灌注桩施工对运营盾构隧道影响研究

高 永，李济民

(南京地铁运营有限责任公司，南京 210012)

关于隧道与桩基相互作用的研究，主要为隧道施工对既有桩基的影响及桩基施工对既有隧道的影响两类，前者科研成果较多，后者研究尚不充分。张志强等[1]采用三维有限元数值模拟对施工力学行为进行研究；龚伦等[2]采用ANSYS软件模拟计算深圳地铁新建隧道邻接既有桩基施工过程，通过既有隧道位移和应力增量的变化，对桥梁桩基近接既有隧道的影响分区进行划分；丁智等[3]、王洪德等[4]通过建立桩-隧相互作用的有限元模型，研究隧道不同埋深和净距等因素，探讨桩基施工对隧道的影响；吕宝伟[5]、郭力等[6]和贾立夫[7]采用数值模型论证了临近既有隧道桩基施工方案的可靠性；徐云福等[8]、庄妍等[9]通过实测数据验证了钢套管灌注桩在运营隧道保护实践中的可行性。王改等[10]以实测数据分析了不同净距和不同桩基类型下桩基施工引起的地铁变形特点；张戈[11]以杭州某紧邻隧道的两期桥桩试桩的监测数据为基础，分析软土地区大直径钻孔灌注桩施工对紧邻运营地铁隧道的影响及其位移控制对策。现有研究聚焦于某一工程数值建模分析以及现场实测成果分析，缺乏同一边界条件下不同施工方案的现场实测比对研究。

南京长江漫滩地层是典型的冲积河流二元结构，上部是细粒沉积物，主要为软塑到流塑的淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉土层，下部为粗粒河床沉积物，主要为粉细砂层和砂砾层，富含承压水且水量丰富，补给速度快。该地层既有盾构隧道近接桩基施工主要采取全套管全钢护筒或半钢护筒灌注桩工艺措施，近几年现场实测发现此类工程对既有盾构隧道变形控制难度较大，有必要对全钢护筒与半钢护筒施工工艺的适应条件及地铁结构专项保护措施进行研究。

以南京长江漫滩地层某道路暗桥施工为案例，分别对全套管半钢护筒灌注桩单桩施工、全套管全钢护筒灌注桩单桩施工以及群桩施工进行分析，发现穿越密实砂层的全钢护筒提前支护方案对既有盾构隧道变形影响量及影响半径均较非穿越密实砂层的半钢护筒提前支护方案明显增大，调整群桩成桩顺序能有效管控临近盾构隧道变形，可为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

该桥梁起讫点桩号为K0+000～K0+239，对应南京地铁S3号线上行K12+993～K13+219、下行K12+998～K13+223，桥梁跨径组合为4×(3×16)m，桥宽为64～76 m。考虑到0号轴至2号轴盖板下方为规划2号线西延盾构隧道，外径为6.6 m，上跨运营S3号线区间，规划隧道拱顶距离现状地面仅3.3 m，经设计验收，无法满足盾构掘进抗隆需求，提前采取土体预注浆加固，并提前施作600 mm厚盖板，与桥梁承台同期施工。S3号线自2017年12月开始运营，区段为盾构错缝拼装，埋深约为14.3 m，内径为5.5 m，环宽为1.2 m，管片厚度为0.35 m，管片混凝土强度为C50，因外部工程活动及地表违规偷倒渣土等情况，运营前K13+110至K13+212里程段(对应0号轴至4号轴)隧道最大沉降量达107.4 mm，故其保护区15 m范围内的灌注桩(桩径为1.5 m、桩长为78 m)施工均采用全套管钢护筒提前支护施工，且施工完成后禁止拔除钢套筒。其中110根灌注桩采用全套管半钢护筒提前支护方案，钢护筒长度不低于隧底以下2倍洞径，护筒规格为D1550×16 mm；0号轴至2号轴范围内，上下行隧道内插的6根灌注桩采用全套管全钢护筒提前支护方案，护筒规格为D1600×20 mm，须进入⑤ -2层中风化泥岩不小于0.5 m。桥桩平面布置如图1所示，0号轴至2号轴A-A剖面如图2所示。

图1 桥桩平面布置(单位：mm)

