明挖隧道围护桩侵限预防控制技术

王 凯

(中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700)

0 前 言

随着我国社会主义经济建设的迅猛发展与综合国力的增强，城市规模发展不断加快，交通与环境的矛盾日益凸显，铁路作为主要交通工具之一，地下建设成为趋势；铁路隧道在郊区建设时，设计多为明挖法施工，钻孔灌注桩因施工快捷、刚度大、造价低等优点，广泛应用明挖隧道围护结构[1-2]。钻孔灌注桩作为围护结构时，基坑的限界成为影响隧道主体结构厚度的主要因素之一，若侵入主体工程范围需进行凿除处理，越接近基底，处理范围越大，钻孔灌注桩是围护结构的主要受力结构，钻孔灌注桩侵限部分凿除安全风险极大，处理费用成倍增加，故如何保证钻孔桩不侵入衬砌主体成为钻孔桩施工时的关键环节。本文以某城际铁路联络线工程明挖隧道钻孔围护桩为例进行技术探讨。

1 工程概况

新建城际铁路联络线一期工程某标段包含榆安1#隧道、榆安2#隧道、新航城车站，全长4.53 km。均采用明挖法施工，基坑深度18～22 m；结合隧道所处位置的地质条件、基坑深度和环境条件选取围护结构形式，经技术、经济比较，隧道主要采取土钉墙放坡、钻孔灌注桩+钢支撑围护形式；其中榆安1#隧道设计2 468根钻孔围护桩，榆安2#隧道设计3 440根钻孔围护桩，新航城车站设计1 741根钻孔围护桩。桩径0.8～1 m，桩长8～34 m不等，围护桩成孔采用旋挖钻成孔工艺。

2 钻孔围护桩预防侵限技术控制难点

基于明挖隧道钻孔围护桩作用和相对位置的特殊性，为了保证钻孔围护桩不侵入主体结构范围，施工质量除了满足规范要求混凝土强度、桩身完整性、匀质性等主控项目外，一般项目的桩体垂直度控制也应作为主控项目进行控制，施工验收时必须全部合格。

现行《铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB 10417—2018)未对明挖隧道围护桩垂直度验收做出明确规定；图纸要求钻孔围护桩垂直度偏差≤1%，与《铁路桥涵工程施工质量验收标准》(TB 10415—2018)中桩基础垂直度控制要求一致。根据基坑深度计算基底处围护桩偏移量为：

Δl=h×100×r

(1)

式中，Δl为钻孔桩基底处偏移量，cm；h为钻孔桩孔顶至基底的高度，m；r为钻孔桩垂直度，%。

钻孔围护桩自地面开始施工，h取值22 m，若r=1%时，可计算的Δl=22 cm，基坑底部围护桩已侵入主体22 cm，将影响基底部分侧墙衬砌厚度，桩间喷锚厚度最小值为5 cm，还需对桩身混凝土进行处理17 cm。

桩身混凝土凿除最大范围为以不破坏桩身主筋为标准，桩身最大允许凿除混凝土厚度为保护层厚度7 cm，加上桩间喷锚厚度，桩身基底位置最大可接受偏差为12 cm，反推可得钻孔围护桩精度控制为5‰以内。故钻孔围护桩垂直度控制难度大、精度要求高，是钻孔围护桩施工质量控制难点。

3 围护桩侵限预防控制措施

3.1 桩身质量控制措施

1)旋挖钻桅杆垂直度校核。旋挖钻进场组装完成后，由测量专业人员采用全站仪或经纬仪复核桅杆垂直度，桅杆垂直度控制在5‰以内；在桅杆垂直度符合要求的情况下，钻机总控屏进行清零校准，保证显示屏显示数据与桅杆垂直度相一致。在施工过程中，钻机桅杆垂直情况至少每7天校核一次；出现桩孔垂直度超标时，再次校核钻杆垂直度。

2)桩位放样精度控制。明挖隧道围护桩放样前按设计位置计算孔位坐标，并报测量监理工程师审批，保证计算数据准确。放样前放样数据应经测量班长、监理工程师核对，核对无误后方可进行放样；围护桩桩位放样一般采用RTK(Real-time kinematic，实时动态定位)技术，放样前先对RTK校核。桩位放样采用放样和复核两次控制，由测量人员放样钻孔围护桩位置，劳务人员按放样位置埋设护筒，护筒埋设完成后，由测量人员对护筒位置再次测量复核，检查护筒和护桩拉线中心点位置是否准确。

3)场地平整。钻孔围护桩开钻前清理钻机站位位置，清理表面淤泥和浮土，必要时对场地范围采用砖渣或其他材料进行换填，保证钻机在钻孔过程中不会发生倾斜，影响成孔质量。

4)钻孔过程控制。钻机开孔前，由现场技术人员核对钻头与护桩拉线交叉点位置，同时检查旋挖钻机控制室内显示屏上钻杆垂直度，全部检查合格后，由钻机操作人员对桅杆进行锁死，在钻进过程中禁止调整桅杆方向[3]。钻机钻孔过程中，钻机操作人员发现显示屏上钻杆垂直度偏差>1%时，及时通知现场管理人员复核并校正；技术人员随身携带吊锤，定时复核钻杆垂直度，发现钻杆垂直度出现明显偏差时，及时复核成孔质量，并采取有效的纠偏措施。

