浅埋盾构区间侧穿地下承重桩加固技术研究

蒋勇军

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072700)

1 概 述

当浅埋轨道交通盾构区间盾构掘进侧穿或下穿铁路或公路桥梁、工业与民用建筑等建(构)筑物时，必须以确保建(构)筑物地下承重桩沉降、位移的变形不超出规范要求范围，这样才能保证施工安全、施工进度和工程质量[1]。济南市CBD预留市政配套工程土建施工二标历下广场站—绸带公园站区间工程，为解决侧穿历下广场站地下空间开发结构时遇到的浅埋、侧穿地下承重桩基距离较近等施工难点，通过分析区间的地质特性和施工工况，采取钻孔灌注隔离桩保护承重桩、高压旋喷预加固地层、盾构掘进施工技术控制、沉降控制等技术举措,确保了施工安全和进度。

2 工程和地质概况

济南市CBD效果图见图1，济南市CBD地铁站和历下广场地下空间效果图见图2。预留轨道交通工程历下广场站—绸带公园站区间从历下广场站引出后，先后穿越解放东路、横十路、横八路，最后进入绸带公园站(见图3)，左右线长度分别为793.6m和860.8m。盾构侧穿历下广场地下空间开发结构范围长度为左、右线长度分别为39m和44m。

图1 济南CBD效果图

图2 济南CBD地铁站和地下空间结构效果图

图3 历绸区间平面

工程地质盾构侧穿地下承重桩基地层有碎石层、强风化灰岩、溶洞层、强风化泥灰岩和中风化灰岩，盾构区间区间大多为 中风化灰岩，围岩等级大多为Ⅲ～Ⅵ 级，沿线在勘察和实际施工阶段，都没出现地下水。历下广场桩基地质纵剖面见图4。

图4 历下广场桩基地质纵剖面

3 盾构区间与地下承重桩相对位置及周边环境

3.1 历下广场承重桩与盾构区间位距情况

济南市CBD预留市政配套工程历下广场站—绸带公园站区间左侧里程SK1+103.080～SK1+146.720、右侧里程XK1+107.806～XK1+146.720穿越地下空间开发结构。通过钻孔灌注桩基础型式施作历下广场地下空间承重桩结构，钻孔灌注桩桩长12.9m，φ1m，区间盾构区间最小埋深(拱顶与地下空间结构底板最近距离)仅3.3m。

在历下广场承重桩范围内的区间盾构区间底部高程高于水位线，盾构掘进直径6.68m，安装管片后直径6.4m，右线盾构区间边缘与东侧承重桩桩基距离是3.6m，与西侧承重桩桩基距离是3.1m；左线盾构区间边缘与东侧承重桩桩基距离是3.1m，与西侧承重桩桩基距离是4.67m。由于盾构区间与承重桩桩基距离很近，加上承重桩桩基抗剪能力不强，在盾构施工时会对桩基产生一定侧压力，严重时影响承重桩桩基的功能。历下广场承重桩与盾构区间位距情况见图5。

图5 广场地下结构和盾构区间位置剖面

3.2 地下承重桩基区间周围环境

济南市CBD预留市政配套工程历下广场站—绸带公园站区间侧穿地下承重桩桩基段也是历下广场地下空间彼此进行共同施工区域，北侧是绸带公园站接收端井，四周不存在危险房建、老旧建(构)物，也不存在光缆及煤气管道等(见图6)。

图6 广场地下结构和盾构区间位置俯视

4 钻孔灌注隔离桩保护承重桩方案

4.1 钻孔灌注隔离桩作用

借助钻孔灌注隔离桩，能对盾构掘进时产生的推力进行有效阻断，有效避免盾构掘进对桥桩结构的直接扰动，同时，隔离桩能够对盾构机穿越后两边土体向临空方位的变形进行有效限制，对桩基自身的横向位移进一步缩小。通过设置顶部连梁，能够将各钻孔桩联系成一个整体，可以发挥抵抗形变作用[2]。