图2 0号轴至2号轴A-A剖面

1.2 地质概况

土层从上向下依次为① -2素填土、② -2b4淤泥质粉质黏土、② -3b3粉质黏土夹粉砂、② -3d3粉砂、② -4b4粉质黏土、② -4d2中密粉砂、② -5d1密实粉砂，其中区间隧道位于② -2b4淤泥质粉质黏土处。各土层物理力学参数如表1所示，运营盾构隧道及灌注桩钢护筒沿线地质剖面如图3所示。

表1 各土层物理力学参数

图3 运营盾构隧道及灌注桩钢护筒沿线地质剖面

2 单桩施工影响

2.1 全套管半钢护筒施工

2018年3月13日至2018年3月18日进行首根全套管半钢护筒灌注桩施工，桩号为2#墩-3#桩，桥桩距离运营盾构隧道最小净距为9.2 m，设计护筒深度为33 m，实际护筒深度为36.36 m，分为4节焊接。第一节长度为11 m(其中钻机正常工作留置3.5 m)，第二节至第三节长度为10 m，第四节长度为8.86 m。

施工造成运营盾构隧道沉降2.7 mm，隧道向桥桩侧水平位移了1.1 mm，其中护筒旋压引起隧道沉降2.2 mm，占总沉降量的88.9%，成孔后隧道基本进入稳定状态，全套管半钢护筒灌注桩施工信息如表2所示。

表2 全套管半钢护筒灌注桩施工信息

2.2 全套管全钢护筒施工

2018年3月17日至2018年3月25日进行首根全套管全钢护筒灌注桩施工，桩号为0#墩-7#桩，桥桩与隧道最小净距仅为2.9 m。设计钢护筒深度为60 m，实际深度为63.2 m，分7节焊接，第一节护筒长度为11 m，第二节至第六节护筒长度均为10 m，第七节护筒长度为5.7 m。第一段至第三段护筒施工期间主要穿越② -2b4淤泥质粉质黏土及② -4b4粉质黏土层，第四段和第五段护筒施工期间主要穿越② -4d2中密粉砂及② -5d1密实粉砂层，第六段护筒施工相继穿越粗砂混卵石、强风化泥岩及中风化泥岩。施工造成运营盾构隧道沉降11.5 mm，隧道向桥桩侧水平位移了3.2 mm，成桩后隧道结构历经12 d 方才趋于相对稳定(连续3 d日变形量<0.1 mm)，隧道最终沉降为13.9 mm，工后沉降量达2.4 mm。全套管全钢护筒灌注桩施工信息如表3所示。

表3 全套管全钢护筒灌注桩施工信息

2.3 单桩施工影响比对分析

2.3.1 监测成果比对分析

从监测数值上分析，全套管全钢护筒施工工法对运营盾构隧道的影响明显大于半钢护筒施工工法，2种钢护筒施工期间既有盾构隧道变形实测曲线如图4所示。两者差异主要体现在3个方面，一是全套管全钢护筒施工距离隧道2.9 m，近距离施工机械自重引起隧道沉降2.0 mm，占单桩施工变形量的17.4%；二是全钢护筒施工穿越粉砂层比穿越淤泥质粉质黏土层及粉质黏土层的影响明显增加，穿越粉砂层隧道沉降了5.6 mm，占比高达单桩沉降量的48.7%；三是全钢护筒在中密粉砂层中停滞5.6 h进行对接焊接，复钻瞬时扭矩过大造成砂层不排水不固结、剪切破坏，也造成临近盾构隧道发生瞬时沉降2.4 mm，且后续持续快速沉降。

图4 2种钢护筒施工期间既有盾构隧道变形实测曲线

2.3.2 回归函数

2#墩-3#桩施工时，选择临近的隧道上行线2轴至4轴监测点(距离9.2～35.4 m)实测数据为样本，0#墩-7#桩施工时，选择临近的隧道上行线0号轴至2号轴以及0号轴外扩区域监测点(-26.5～32.5 m，以桥梁段轴线顺序为正方向)实测数据为样本，采用正态分布函数对实测数据进行拟合，变形实测曲线及拟合曲线如图5所示。

半钢护筒与全钢护筒施工方案回归函数分别如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

图5 变形实测曲线及拟合曲线

2.3.3 回归分析

(1) 既有盾构隧道变形量：未穿越密实砂层的半钢护筒施工方案，理论上最大可造成隧道沉降4.1 mm，净距为5 m、10 m和15 m工况下，盾构隧道沉降量分别为3.6 mm、2.5 mm和1.4 mm；穿越密实砂层的全钢护筒施工方案，理论上最大可造成隧道沉降14.3 mm，净距为5 m、10 m和15 m工况下，盾构隧道沉降量分别为13.2 mm、10.5 mm和 7.2 mm。即全钢护筒单桩施工对既有盾构隧道变形影响明显大于半钢护筒施工方案，5～15 m净距工况下，变形量增加2.6～4.3倍。

