钻孔灌注桩施工对邻近运营隧道变形影响研究

周志良 仇 欢 黄晓东 杜 平 杨 平 吕伟华

(1.南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037；2.南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京 210037)

0 引言

随着大规模城市地下工程建设，不可避免出现建筑物桩基与地下隧道相交问题。紧邻地铁隧道桩基施工会引起周围土体扰动，继而对邻近隧道产生附加变形，使其发生环缝错台、管片破损、渗透漏水等危害，影响地铁长期正常运营[1]。同时地铁正常运行对变形有严格的要求：隧道结构最终绝对位移不能超过20 mm，变形曲率半径不小于1/15000，相对弯曲不大于1/2500[2-3]。因此，施工时应严格控制各工况引起的地层位移和隧道结构变形。

目前，新建隧道对既有桩基影响的研究成果较为丰富[4-8]，而有关桩基施工对隧道影响的研究也取得了一定进展。吕宝伟[9]、冯龙飞等[10]采用数值模拟方法分析了桥梁桩基施工对隧道结构的内力及位移影响；张 超等[11]对钢套管施工过程进行模拟，发现钢套管旋入隧道轴线以下时会使隧道产生上浮、偏移；Schroeder等[12-13]结合有限元模拟和现场实测，研究得出桩基施工和加载阶段会对隧道产生较大影响；安建永等[14]采用模型试验及数值模拟方法，分析了不同位置(水平、竖向)桩基施工对近邻隧道应力重分布及地表沉降的影响；Yao等[15]采用离心机试验研究了桩基数量与桩径比值对邻近隧道变形的影响，得出桩基数量能够导致位移加大，比值可以改变衬砌位移的方向。

上述研究大多采用数值模拟和模型试验方法，鲜有施工全过程的现场实测研究，特别是针对钻孔灌注桩施工全过程各工况条件的实测分析，因此有必要针对该问题进行实测研究，以验证或拓展现有理论研究成果。本文结合紧邻运营地铁S8线的南京龙津桥改建工程，就不同工况下0#墩桩基和1#人行天桥梯道桩对周边地层与既有隧道的影响展开现场实测，研究施工全过程各个工况条件下地层水平位移和沉降及隧道垂直位移与水平位移变化规律，可为今后在轨道交通区间隧道周边进行桩基施工和保护隧道结构提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 工程概况

以南京龙津桥改建项目为背景进行分析。工程基本情况为：新建桥梁北侧桥台0#墩距地铁S8线左线结构边线最小净距离为5.60 m，1#人行楼梯桩基距离地铁外边线最小净距离为5.40 m及6.14 m(见图1)。

图1 桩基及隧道变形测点布置示意图(单位：m)

地铁S8线隧道内径为5.5 m，外径为6.2 m，轴线埋深为19.4 m，管片环宽1.2 m、厚度0.35 m。场地地基土从上至下依次为①1杂填土、①2杂填土、②淤泥质黏土、③1粉质黏土、③2粉质黏土、③3黏土、④中粗砂、⑤卵石、⑥1强风化砂岩和⑥2中等风化砂岩，具体物理力学参数见表1。施工桩型采用钻孔灌注桩，其中0#墩、1#墩和2#墩共计26根桩，桩长45 m，桩径1.2 m；1#人行楼梯墩共计3根桩，桩长25 m，桩径0.8 m。0#墩和1#人行天桥桩基施工选择全套管钻机，钢套筒护壁成孔工艺，1#墩和2#墩桩基选用反循环钻机。总体施工顺序为优先施工靠近地铁的外排桩基，包括0#墩5#和10#桩，1#墩4#和8#桩以及2#墩4#和8#桩等，采用全套管旋压跟进，边跟进边取土，且钢套管不再拔出的施工方法。平行于隧道轴向桥墩外排桩基在施工时采取“间跳施工”，不得同时施工位于地铁两侧的桥梁桩基，以减少施工过程中对土体的扰动。

表1 各地层物理力学参数表

1.2 现场实测方案

为确保施工期间南京地铁S8线安全运营，在距隧道最近的龙津桥0#墩10#桩和1#人行天桥梯道桩基施工前后，持续进行如下实测：周边深层土体水平位移、地表沉降、地层分层沉降、既有地铁隧道变形，并根据实测分析桩基施工对南京地铁S8线运营隧道的影响。

1.2.1 测点布置

(1)地层水平位移和沉降测点布置

在0#墩10#桩和1#梯道桩与左线隧道结构之间各布置1个测斜兼分层沉降孔，编号分别为 CX-1和 CX-2。CX-1测斜点孔深度为45 m，CX-2测斜点孔深度为35 m，均从埋深5 m处开始，每隔5 m布设一个分层沉降环，直至孔底，具体测点布置见图2。

图2 测点布置示意图(单位：m)