4.2 隔离桩施作

a.施工步骤。钻孔灌注隔离桩为做好隔离防护，在盾构侧穿的历下广场地下空间承重桩和左右线盾构区间中间位置布置40根桩长度为22.75m的1排直径80cm@100cm钻孔灌注隔离桩(钻孔灌注隔离桩采用泥浆护壁成孔和隔孔钻孔的方式，成孔后，将C30混凝土注入，隔离桩施工流程见图7)。在最外侧2排隔离桩桩顶布置80cm×80cm联系梁。

图7 钻孔灌注隔离桩施工流程

b.施作核心点。将2根注浆钢管在隔离桩内沿钢筋笼的圆周进行对称布置，并作为桩身完整性声速检测管，将注浆管接触到桩底，采用P·O42.5水泥进行注浆。桩基成孔，钢筋笼吊入后，用导管法浇注混凝土；把长度大于1m的钢护筒设置在钻孔灌注隔离桩孔口处，通过黏土对护筒外侧下端进行密实填筑；桩身垂直偏差小于1%，桩位误差范围±20mm，桩径误差范围±50mm[3]。

5 高压旋喷桩对地层预加固施工技术

高压旋喷桩，将水泥浆液借助高压泵从钻杆喷头高速喷到周边土体，通过高压冲击力对土层进行切削，与此同时，钻杆高速旋转的同时，缓慢进行抬升，确保水泥浆和土体充分搅拌混合凝固，最终形成具有相当强度的圆柱固结体，从而实现加固地基的目的[4]。高压旋喷注浆加固和地下承重桩基平面示意见图8。

图8 注浆加固和地下承重桩基位平面

5.1 高压旋喷桩优点

施工噪声小，振动不大；设备施工便捷、功效高、成本不高；对任何软弱土层都适用，加固范围能够控制；能提高地基的抗剪强度；能将小直径钻孔旋喷成比孔大很多的大直径固结体，特别适用于已有建筑物地基加固而不扰动附近土体[5]。

5.2 高压旋喷桩质量控制要点

研究分析盾构穿越地层结构，参考盾构始发(接收)端头加固技术，通过高压旋喷桩对浅埋段进行加固，加固范围是盾构区间顶部距地面 1m 、盾构区间底部以下 3m，左右两侧加固到距离桩基 1m 处。为了提升整体土体的强度，随旋喷深度增加逐渐削弱旋喷压力，同时充填溶腔或空洞。

质量控制要点：以先稀后浓的原则配置水泥浆液， 水泥浆液的水灰比依据实际要求配置，通常取0.6 ～ 0.8。借力高压水将桩内松动的岩块、泥岩冲刷下来，向上缓慢提升，将岩面到桩底的钻孔通过冲刷扩径，被冲刷掉的岩块、泥岩被高压水冲出桩外，直到从钻孔底部冒出的水非常清澈为止。必须依据土质情况和施工规范要求确定高压喷射注浆施工参数。使用注浆机把水泥浆液通过注浆管由孔底注入，钻杆以20r/min左右速度高速旋转。注浆结束后，应该马上将喷射管抽出，为避免浆液凝固收缩对桩顶高程产生影响，需要对原来孔位进行二次注浆或冒浆回灌。喷射完浆液后，水泥浆随之渐渐凝固，浆面随之下降，这时，要马上把水泥浆液注入孔内，直到液面稳定不降。

6 盾构掘进及施工控制措施

6.1 掘进参数设定

a.确定同步注浆参数。注浆量通常是理论建筑空隙的180%～250%，依据压力、流量双重控制实际注浆量，要以流量为辅、压力为主，确保注浆量充足[6]。

b.确定土压力。根据掘进地质条件，土压力需根据朗肯主动土压力理论或静止土压力理论进行设定，主动土压力要高于最低土压力。

c.设定掘进速度。盾构下穿广场地下空间时，必须保证施工稳定，防止掘进速度或快或慢，避免对土体扰动较大。掘进速度控制在30～50mm/min，刀盘旋动速率范围是1.0～1.1r/min。