(2) 既有盾构隧道影响半径：按正态函数分布规律，1.0σ范围内置信区间可达68.2%，1.96σ范围内置信区间达95%，2.58σ范围内置信区间高达99%。分析可知，长江漫滩地层的全套管灌注桩采用半钢护筒提前支护施工方案，其强烈影响区约为6D(D为护筒外径)，一般影响区约为12D，可能影响区约为16D。采用全钢护筒提前支护施工方案，其强烈影响区约为8D，一般影响区约为16D，可能影响区约为20D，即全护筒施工措施影响半径扩大了30%。

3 群桩施工影响

3.1 群桩施工隧道变形成果

全钢护筒及半钢护筒首根桩基成孔后，因工程工期紧张，未能对首根半钢护筒及全钢护筒施工成果进行深入分析与总结，仅对剩余5根全钢护筒成桩工艺进行局部优化：①实施跳桩施工，最小跳桩距离为16 m；②细化钢护筒长度，确保钢护筒一次性穿越隧道；③加快对接焊接，减少全回转停机时间。后续施工过程中，3台全套管全回转成桩设备同步交叉施工，成桩顺序混乱无序，截至2018年5月21日，历时69 d，完成了172根群桩施工，全钢护筒施工影响区段隧道最大沉降了51.0 mm，半钢护筒施工影响区段隧道最大沉降了20.4 mm，群桩施工引起的隧道垂直位移曲线如图6所示。

图6 群桩施工引起的隧道垂直位移曲线

施工期间，隧道结构变形超出安全控制值20 mm，经相关部门多次协调，于2018年6月起采用隧底微扰动注浆工艺对隧道沉降进行纠偏治理。

3.2 群桩施工顺序影响分析

结合回归函数，假定本工程临近地铁侧桥桩全部选用半钢护筒提前支护方案，可预测由远及近成桩与由近及远成桩2个方案对运营隧道的影响。以下行线隧道为例，半钢护筒工艺下2种成桩顺序预测结果如图7所示。由图7可知：①4号轴至12号轴隧道结构沉降实测数据位于由远及近成桩与由近及远成桩2个方案之间，佐证现场成桩顺序混乱的事实；②由近及远成桩方案较由远及近成桩方案，隧道沉降平均可减小7.8 mm，平均降幅达35%；③选用由近及远成桩方案，0号轴至2号轴区段的隧道结构沉降较实测数据最大减少25.0 mm，平均减少16.3 mm，3号轴至12号轴区段的隧道结构沉降最大减少8.0 mm，平均减少3.6 mm。

图7 半钢护筒工艺下2种成桩顺序预测结果

垂直于盾构隧道方向的由近及远全套管钢护筒灌注桩成桩顺序，可有效控制盾构隧道变形，说明先成桩的桩基具有遮挡隔离作用，可有效降低后成桩对运营隧道的影响。

4 结语

在南京长江漫滩地区，通过分析全套管全回转钻孔灌注桩半钢护筒与全钢护筒提前支护方案实测结果，可知穿越密实砂层的全钢护筒方案对既有盾构隧道影响较大，近接盾构隧道施工须慎重论证，不穿越密实砂层的半钢护筒方案既可降低工程造价，又可有效减少运营隧道结构变形，可作为运营隧道结构保护的主动预防措施，但在选用此方案时仍应注意以下事项。

(1) 现场施工过程中应严格控制地面荷载，合理规划场地布置，减少重型设备在运营隧道上方的碾压。

(2) 钢护筒回旋下压以及成孔与成桩等施工应确保连续性，同时应结合地层单元剖面，细化设计钢护筒的分节长度，确保中密及密实砂层一次性连续穿越。

(3) 应合理制定成桩顺序，垂直于隧道的横向排桩，应先实施靠近隧道的桩基，以实现其遮挡隔离功能，待其满足强度要求后再设远离侧桩基；平行于隧道的纵向排桩，宜先设中间后设两端，且跳桩间距不宜小于16D(D为护筒外径)；沿隧道两侧的桩基宜对称设置，减小隧道的不均匀水平位移。