区间隧道近距离钻孔灌注桩的施工及监护——以上海市南京东路179街坊项目反循环成桩技术为例

李筱旻

(上海申通地铁集团有限公司，上海 200030)

随着城市轨道交通建设的高速发展，网络化地铁几乎遍布上海市的每一个角落，肩负着城市主动脉的重任.随着城市的快速发展，近年来地铁沿线建设井喷式发展，由于地铁旁建设项目极高的商业价值及项目体自身用地利用率的最大化，随之而来的近距离工程桩施工越来越多.此类项目施工难度大、风险高，施工稍有不慎，就会造成地铁车站和盾构隧道的较大变形[1].本文结合上海市南京东路179街坊老房改造项目，对近距离已运营二号线区间隧道边桩基施工的敏感性参数和施工技术进行综合分析,考虑桩基施工对邻近地铁隧道的影响,采用车载反循环钻机工艺,确保工程施工优质、安全与快速的同时,保护地铁运营的安全[2],对施工过程全程监控，施工数据综合分析，与常规工艺对比研究，总结了此类工程桩的施工要点,以期对类似区间近距离工程桩施工有借鉴价值.

1 工程概况与项目难点

1.1 工程概况

上海市黄浦区南京东路179号地块拆改留保护整治试点项目系黄浦区179号商业旧区改造地块，位于“中华商业第一街”南京东路东段南侧，江西中路、四川中路之间，距离“万国建筑博览群”外滩仅有一个街区之隔，属外滩历史文化风貌保护区范围.项目为综合性高档商业街区，由一新建地下室、一幢新建七层商业建筑和多幢保留(保护)建筑改造组成，具体包括保护建筑美伦大楼、中央商场、新康大楼、华侨大楼和新建新康大楼等建筑.

1.2 与区间隧道位置关系

项目基坑北侧南京东路下有地铁二号线南京东路站与陆家嘴站的区间隧道，区间隧道φ6.2 m，隧道顶埋深由西向东从13 m逐渐下降至16 m.基坑与南线隧道的最小距离为43.4 m，与北线隧道的最小距离为55.1 m.基坑开挖面距南京东路40～42 m，基坑与南京东路之间为保留的美伦大楼及中央商场等建筑，南京东路下管线密集.

1.3 项目工程难点

项目基坑施工的前提是对周边保护性老建筑进行加固，且项目自身系老建筑改建，故基础加固是整幢老建筑改建的前提，桩基施工又是基础加固的前提.因而第一阶段监护作业重点为前期临近地铁侧老建筑内桩基施工.该工程难点的复杂性体现在周边环境的复杂，自身改造施工受场地条件所限，由此采用的施工措施又有其自身带来的各项施工难点.

(1)周边管线密集

基地周边道路下各类市政管线密集，且与基坑距离较近，管线类型又多为危险管线，管线类型以及管线与基坑的距离(见表1).

表1 场地周边管线表

(2)施工场地小，周转困难

由于美伦大楼、新康大楼、华侨大楼的绝大部分工程桩在原建筑室内施工，所以美伦大楼、新康大楼、华侨大楼内的工程桩施工操作面净高需>8 m，以确保工程桩施工机械的运行.施工须预先配合拆除美伦大楼、新康大楼、华侨大楼的次梁及楼板.

(3)与区间隧道近，施工风险高

项目为地铁一级监护项目，北临地铁二号线区间隧道，基地内美伦大楼及中央商场两栋历史建筑外墙距地铁隧道外边线2 m，该两栋建筑室内托换桩拟采用钻孔灌注桩[3]，桩位距地铁隧道最近为4 m(见图1).施工风险大，根据同类工程经验该项目具有塌孔、缩颈风险，一旦发生类似事故则对相邻的地铁隧道产生不利影响.

图1 工程桩与区间隧道位置关系图

(4)环境保护控制要求高

由于对环境保护的要求极高与文明施工的要求，工程范围内南京东路商业一条街，施工车辆行走不便，周边四川中路为单行道，二号线区间隧道位处南京东路下，严禁施工重车行走，给施工的便利带来了一定的麻烦.

2 施工条件及影响因素

2.1 施工时间限定

为确保桩基施工对区间隧道扰动可控，原则上须进一步优化桩基平面布置，确保与隧道距离超过3 m，要求在地铁停运前钻机就位，停运后开始施工，轨道交通二号线是上海最繁忙的地铁线路，该站停运时间为23 ∶15～次日5 ∶13，地铁停运时间短，故成桩要求在7 h内完成，确保桩基不因地铁振动造成坍孔而影响地铁隧道的安全[3].