(2)隧道变形测点布置

沿隧道轴线方向布置8个管片断面进行隧道变形实测，包括隧道垂直位移、水平位移。以正对10#桩的隧道断面Z27为起点，左侧沿线布设2个隧道断面Z25、Z26，右侧沿线布设5个隧道断面Z28—Z32。Z25—Z32断面相邻断面间距均为12 m，每个断面于隧道管片两侧壁上各布设1个测点(见图1)。

1.2.2 实测方案

(1)监测仪器

①深层水平位移采用测斜管+JTM-U6000E系列活动式水平测斜仪，精度0.01°；②分层沉降采用沉降磁环+JTM-8000型钢尺沉降仪，精度1 mm；③地表沉降采用地表沉降版+精密水准仪，精度0.2 mm；④隧道结构变形采用徕卡全站仪TS30，精度为(1+2 ppm×D)mm。

(2)实测方案

①待0#桥墩10#桥桩与1#人行天桥桥桩开始施工前5 d进行预埋孔及测点埋设作业，并做好测点保护；②随后每隔1 d实测1次，待数据稳定，开始钻孔灌注桩施工，钻孔灌注桩钻进时按时间间隔1 h或钻孔深度每3 m记录数据；③钻孔灌注桩作业期间，同时观测地铁隧道机车过境车次，观测时如遇列车经过测试元件反应异常明显等情况需作好记录，同时监控桩基钻孔过程中有无塌孔等异常出现，并作好记录；④在钻孔灌注桩施作时如遇工序环节变换，须做好测试记录，成桩完成后按30 min、1 h、2 h、4 h、24 h时间间隔实测，以后每天实测一次；⑤在0#桥墩处，待10#桥桩施工完成后，进行9#、8#……桥桩施工时，按照上述实测流程实施，至所有墩台下的桥桩施工完成；⑥在1#人行天桥处，待人行天桥最邻近隧道1#桥桩施工实测完成后，再进行2#、3#天桥桩施工时，仍按照上述实测流程实施，直至所有人行天桥桥桩施工完成。

2 实测结果与分析

2.1 深层土体水平位移分析

图3为CX-1测斜点和CX-2测斜点周边深层土体水平位移随时间的变化曲线。从中可见：成孔阶段，CX-1、CX-2测斜点均出现了明显的深层水平位移，说明0#墩10#桩和梯道桩成孔期间对桩周土体造成了较大的扰动，而后位移增量随工序推进不断减小直至施工结束，变形基本稳定；混凝土硬化后，距0#墩10#桩2.8 m的测斜点深层水平位移达到4.5 mm，最终深层水平位最大值为4.9 mm，桩基施工期间桩周土体稳定；CX-2测斜点深度30 m处位移变化量很小，且与深度15 m处的位移差较CX-1测斜点大，这是由于10#桩埋深更深，对地层的影响范围更大；CX-1测斜点位移值略高于CX-2测斜点值，说明施工的桩径越大，桩长越长，对地层变形影响越大。

图3 深层水平位移-时间曲线

CX-1测斜点和CX-2测斜点各工况下深层水平位移沿深度变化曲线如图4所示，可以看出，最大位移发生在地表孔口处，且越接近地表位移变化越大，这反映了桩基施工对浅层干扰较大，随深度增加，干扰逐渐减弱这一特点。两测孔各阶段位移曲线规律相似，差异主要体现在，CX-2测斜点位移变化量是随深度从下往上平稳增加，而CX-1测斜点位移有一定突变量，主要发生在孔深 13～15 m与29～32 m处，这是由于该处地质条件相对较差，地层为③1粉质黏土、③2粉质黏土，桩基施工使土层应力重分布，因此引起的水平位移也会有所不同。

图4 各工况下深层水平位移沿深度变化

2.2 地层沉降变形分析

图5、图6分别为CX-1测斜点不同工况分层沉降随深度和时间变化曲线。由图5可见，CX-1测斜点最大分层沉降为9.1 mm，发生在地表处。各工况分层沉降均随深度增加而减小，深度越深，沉降变化量越小。这与隧道开挖引起的分层沉降相反，浅埋暗挖隧道时，拱顶正上方地层满足应力松弛规律,分层沉降量从地表到拱顶逐渐变大；隧道边墙以外地层，其分层沉降量沿深度呈现先快后慢减小趋势，且拱顶以下部分的沉降量相对较小[16]。

图5 CX-1测斜点分层沉降沿深度变化

图6表明：成孔和浇筑混凝土阶段沉降量较大，而混凝土凝固过程沉降相对较小。深度越浅，沉降量越大，深度超过35 m后，沉降变形不足1 mm，说明打桩超过隧道位置以下一定深度后，对地层的扰动很微小。