6.2 改良渣土

根据掘进地层的情况，通过油脂泡沫改良渣土。为提高改良效果，需要对泡沫膨胀率和混合比进行试验调整。按照类似工程施工经验，在流量280～400L/min时，泡沫发泡率为4～6，在原液掺量4%的情况下，渣土改良效果较好。

6.3 盾构掘进

纠偏遵循勤纠、少纠的原则，每环纠偏量小于5mm，科学使用推进和铰接油缸的行程差，结合盾尾间隙科学选用管片拼装点位，从而达到纠偏的效果，有效控制地面沉降[7]。

管片拼装：盾构穿越地下空间时，盾构区间管片选取增加注浆孔的加强型管片(管片结构加密加粗配筋)，这样二次注浆时能够对地面沉降进行抑制。

6.4 洞内二次注浆加固

盾构侧穿承重桩桩基时，如果掘进出土超限导致地面沉降达到30mm极限值，或者桩基倾斜临近允许值2‰，此时如果管片出现下沉，洞内注浆无法保护桩基，需要在洞内通过二次注浆进行加固。

6.4.1 洞内二次注浆加固方法及加固范围

为有效控制地面沉降，二次注浆加固按照盾构通过后的地面沉降监测数据进行。当盾尾脱出4环管片后，通过静压注浆机注入水泥-硅酸钠双液进行二次注浆加固，加固范围通常为沉降点对应的盾构管片环和该管片环前后各3管片环(见图9)，从而弥补同步注浆的缺陷以及因同步注浆浆液固结收缩形成的空洞，从而更有效地抑制地面沉降。

图9 加固范围示意

6.4.2 加固施工工艺

通过跳环进行注浆(跳1环/次)。注浆位置选定在每环管片上、下部120°点位两个孔，注浆顺序先下后上(见图10)。借助电钻在注浆孔底部进行钻孔，钻杆长度不小于70cm，注浆孔被打通以后，将注浆头安装在注浆孔前端，然后将上阀门和三通安装在注浆头上，将注浆管和三通进行连接。采取静压注浆机注射水泥浆和硅酸钠混合的双液浆。注浆压力为0.15～0.3MPa。完成注浆后，通过速凝水泥封堵注浆孔，然后将防水盖拧紧。

图10 管片注浆点位切面

7 地面沉降控制与监测

7.1 地面沉降控制

盾构土压平衡掘进的控制土压力，根据盾构掘进地段的埋深和地面沉降监测数据实时调整，并通过同步注浆对盾构刀盘掘进直径与管片外径之间的空洞进行填充；为将盾构区间的稳定性进一步提高，除进行二次加固注浆外，通过在洞内进行深孔注浆的方法，在管片外周形成一道稳定的注浆固结层，从而防止浅埋层的土引起管片上浮。

7.2 地面沉降监测

监测结果表明，在盾构侧穿地下构筑物桩基期间，地面沉降、承重桩水平位移和竖向位移、隧道里管片收敛等相关检测项目指标都在规定范围之内。

8 结 语

为研究浅埋盾构区间侧穿地下承重桩加固技术，以济南市CBD预留市政配套工程历下广场站—绸带公园站区盾构间侧穿历下广场承重桩施工为例，可以得出如下结论：借助钻孔灌注隔离桩能有效隔离盾构掘进对近距离承重桩结构的直接扰动；采用高压旋喷桩对浅埋地层进行加固，提高了盾构区间周边地层的整体稳定性；通过采取对盾构掘进参数进行科学设定、改良渣土、控制纠偏、控制同步注浆、管片拼装、洞内二次注浆加固和地面沉降监测等措施，确保了施工顺利推进。