2.2 原位试桩扰动指标测定

土体最大变形值必须控制在3 mm以内，未达标不得区间近距离施工.因此，在远离地铁侧先行原位试桩，边缘位置布设测斜管，距离工程桩为半径2 m区域，收集参数增加施工熟练度及工效，确保临近地铁的桩基施工稳定性及时间要求.

桩基施工前在试桩位边缘位置布置测斜管，测斜管距离工程桩为2 m左右.测量桩基施工不同阶段的土体变形数据，桩周土体变形最大值为1.9 mm，均小于设计值2 mm.600 mm钻头成孔为620～640 mm，无塌孔，混凝土充盈系数为1.08，垂直度等均满足设计和规范要求.

2.3 区间隧道实时监测

加强区间隧道监测频率，施工前布设自动化监测设备，遵循有点施工制度，过程中实时同步监测指导施工，区间内部实时结构观察，若有数据突变，立即停止钻进，桩孔回填[4].若5 ∶30未完成二清，针对本工程周边环境，考虑到地铁运营安全及周边管线保护，现场应及时采用黄沙进行回填，待原因探明后再重新成孔，若处置时间过程造成监测数据有进一步变大的趋势，则应采用素混凝土回填后报设计进行桩位变更.

3 施工控制措施研究

3.1 设备选型研究

以往适合本项目的灌注桩施工工艺主要有套管法[5]，即在地铁早晨启运前，在桩孔中插入护壁钢管，保护桩孔避免坍孔.该工艺较为成熟，各个环节时间的控制有把握.但施工时间较长，一般需2 d；护壁钢套管难以埋设且钢护筒与孔壁之间存在空隙，不能完全避免坍孔；钢护筒无法回收，造价高.结合本项目的实际情况，经过反复的试验和比选，借鉴车载反循环钻机工艺，采用新型泵吸反循环法，将钻头切削产生的泥条，通过大功率的泥浆泵吸走，加快成孔速度.其工艺原理(见图2)，由机架上的动力装置驱动大直径空芯钻杆，顶部动力系统实现对钻杆的向下压力，钻杆带动切削式钻头旋转，形成对土体的切削.在切削土体的过程中，将制备好的护壁泥浆注入孔中，同时利用真空泵制造真空，并采用吸泥泵将被钻头切削下来的条块状渣土随泥浆从钻杆内部通道吸升，经排泥管排出.该工艺的钻削式反循环钻机快速成孔系统的成孔速度比常规的成孔速度提高2～3倍，可缩短成孔周期，具有孔底沉渣少，清孔快的显著特点.

图2 反循环钻机工艺

采取“快速钻削成孔设备”，其成孔设备动力装置可安放于低净空桩架上，配合浆、泥分离系统使用.切削钻头快速均匀地强制分层切削土体，达到快速成孔.对钻头刀片、吸浆管坡口角度、泵管及动力装置进行改良，与传统钻头不同，切削钻头采用长齿，能快速将土体切削成泥条.钻杆头管腔采用十字形钢板分割，防止大粒径渣滓进入钻杆，并可增加吸渣量，提高成孔速度.通过改变成孔工艺，加快成孔速度.本项目使用切削式钻头及防堵钻杆(见图3).

图3 切削式钻头及防堵钻杆

目前上海地区钻孔灌注桩施工常规采用设备为GPS-10型钻机，以往的区间隧道近距离工程桩施工案例中，为确保施工稳定及对周边扰动最小化，通常拟采用在桩孔中插入护壁钢管，保护桩孔避免坍孔[6].该工艺较为成熟，各个环节时间的控制有把握.但施工时间较长，一般需2 d；护壁钢套管难以埋设且钢护筒与孔壁之间存在空隙，不能完全避免坍孔；钢护筒无法回收，造价高.

若不采用钢护筒施工，采用工程优化措施，通常在成孔阶段采用大功率泥浆泵，袋装膨润土人工造浆，现场储备备用钻头；钢筋笼安装时将钢筋笼9 m改为12 m，减少一个接头，采用吊机拼装钢筋笼，两名电焊工进行接笼.以此前特级监护项目大中里为例，区间隧道近距离施工在采取以上的优化措施后，17.8 m以下桩长近50 m，成桩用时由第一根26.80 h减少至19.53 h，节省时间7.27 h.仍离停运后7～8 h内须完成成桩的要求有一定距离，效果并不显著.结合经验公式及常规现状调查，将钻削成孔工艺和普通成孔工艺施工时间对比，以650桩径、45 m长的灌注桩，得出结果(见表4).

