的扰动极大，不适用于紧邻地铁隧道的桩基施工，尤其是沿海深厚软土地区。

本文以沪杭客专路基桩板结构的桩基施工为背景，对软土地区紧邻地铁桩基全套管全回转工法［9］施工工序与方法进行了阐述，并结合现场测试数据进行了影响性评价，为此类工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

新建沪杭客专是我国在深厚软土地区建设的高标准客运铁路，其中某段与上海市地铁9号线呈87°斜交，设计方根据现场地质地形情况提出运用桩板结构路基方案，断面示意如图1所示。桩板结构采用钻孔灌注桩支撑［10］，桩径0.8 m，桩长46 m，在相邻两个地铁盾构中间钻孔灌桩，桩侧距盾构外侧仅1.5 m，横向布置4根，桩顶高出盾构顶5.278～6.066 m，桩底穿过既有盾构底部约33 m。桩顶设置托梁，高1.5 m，宽1.6 m，长度为9.64 m，托梁的纵向间距为10 m。在4个托梁上设置高度为1 m，宽度为4.4 m，长度为30 m的承台板，由两片板拼接起来，形成上跨地铁9号线3个盾构的双线路基。

图1 线路纵向桩基施工断面(单位:cm)

工程场地地层自上而下大体为人工填土层(2～3 m)、黏土(1～2 m)、淤泥质黏土(8～12 m)、粉质黏土(3～6 m)、粉土(11～15 m)、粉质黏土夹粉砂(超过5 m)等，且存在一定的交错互层分布。场区地表水为沟渠水，水深约0.5～1.5 m，地下水为孔隙潜水，水位埋深约0.5～2.0 m，水量丰富。桩基为典型的摩擦型桩，根据工程桩的实际情况，必须采取切实可靠的措施和桩基施工技术，以保证施工和运营期间地铁隧道的安全和功能完整。

2 紧邻浅埋地铁桩基施工技术难题

1)桩侧距离盾构外边仅1.5 m，施工放样定位精度要求高，实际操作难度大。

2)盾构管片位移将可能对整体结构产生不可修复的破环，造成结构开裂、渗漏水等，严重时直接影响运营安全。

3)桩底注浆处理要求在压浆过程中可能对地铁隧道产生影响，操作精度较高。

4)前期平整场地时开挖或回填引起超浅埋地铁上部荷载变化，能否克服其上浮或下沉的问题是难点。

3 紧邻浅埋地铁桩基施工工序与方法

1)场地平整与桩位确定

由于全回转钻机为大型设备，平整度和承载力要求较高，又正好坐落在地铁隧道上方施工，为减少地层扰动，地面硬化标准采用C20素混凝土，厚度35 cm。利用地铁使用的上海坐标系统和铁路坐标系统对统一参照物进行实地测试与系统平差矫正，拟合铁路中心线和隧道中心线，误差≤20 mm;使用铁路坐标系统测设桩基钻孔桩中心点位。并利用地质雷达对各种管线和桩位进行复核，探测出的隧道盾构轮廓和深度基本和设计施工图吻合，误差≤50 mm。另外，施工过程中采用三级测量复核制进行监控。

2)套管钻进与桩孔施工

桩孔施工采用全套管全回转工法。设备为自行式RT-200型液压全回转钻机，其原理是钻机靠液压驱动配套的全套管，利用护筒前端的合金刀头旋转、下压切割障碍物，即使遇到障碍物(如人工回填砌块等)也可以旋转切割、液压静态下沉。钻机从地面至地铁盾构底下5 m，施工速度控制在1.5～1.8 m/h，向下至桩底钻进速度2.0～2.5 m/h。配合专业的冲抓钻头，在套管内可以轻松应对高强度岩石和钢筋混凝土等物体。然后，利用GPS-15钻机在套管内钻进成孔，针对不同地层选用不同钻进压力、钻进速度及泥浆稠度。

3)布筋、浇注与桩底注浆加固

桩孔施工完成后将提前制作好的钢筋笼吊装安放到桩孔中，然后浇注水下混凝土。为了提高桩基承载力和减少结构沉降，对钻孔桩桩底进行高压注浆加固。桩底高压注浆时密切关注地铁隧道内是否有渗漏浆液的情况，防止高压注浆对盾构外壁构成的附加荷载≥20 kPa，并及时记录压浆的起始时间、注入的浆量、注浆的压力，并测定各阶段桩的上浮量。

