地鐵兩側大面積樁基施工對隧道結構影響分析*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

中國博覽會會展綜合體位于上海市西部，其地上建筑面積達到147 萬m2，建筑物橫跨運營中的軌交2號線車站及一部分區間，影響范圍長度約為1 000 m（圖1）。為確保新建建筑施工過程對地鐵區間隧道（簡稱隧道）結構影響最小，距離隧道結構50 m以內的地鐵保護區范圍內設計為鉆孔灌注樁，地鐵保護區范圍外設計為PHC預制樁，持力層為⑦2層，樁長為40 m左右。（PHC樁有1 萬多根，直徑分為600 mm和800 mm，分布在距離地鐵50～400 m范圍內，鉆孔灌注樁約3 000多根，直徑多為800 mm，少量為600 mm，分布在距離地鐵影響沿線的6～50 m范圍內。）

圖1 工程概況

2 水文、地質概況

勘探孔揭示，擬建場地大部分位于正常地層分布區，局部受古河道切割，在所揭露的65.30 m深度范圍內屬第四紀上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由黏性土、粉性土及砂土組成。本次堆載預壓施工主要針對第③層淤泥質粉質黏土以及第④層淤泥質黏土進行處理。

對施工有可能產生直接影響的為淺部土層的潛水。潛水補給來源主要為大氣降水與地表徑流，其水位動態變化主要受大氣降水和地表徑流影響，地下水年平均水位埋深為0.5～0.7 m，低水位埋深為1.5 m。

3 樁基施工對周邊結構影響機理分析

國家會展綜合體樁基對隧道影響范圍長度約 1 000 m，其中既包括車站也包括區間部分。樁基距離隧道結構最近處僅有6 m。在運營中的軌交線路附近如此大范圍內進行樁基施工，不僅在上海是絕無僅有的，在全國范圍內也是沒有先例的，因此樁基施工受到各方面的重視和關注。

3.1 預制PHC樁施工影響分析

PHC打入樁施工時產生擠土效應和孔隙水壓力增大的現象，施工時，沉樁引起四周土體擾動，改變了土體的應力狀態，形成了樁周顆粒的復雜運動，使樁周土體發生變化，這種變化表現為徑向位移，樁尖和樁周一定范圍內的土體受到不排水剪切以及很大的水平擠壓。由于群樁的疊加作用，樁群越密樁徑越大，土體的位移和超孔隙水壓力就越大，對周圍環境和建筑物的影響就越大。

3.2 鉆孔灌注樁施工影響分析

鉆孔灌注樁鉆孔過程中會對土壓力和超孔隙水壓力造成一定的釋放，如這種壓力釋放過于迅速則極易造成坍孔，鉆孔灌注樁坍孔勢必造成更大的壓力釋放，因此鉆孔灌注樁施工對鄰近樁基及建筑物會產生一定的影響。

4 樁基施工流程優化[1-4]

4.1 樁基施工對地鐵結構影響分析

由上述機理分析可知，預制PHC樁施工時由于擠土效應會造成隧道結構物發生遠離施工方向和向上的位移，大面積樁基施工時擠土效應更加明顯，地鐵結構位移也更加明顯。而鉆孔灌注樁施工時由于鉆孔的存在會造成土體內部應力釋放，也會造成超孔隙水壓力的釋放，因此造成周邊隧道結構出現與原來位移相反的位移趨勢。本工程地鐵車站結構剛度較大，結構抗變形能力較強，不易造成結構損傷。而隧道區間結構自身剛度較小，抗變形能力弱，如發生變形容易造成結構損傷，尤其容易造成結構漏水，并對軌交2號線安全運營產生影響。

4.2 樁基施工流程優化原則

為避免樁基施工對隧道結構的影響，以及不同樁基類型之間的施工影響，需對樁基施工流程進行深入研究并制定具體措施用以指導施工。

（a）根據常規施工經驗，隧道兩側施工需同步進行，即對稱施工，對稱施工使得隧道兩側擠土效應相近，因此隧道結構不容易發生水平向位移。但是也應該意識到對稱施工對豎向位移會造成疊加效應，造成豎向位移較大。

（b）在工期容許的條件下，盡量降低施工速度，從而有效減少擠土效應，減少超孔隙水壓力的疊加，使之能夠快速消散，因此降低施工速度能夠有效減少樁基打入施工對地鐵結構的影響。

（c）PHC樁施工背離隧道方向進行施工，首先施工靠近隧道部分，然后逐漸遠離隧道結構，這有助于減小擠土效應對隧道結構的累積，同時靠近隧道已施工的樁基對后續施工樁基的振動和擠土效應起到抵抗作用，在一定程度上減小了樁基施工對隧道的影響。