图6 CX-1测斜点分层沉降随时间变化

由于深度40 m以下为坚硬地层，测孔发生偏斜，加之后续施工不当导致测孔局部破坏等原因，深度40 m以下未测得数据。

2.3 隧道变形分析

0#墩10#桩施工期间引起的隧道垂直位移随时间和隧道轴线方向的变化规律分别如图7(a)、图7(b)所示。从图7(a)可见，成孔时，隧道出现快速下沉，位移量很大，这说明10#桩的施工对桩周土造成了较大扰动。随着桩基施工工序推进，隧道垂直位移不断增大。成孔阶段引起的隧道垂直位移最大，其次是浇混凝土阶段，而混凝土硬化后趋于稳定。图7(b)表明，隧道最大垂直位移发生在正对10#桩的Z27断面处，最大值为2.2 mm。随着隧道与0#墩10#桩中轴线的距离增大，隧道垂直位移减小。

图7 隧道垂直位移变化曲线

0#墩10#桩施工期间引起的隧道水平位移随时间和隧道轴线方向的变化规律分别如图8(a)、图8(b)所示。图8(a)表明：同垂直位移变化规律一样，隧道水平位移随桩基工序推进呈现先快后慢增长趋势，成孔阶段引起的隧道水平位移最大，其次是浇混凝土阶段，而混凝土硬化后趋于稳定。分析图8(b)可发现，隧道最大水平位移发生在正对10#桩的Z27断面处，最大值为2.2 mm，其他断面随着与桩中轴线距离增大，水平位移逐渐减小，但反映的规律与Z27断面相同。这是由于距离越大，施工对隧道的影响越小。

综合分析图7、图8可知，桩基施工期间，隧道垂直位移与水平位移变化规律表现出一致性。盾构隧道离施工桩位中轴线越远，其产生的沉降和水平位移越小，且两者与距离并非呈现线性关系，这是由于受到场地荷载、地铁运营等因素的影响。

图8 隧道水平位移变化曲线

2.4 讨论

CX-1、CX-2测斜点各工况不同深度的地层最大水平位移如图9所示。对比10#桩和梯道桩各阶段引起的土体水平位移，前者各阶段位移量更大，其原因是10#桩桩径大，桩长更长，施工对地层扰动更明显；而在深10 m处10#桩水平位移出现比梯道桩数值小的情况，是受到粉质黏土与淤泥粉质黏土互层的影响，局部地区存在土质分布不均匀；10#桩在深40 m处与梯道桩在深30 m处均出现水平位移陡降，且位移值相近，这是由于埋深接近桩底，桩的影响力减弱，位移变化量不大。

图9 不同深度地层水平位移--工况曲线

隧道最大垂直位移和水平位移在隧道轴线方向的变化规律见图10(a)，分析Z25—Z29断面数据，可发现混凝土硬化后期，隧道最大垂直位移和最大水平位移相近，最大位移差发生于离桩最近的Z27断面，且位移差随隧道与0#墩10#桩中轴线距离增加而减小。

图10 各监测项目位移最大值

各监测项目最大值随工况变化曲线如图10(b)所示，可看出各变形最大值随施工工序推进逐渐增大，桩周土变化量最大，变化速率最快，其次是深层水平位移，隧道变形最小。成孔阶段开挖土体使地层应力重分布，因此产生的变形最大；桩周土在浇混凝土阶段的变形小于成孔阶段，这是因为钢套筒隔离筒内混凝土和筒外土，稳定孔壁，并有效减小混凝土自重对地层影响；地层沉降位移最大值始终高于水平位移值，说明桩基施工对桩周土体影响以沉降变形为主；各工况隧道最大垂直位移和水平位移值相近，说明隧道最大变形由垂直位移和水平位移共同主导。

从数据分析可以看出，桩基施工对桩周土及邻近既有隧道产生了一定程度影响。成孔阶段钢套管的设置有效地抑制了周围土体的扰动，可以确保既有隧道的安全营运。结合实测结果以及施工方案，为有效控制变形，提出如下建议与对策：成桩阶段采用钢套筒，合理的成桩工艺、间跳施工、有条件时考虑缩小桩径等。

3 结论

(1)地层位移和隧道位移变化经历“快速-缓慢-平稳”三阶段，隧道轴向两侧垂直位移与水平位移均随着隧道与施工桩中轴线距离增加而减小。桩周土变形以沉降为主，隧道最大变形由垂直位移与水平位移共同主导。

(2)近隧桩基施工对既有地铁隧道的影响主要集中于成孔阶段，钢套筒的使用能有效减少桩基施工对既有隧道的影响。

(3)灌注混凝土阶段引起的地层位移和隧道结构变形也较大，可同成孔阶段一同作为钢护筒设计的控制工况。

(4)混凝土硬化过程对既有隧道的影响并不大，既有隧道只会发生少量变形。

(5)由于钢套管的护壁作用，地层位移及隧道变形均较小，说明该工程施工方案效果良好，建议可在类似工程中采用“钢套管边旋压边取土”、“群桩间跳施工”、“延迟拔出护筒”等工艺。

(6)对于近隧钻孔灌注桩施工，为避免其对既有隧道造成不利影响，建议桩基础应采用全套管灌注桩的施工方法。