表4 工艺施工时间对比

3.2 环控应对措施研究

工程使用钻削成孔工艺，配合重力式浆泥分离装置及立式浆泥分离系统，对施工现场泥浆进行工具式的存储、分离，固化处理[7]，做到现场无泥浆外露，保证现场文明施工.其工艺原理吸泥泵将被钻头切削下来的条块状渣土随泥浆从钻杆内部通道吸升，经排泥管排出，在浆渣分离设备中处理后，将渣土和泥浆分离，分离设备(见图4)，泥浆排进立式泥浆储存罐处理后,经回浆管重新注入孔中，形成泥浆循环.分离出的渣土外运.在文明施工的同时要减少泥浆外运频次，降低重车对二号线区间隧道影响.

图4 泥浆分离设备

3.3 施工成孔质量分析

为了减小桩基施工对轨道交通的影响，针对各个土层制定相对措施，并根据需要制定相应的泥浆指标.对于粉质黏土、淤泥质黏土层，采用轻压大泵量快速穿过；对于灰色粉质黏土层，由于其造浆性能好，可以造优质成孔泥浆，但由于本层易缩径，故低速勤扫通过成孔；因局部地层自然造浆性能差，极易坍垮孔，采用自行调配优质泥浆进行施工.在粘土层中成孔时，进口泥浆的比重控制在1.15～1.20；在砂土层、淤泥质及易坍孔土层中成孔时，泥浆比重控制在1.2～1.3，并应选择含砂量较小的泥浆；泥浆进孔的粘度控制在16～18 s，出孔的粘度控制在18～22 s；在成孔过程中，吸出的泥浆泥条经重力式浆泥分离系统分离后的泥浆进入立式泥浆储罐沉淀，降低泥浆的含砂量及比重，然后再进入循环箱重复使用；经常对立式泥浆储罐进行清理，清除沉砂、积淤，对不符合要求的泥浆应及时排放到废浆池外运，确保泥浆质量.

4 实施与监测

4.1 施工流程

项目2014年11月中旬开始远离地铁侧新康大厦内桩基兼原位试桩施工[8](见图5)，期间信息化施工并调整施工参数；至2015年4月正式开始地铁侧美仑大厦工程桩作业，其距离区间隧道最近距离4 m桩基4根，桩号为ML-19、ML-32、ML-33、ML-34，跳桩施工.桩基施工过程中均采用切削式快速成孔钻孔灌注桩施工工艺(见图6).

图5 现场施工照片

图6 工艺流程图

4.2 施工成桩时间及现场成桩质量

现场桩型为φ650 mm，长度45 m.任选新康大厦试桩期间(时间：2014年11月17日，桩位编号：XK-54)及地铁侧美仑大厦成桩(时间：2014年11月17日，桩位编号：ML-32)记录(见表2～表3)，实际成桩均控制在7 h以内.

过程中经检测，各项指标均达到了《钻孔灌注桩施工规程》的要求.孔径稳定，没有缩颈和坍孔的情况发生；孔底沉渣实测值均在100 mm以内；充盈系数基本在1.07左右.小应变检测，一类桩达到100%.静载试验单桩荷载达到3 000 kN，最大沉降量4.21 mm，最大回弹量1.75 mm，满足设计使用荷载1 500 kN的要求[7].

表2 新康大厦试桩记录表

表3 美仑大厦成桩记录表

4.3 灌注桩施工期间对地铁扰动分析

南京东路179街坊项目整个施工过程中，轨道交通安全保护区范围内同时进行监测.监测区间内隧道部分测点距离灌注桩位较近，约为4.2 m.因灌注桩的施工对土层扰动的影响范围有限[9]，故选取距离隧道边界最近的测点进行分析.美伦大厦灌注桩桩位与区间隧道监测点关系(见图7).从图中选择ML-19、ML-32、ML-33、ML-34共四根桩做灌注桩施工期间的地铁监测分析.由于下行线距离灌注桩较远，故不做分析，重点分析与只灌注桩对应的上行线测点变化，即ML-19对应SC15和SCA5(SC15：人工测点编号，SCA5：自动化测点编号)，ML-32对应SC16和SCA6，ML-33对应SC17和SCA7，ML-34对应SC18和SCA8.