4 桩基施工期间隧道变形监测方案

地铁隧道监测包括沉降监测、水平位移监测和收敛变形监测三类。测点布置图如图1与图2所示。其中:CJ表示沉降观测点，正值表示上浮;WY表示水平位移观测点，正值表示向北侧(上海方向)位移;SL表示收敛观测点，环顶1个(环形上方)，中部2个(横径)，正值表示剖面长度伸长(即“↑”)。

图2 测试断面纵向分布(单位:m)

地铁隧道分为上行线(S)、出入场线(T)、下行线(X)，每条地铁隧道布置16个观测断面，监测长度为60 m，施工作业区段内测试间距为2 m，作业区段之外测试间距为5 m，如图2所示。监测频率为施工期间1次/1 d，施工后不小于1次/(5～7)d。监测结果主要用于地铁隧道的安全性评价与桩基施工的影响性分析。

上海市地铁9号线属于运营地铁，桩基施工过程中必须确保其安全。依据相关技术规定，其安全监测控制标准为:①累计水平位移、垂直沉降量＜20 mm，变形速率＜10 mm/d;②地铁盾构结构收敛变形值＜20 mm;③地铁变形曲线的曲率半径＞15 000 m，变形速率＜10 mm/d，相对弯曲＞1/2 500;④建筑物竖向荷载及降水、注浆等因素引起的地铁隧道外壁附加荷载＜20 kPa。

5 桩基施工过程影响性分析

5.1 地铁隧道的竖向沉降

地铁上方施工易引起下方土体发生加荷压缩或卸荷回弹，从而导致地铁盾构管片出现错台、破裂及造成平面、高程偏差及椭圆度的超标等问题。本工程前期进行了覆土清理与场地平整工作，后期进行了桩基施工与上部结构实施，这些均会导致隧道上部减载或加载。为尽量降低运营荷载的影响，本工点桩基设计时选用了超长桩基，并进行了跟踪注浆，所以可忽略上部结构和运营荷载的影响。利用地铁隧道沉降变形规律评价场地清理和桩基施工的影响性，隧道竖向沉降时程曲线与分布曲线如图3和图4所示。

图3 隧道沉降变形时程曲线

图4 隧道沉降变形分布曲线

沉降变形贯穿于整个施工过程中，施工准备和套管旋入施工阶段呈现明显的分阶段上浮变形，主要是由地铁上部减载和套管挤压盾构下部土体引起的。桩体施工期间由于桩体自身荷载的竖向作用，变形曲线呈现缓慢下沉的变形规律。桩基施工期间隧道总体上表现出明显的上浮模式，说明场地平整卸载引起的上浮量超过桩体施工引起的下沉量。沉降及其变形速率极大值出现于施工作业区段中部，最大值分别为10.66 mm(↑)和3.2 mm/d，小于规范规定的安全标准，安全系数约为1.88。

纵向变形的曲率半径变化反映隧道纵向性能的重要特征。利用三次样条插值分段拟合三次函数y= Ax3+Bx2+Cx+D。其中:y为沉降变形或水平位移，x为纵向里程。某点的曲率半径R为1/k。其中:k为某点的曲率，曲率k=|y″|/(1+y'2)1.5，式中y'，y″为三次函数的一、二阶导数［11］。经计算分析可知，隧道中曲率半径极小值出现于施工作业范围，最小值为45 488 m，远大于15 000 m的规范要求。综上可认为地铁隧道在桩基施工过程中竖向线型保持良好。

5.2 地铁隧道的水平位移

在紧邻地铁隧道进行桩孔开挖与混凝土浇注过程中，隧道两侧会出现不均衡力作用，导致其水平位置出现变化，发生桩基施工横向扰动问题。利用地铁隧道水平位移变化情况评价施工工序的影响性。隧道水平位移时程曲线如图5所示。

图5 隧道水平位移时程曲线

由图5可知，水平位移均发生于套管施工阶段，主要是由套管下压产生的挤压作用引起的。从变形绝对值来看，全套管全回转工法能够有效降低桩孔施工风险，而且使用套管成功避免了后期桩体施工的横向挤压影响。

水平位移分布曲线呈波浪形，无十分明显的函数规律。位移及变形速率波峰出现于施工作业范围内，最大值分别为6.2 mm和2.6 mm/d，小于规范规定的安全标准，安全系数约为3.2，说明全套管全回转工法进行桩孔施工成功避免了隧道两侧施工期间出现过大压力差的现象。另外，桩位精准定位、降低钻进速度、套管免拔等技术措施也是十分必要的。因此，地铁隧道在桩基施工过程中平面线型保持良好。