（d）預制PHC樁施工與鉆孔灌注樁保持一定距離或間隔一定時間，預制PHC施工時產生擠土效應和振動效應，如PHC樁先行施工，鉆孔灌注樁隨后施工，由于打入樁施工已對周圍土體產生擾動，造成超孔隙水壓力的存在，極易引起鉆孔灌注樁施工時坍孔。而如果鉆孔灌注樁施工在先，PHC樁隨后施工則會在振動和擠土效應情況下，造成尚未完全硬化的混凝土受到損傷，形成斷樁。

根據以上原則確定了樁基施工流程為PHC樁先帶狀施工（即施工流程1），然后外側PHC樁逐漸向外施工（即施工流程2），待PHC樁距離鉆孔灌注樁距離超過1.5 倍PHC樁長度后鉆孔灌注樁開始施工（即施工流程3）。施工流程如圖2所示。

5 樁基施工監測

5.1 測點布置

為確保隧道結構安全以及掌握樁基施工對地鐵，以及PHC樁與鉆孔灌注樁施工之間的影響，本工程施工過程前在隧道結構以及鉆孔灌注樁與隧道結構之間、鉆孔灌注樁與PHC樁之間布置測點，對隧道結構的位移以及孔隙水壓力、土壓力等進行監測。

圖2 樁基施工流程示意

（a）隧道結構測點包括位移測點和隧道收斂測點，在施工影響區范圍內沿隧道縱向每隔20 m布置1 個位移監測點，在隧道區間內每隔20 m另布置1 個收斂測點，布置如圖3所示。

圖3 位移與隧道收斂測點布置

（b）土壓力測點與孔隙水壓力測點沿施工影響范圍內地鐵布置4 排，分別為隧道北側6 m、50 m處以及隧道南側6 m與50 m處，土壓力測點與孔隙水壓力測點相距1 m，沿縱向每隔20 m布置一處。測點布置如圖4所示。

圖4 土壓力、孔隙水壓力測點布置示意

5.2 地鐵結構位移、變形監測結果

地鐵結構位移監測每周測量2 次分別為周一晚上和周四晚上，隧道區間收斂監測每10 d測量1 次。靠近地鐵側PHC樁自10月初開始大量施工，本文選取10月25日至11月16日期間隧道豎向位移監測與隧道收斂監測數值進行分析。至11月初靠近隧道側PHC樁施工至測點S101（SL19）位置，兩端鉆孔灌注樁10月下旬開始施工。

監測結果表明，PHC樁施工引起隧道結構上浮，如S101左右位置均表現出上浮，上浮最大值約為6 mm，施工完成后趨于穩定并有逐步降低的趨勢，PHC樁施工完成后續鉆孔灌注樁施工引起隧道結構下沉，最大下沉值約為4 mm。隧道收斂測量結果顯示在S19位置附近出現最大收斂，收斂值約為4 mm，表明PHC樁施工的擠土效應造成隧道周邊土壓力增大引起隧道變形。而S45位置由于鉆孔灌注樁施工造成孔隙水壓力與土壓力的釋放，隧道結構表現出直徑增大的趨勢，增大值約為1.5 mm。

5.3 土壓力、孔隙水壓力監測結果

土壓力與孔隙水壓力監測頻率為1次/d，本文以TY17與SY17測點為例進行分析，10月22日測點附近10 m位置有PHC施工，其余時間段PHC施工距離該測點均大于50 m。

監測結果表明距離PHC樁施工50 m位置處土壓力與水壓力均未出現大幅提高，距離PHC樁施工10 m左右位置處土壓力與水壓力明顯增大，土壓力與水壓力均表現為地面附近增加較小，地下19～44 m飽和不透水層處增加幅度較大，增大幅度在100%左右。因此可判定PHC樁施工對淺層結構影響不大，但對飽和不透水層處結構影響較大。

6 結語

樁基施工過程中地鐵結構未出現超過軌交運營部門規定的限值，軌交安全運營未受影響，同時在鉆孔灌注樁施工過程中也未出現因PHC樁施工造成的坍孔，鉆孔灌注樁經檢測全部達到Ⅱ級以上。先進行的隧道兩側PHC樁施工，有助于將后續PHC樁施工振動與擠土效應隔離，對隧道起到一定的保護作用。隧道兩側PHC樁施工速度不應太快，應較正常施工速度低，待離開隧道結構2 倍樁長時（且不應小于60 m）可適當加快至正常施工速度。PHC樁施工與鉆孔灌注樁距離1.5 倍PHC樁長是可行的，但在鉆孔灌注樁澆筑完混凝土24 h內不宜進行PHC樁施工。施工中發現：PHC樁施工對飽和不透水層的土壓力和孔隙水壓力影響較大，對淺層地表影響較小，可為類似工程提供借鑒。