图7 美伦大厦灌注桩桩位与区间隧道监测点关系图

灌注桩的施工控制在7 h内，因此人工测量的频率无法测得施工期间对地铁的影响，但是可以结合人工测量的隧道变形监测曲线来反应地铁隧道的影响程度.变形量主要通过自动化的测量反映.从实际测量和相关文献中可以得到，灌注桩施工对隧道的收敛变形影响小，因此分析主要针对沉降变形.

ML-19桩施工时间为2015年4月26日21:00—2015年4月27日9：00，监测变化(见图8).从图中可以得到：累计沉降最大值为3.9 mm，未超过隧道的变形报警值5 mm[10]，灌注桩施工时产生的沉降位移为-1.9 mm.

ML-32桩施工时间为2015年4月24日21:00—2015年4月25日9：00，监测变化(见图9).从图中可以得到：累计沉降最大值为3.1 mm，未超过隧道的变形报警值5 mm，灌注桩施工时产生的沉降位移为-1.5 mm.

图8 ML-19桩号对应监测变化图

图9 ML-32桩号对应监测变化图

ML-33桩施工时间为2015年4月28日21:00—2015年4月27日9：00，监测变化(见图10).从图中可以得到：累计沉降最大值为4.9 mm，未超过隧道的变形报警值5 mm，灌注桩施工时产生的沉降位移为0.3 mm.

ML-19桩施工时间为2015年4月30日21:00—2015年5月1日9：00，监测变化(见图11).从图中可以得到：累计沉降最大值为4.8 mm，未超过隧道的变形报警值5 mm，灌注桩施工时产生的沉降位移为0.4 mm.

图10 ML-33桩号对应监测变化图

图11 ML-34桩号对应监测变化图

从上述分析结果可以表明在隧道近距离桩基施工过程中地铁隧道的沉降都保持在2 mm以内，对地铁隧道扰动较小.证明了所选用的反循环钻孔灌注桩施工的高效、环保、扰动小，在工程中使用效果良好.

5 结 论

上海市南京东路179街坊改建项目增加了机械化施工程度，减少劳动力使用成本；满足低净空室内桩基施工，减少泥浆排放量，将部分施工泥浆变为干渣土外运；现场泥浆通过封闭的管道有组织集中处置及排放，达到文明施工要求；改变成孔工艺，加快成孔速度，减少周边环境变形.通过本次工程实践，钻削式灌注桩钻机、重力式泥浆分离系统、泥浆管路系统、立式泥浆分离装置在实际成孔中的效果达到了预期的目的.特别是成孔速度快、工具式重力式泥浆分离系统的脱泥效果非常明显；成孔后的孔壁稳定性、垂直度及沉渣厚度经检测均达到了理想的效果，为今后相似工程提供设计、施工借鉴.针对此次案例，同时考虑若采取减少钢筋笼分节、加快下放钢筋笼速度和混凝土蓄车待命等措施，应该可进一步压缩施工时间.

[1] 袁 钊.基坑对紧邻地铁车站及盾构隧道的影响[J].浙江水利水电学院学报,2017,29(2):53-60.

[2] 王如路,周贤浩,余泳亮.近年来上海地铁监护发现的问题及对策[C]//中国土木工程学会快速轨道交通委员会学术交流会地下铁道专业委员会学术交流会,2001.

[3] 薛武强,孙九春.紧邻地铁区间隧道的钻孔灌注桩施工技术[J].建筑施工，2010(4):294-297.

[4] 王如路,刘建航.上海地铁监护实践[J].地下工程与隧道，2004(1):27-32,35.

[5] 刘家荣.杂地层桩孔钻进工艺及机具研究[D].北京:中国地质大学,2010.

[6] 上海市建设和交通委员会.G/TJ08-202—2007钻孔灌注桩施工规程[S].上海:同济大学出版社，2007.

[7] 杨 旭,孙长健.弃泥浆无害化处理方法研究[J].环境科学与管理,2007,32(4):102-104.

[8] 史佩栋.基础工程特殊技术问题[M].北京:人民交通出版社,2003.

[9] 袁 钊.盾构隧道施工地表沉降可视化分析[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(5):59-63.

[10] 上海市城乡建设和管理委员会.DGTJ08-2170—2015城市轨道交通结构监护测量规范[S].上海:同济大学出版社，2015.