5.3 地铁隧道的收敛变形

紧邻隧道进行施工将使地铁隧道的围岩压力发生变化，从而导致隧道横断面尺寸发生改变，收敛变形过大时将导致盾构受力过大，以致出现管片连接处开裂渗水等病害，威胁地铁隧道的运营安全。因此，通过监测盾构环形上方与横径方向上的收敛变形，以评估施工对地铁隧道内力的影响性。隧道收敛变形时程曲线与分布曲线如图6和图7所示。

图6 隧道收敛变形时程曲线

图7 隧道收敛变形分布曲线

地铁隧道收敛变形基本上发生于施工准备后期与套管施工阶段，两个阶段分别出现了一次“先增大再减小”的变形过程，总体上呈“先向内再向外”的变化规律，而且变化剧烈，说明场地平整及套管施工作业使盾构围岩压力变化较大。

地铁隧道收敛变形及其速率的极值均出现于施工作业范围内，以向内的收敛变形为主，横径和环形上方收敛变形及其速率的极大值分别为10.3 mm，11.5 mm/d和11.9 mm，9.2 mm/d，可见变形极值小于规范规定的安全标准，安全系数平均为1.8。但是，变形速率已接近或少量超过安全标准，尤其是向内的收敛变形速率，因此类似工程中应注意严格控制作业速度。

综上可知，地铁隧道的变形测试结果表明，客运专线路基桩板结构桩基施工期间9号地铁线隧道变形极值小于规范要求，结构基本处于安全状态。

6 结束语

客运专线紧邻浅埋地铁桩基工程现早已顺利竣工，桩基施工期间地铁隧道结构及周围环境没有出现安全隐患，取得了良好的施工业绩，获得了上海轨道交通运营管理中心的高度评价。

现总结起来主要有以下几点体会:

1)先利用全回转钻机施工钢套管，再通过泥浆循环的方式钻取钢套管内的土体。过程监控结果表明，这种施工方案安全可靠，对隧道扰动较小。

2)从地铁隧道各类变形的发展与极值情况来看，桩基施工过程对沉降变形影响最大，收敛变形次之，水平位移最小。

3)全回转工法利用护筒前端的合金刀头旋转、液压静态下压切割障碍物，施工过程对土体产生挤压作用，随着旋进长度的增大，旋进阻力和挤压效应也逐渐增大。建议采用旋进与取土交替进行的方式。

4)桩基施工引起隧道线型发生变化，竖向沉降以上浮为主，呈凸起状，最大值为10.66 mm;水平位移分布曲线呈波浪形，无十分明显的函数规律，最大值为6.2 mm，小于控制标准。

5)隧道收敛变形基本上发生于施工准备后期与套管施工阶段，两个阶段分别出现了一次“先增大再减小”的变形过程，总体上呈“先向内再向外”的变化规律。横径和环形上方收敛变形的极大值分别为10.3 mm和11.9 mm，小于控制标准。

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Study on safety monitoring in construction of pile foundation at soft soil area adjacent to shallow buried metro

WANG Wubin1，BAI Hao2，LI Zujun2，ZHONG Biao3，ZOU Guofeng3
(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.Sichuan Expressway Construction＆Development Corporation，Chengdu Sichuan 610041，China; 3.Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu Sichuan 611130，China)

M etro shield segments are highly sensitive to peripheral soil disturbance.T herefore，appropriate pile foundation construction technique should be necessarily adopted.Given the high risk of tunnel construction adjacent to shallow buried metro，a casing tube pile foundation hole formation technique of“static press+rotation+cutting”was proposed，which can solve the dynamic disturbance of metro shield caused by pile foundation construction.T he monitoring results showed that settlement deformation has the greatest influence on metro tunnels，convergence deformation takes second place and displacement has the smallest effect in all kinds of deformations，the deformation values of which are less than the safety limit.

Deepsoft soil area;Shallowburiedmetro;Casingtube boredpile technique;Pile foundation construction;Safety monitoring

U213.1+52

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.24

1003-1995(2015)05-0093-05

(责任审编孟庆伶)

2014-08-31;

2015-03-02

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2682014BR048)

王武斌(1983—)，男，陕西富平人，讲师，硕士。