5)成孔质量检测。围护桩成孔后需检查成孔质量，成孔斜度检测目前采用较先进的成孔检测仪器为超声波测壁仪[4]。采用超声波测壁仪检测成孔斜度，若斜度偏差>1%且隧道基底位置桩身侵入主体超过12 cm，需回填黏土，重新钻孔或修正成孔斜度。

6)塌孔控制。围护桩局部塌孔，混凝土灌注后，塌孔部位桩身形成鼓肚，会侵入主体结构，造成围护结构侵限，施工过程中应加强对钻机钻进速度和泥浆比重控制，减少塌孔造成的围护桩侵限。

3.2 规避围护桩侵限预防措施

围护桩垂直度控制要求精度高、难度大；本文以防止围护桩侵入主体为最终目的，规避围护桩侵限对主体结构厚度的影响为出发点，制定了以下预防措施。

3.2.1 增加预留量

围护结构施工前，根据目前行业垂直度控制精度水平和基坑深度，对围护桩在垂直于线路的方向进行调整，外放调整量计算公式如下：

Δa=Δl-b

(2)

式中，Δa为围护桩在垂直于线路方向外放调整值；b为围护桩在不加固情况下最大凿除允许值，此处取值为12 cm。

当围护桩垂直度控制水平为1%，基坑深度为22 m时，根据式(1)和式(2)计算可得围护桩在垂直于线路方向外放调整值为10 cm。

根据计算得出的围护桩外放量，由测量人员在设计位置基础上将围护桩位置外调10 cm，并按调整后的数据放样桩位，从而减少围护桩侵入主体范围的数量。

此类围护桩侵限控制措施会造成衬砌结构混凝土或桩间喷锚混凝土数量增加。但因此造成的混凝土超方成本远低于因围护桩侵限处理成本，并减少了因围护桩处理带来的基坑安全风险和工期风险。

3.2.2 旋挖钻机站位控制

围护桩成孔多采用旋挖钻成孔工艺，具有自动化程度高、劳动强度低、成孔速度快等优点。旋挖钻机结构如图1所示。

图1 旋挖钻机结构图

在旋挖钻钻进成孔过程中，因钻机操作手水平参差不齐或急于成孔，钻杆竖向荷载加载较大，对钻机产生向上的反作用力，造成钻机向后倾斜，带动钻杆向机身侧倾斜，对围护桩成孔垂直度造成影响。为了避免此类倾斜引起的围护桩侵限，可以采取调整钻机施工方向的措施。钻孔时，钻机钻头向着线路外侧或钻机钻头方向与线路方向一致进行钻孔施工。此类钻孔方式，成桩倾斜方向会向线路外侧或线路方向倾斜，不会侵入衬砌主体结构。

3.2.3 减少虚钻长度

该工程施工时钻孔围护桩自地面开始施工，放坡开挖高度为3 m，围护桩孔钻长度为4 m，从式(1)中可以看出，如果采取先开挖再进行钻孔围护桩施工，可以减小孔顶至基坑底的高度值h，从而减小基地处桩身偏移量Δl。因此，在编制施工组织方案时，应先施工放坡开挖工程，再进行钻孔围护桩施工，减小钻孔围护桩垂直度控制难度。此项措施符合钻机向外侧站位理念，同时减少空钻长度，节约了成本；缺点是因基坑开挖对钢筋笼运输、泥浆池设置、钻渣外运等施工带来不便。

4 侵限桩数量统计

截止笔者撰文，榆安1#隧道、榆安2#隧道钻孔围护桩已全部施工完成，并完成开挖施工，由现场技术人员对钻孔桩侵限处理情况进行统计，具体如表1所示。

表1 侵限桩统计表

榆安2#隧道最先组织施工，项目部对侵限桩控制不够重视，按1%进行垂直度控制。榆安1#隧道开工较晚，项目部采取了围护桩施工垂直度控制措施，同时采取了规避侵限措施，侵限桩数量明显较少，为项目部节省了侵限桩处理费用和工期。

5 结束语

明挖隧道围护桩预留外放量为钻孔施工垂直度预留了控制范围，在预防围护桩侵限控制中起到了显著效果，但应在施工过程中，根据施工精度及时调整，减少混凝土超方，避免成本增加。预防围护桩侵限措施应坚持事前预防、事中控制原则，减少成孔后再返工或进行修正，避免对开挖后的侵限桩身进行处理。围护桩施工前还需加强对旋挖钻机工况的检查和人员的培训，只有不断加强操作人员的质量控制意识，才能有效保证各类围护桩侵限预防措施落实到位，取得应有的效果。

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