軟土地區緊鄰淺埋地鐵時樁基施工過程安全監測研究

王武斌，白皓，李祖君，鐘彪，鄒國鋒

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031;2.四川高速公路建設開發總公司，四川成都610041; 3.四川交通職業技術學院，四川成都611130)

軟土地區緊鄰淺埋地鐵時樁基施工過程安全監測研究

王武斌1，白皓2，李祖君2，鐘彪3，鄒國鋒3

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031;2.四川高速公路建設開發總公司，四川成都610041; 3.四川交通職業技術學院，四川成都611130)

地鐵盾構管片對外圍土體的擾動高度敏感，因此選擇合理的樁基施工技術十分必要。本文考慮緊鄰淺埋地鐵隧道施工的高風險性，提出了全套管“靜壓+旋轉+切割”樁基成孔技術，較好地解決了樁基施工對地鐵盾構的動態擾動問題。監測表明，地鐵隧道各類變形中沉降變形影響最大，收斂變形次之，水平位移最小，但是變形值均小于安全限值。

深厚軟土地區 淺埋地鐵 全套管鉆孔樁技術 樁基施工 安全監測

近年來，隨著我國各種基礎設施建設的蓬勃發展，城市建設與交通線路相交或相鄰的現象越來越廣泛［1-2］。地鐵隧道與鄰近結構物樁基礎相互影響，施工工藝與技術［3-4］的選擇成為此類工程的難點。樁基的施工擾動和后續荷載會引起隧道周圍巖土體的應力應變場發生變化［5］，從而影響鄰近地鐵隧道的安全和運營，因此選擇合理的樁基類型及施工方法十分必要［6］。常用的超深度鋼護筒插打技術、反循環回旋轉泥漿護壁鉆孔技術等［7-8］對周圍土體的擾動極大，不適用于緊鄰地鐵隧道的樁基施工，尤其是沿海深厚軟土地區。

本文以滬杭客專路基樁板結構的樁基施工為背景，對軟土地區緊鄰地鐵樁基全套管全回轉工法［9］施工工序與方法進行了闡述，并結合現場測試數據進行了影響性評價，為此類工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

新建滬杭客專是我國在深厚軟土地區建設的高標準客運鐵路，其中某段與上海市地鐵9號線呈87°斜交，設計方根據現場地質地形情況提出運用樁板結構路基方案，斷面示意如圖1所示。樁板結構采用鉆孔灌注樁支撐［10］，樁徑0.8 m，樁長46 m，在相鄰兩個地鐵盾構中間鉆孔灌樁，樁側距盾構外側僅1.5 m，橫向布置4根，樁頂高出盾構頂5.278～6.066 m，樁底穿過既有盾構底部約33 m。樁頂設置托梁，高1.5 m，寬1.6 m，長度為9.64 m，托梁的縱向間距為10 m。在4個托梁上設置高度為1 m，寬度為4.4 m，長度為30 m的承臺板，由兩片板拼接起來，形成上跨地鐵9號線3個盾構的雙線路基。

圖1 線路縱向樁基施工斷面(單位:cm)

工程場地地層自上而下大體為人工填土層(2～3 m)、黏土(1～2 m)、淤泥質黏土(8～12 m)、粉質黏土(3～6 m)、粉土(11～15 m)、粉質黏土夾粉砂(超過5 m)等，且存在一定的交錯互層分布。場區地表水為溝渠水，水深約0.5～1.5 m，地下水為孔隙潛水，水位埋深約0.5～2.0 m，水量豐富。樁基為典型的摩擦型樁，根據工程樁的實際情況，必須采取切實可靠的措施和樁基施工技術，以保證施工和運營期間地鐵隧道的安全和功能完整。

2 緊鄰淺埋地鐵樁基施工技術難題

1)樁側距離盾構外邊僅1.5 m，施工放樣定位精度要求高，實際操作難度大。

2)盾構管片位移將可能對整體結構產生不可修復的破環，造成結構開裂、滲漏水等，嚴重時直接影響運營安全。

3)樁底注漿處理要求在壓漿過程中可能對地鐵隧道產生影響，操作精度較高。

4)前期平整場地時開挖或回填引起超淺埋地鐵上部荷載變化，能否克服其上浮或下沉的問題是難點。

3 緊鄰淺埋地鐵樁基施工工序與方法

1)場地平整與樁位確定

由于全回轉鉆機為大型設備，平整度和承載力要求較高，又正好坐落在地鐵隧道上方施工，為減少地層擾動，地面硬化標準采用C20素混凝土，厚度35 cm。利用地鐵使用的上海坐標系統和鐵路坐標系統對統一參照物進行實地測試與系統平差矯正，擬合鐵路中心線和隧道中心線，誤差≤20 mm;使用鐵路坐標系統測設樁基鉆孔樁中心點位。并利用地質雷達對各種管線和樁位進行復核，探測出的隧道盾構輪廓和深度基本和設計施工圖吻合，誤差≤50 mm。另外，施工過程中采用三級測量復核制進行監控。

2)套管鉆進與樁孔施工

樁孔施工采用全套管全回轉工法。設備為自行式RT-200型液壓全回轉鉆機，其原理是鉆機靠液壓驅動配套的全套管，利用護筒前端的合金刀頭旋轉、下壓切割障礙物，即使遇到障礙物(如人工回填砌塊等)也可以旋轉切割、液壓靜態下沉。鉆機從地面至地鐵盾構底下5 m，施工速度控制在1.5～1.8 m/h，向下至樁底鉆進速度2.0～2.5 m/h。配合專業的沖抓鉆頭，在套管內可以輕松應對高強度巖石和鋼筋混凝土等物體。然后，利用GPS-15鉆機在套管內鉆進成孔，針對不同地層選用不同鉆進壓力、鉆進速度及泥漿稠度。

3)布筋、澆注與樁底注漿加固

樁孔施工完成后將提前制作好的鋼筋籠吊裝安放到樁孔中，然后澆注水下混凝土。為了提高樁基承載力和減少結構沉降，對鉆孔樁樁底進行高壓注漿加固。樁底高壓注漿時密切關注地鐵隧道內是否有滲漏漿液的情況，防止高壓注漿對盾構外壁構成的附加荷載≥20 kPa，并及時記錄壓漿的起始時間、注入的漿量、注漿的壓力，并測定各階段樁的上浮量。

4 樁基施工期間隧道變形監測方案

地鐵隧道監測包括沉降監測、水平位移監測和收斂變形監測三類。測點布置圖如圖1與圖2所示。其中:CJ表示沉降觀測點，正值表示上浮;WY表示水平位移觀測點，正值表示向北側(上海方向)位移;SL表示收斂觀測點，環頂1個(環形上方)，中部2個(橫徑)，正值表示剖面長度伸長(即“↑”)。

圖2 測試斷面縱向分布(單位:m)

地鐵隧道分為上行線(S)、出入場線(T)、下行線(X)，每條地鐵隧道布置16個觀測斷面，監測長度為60 m，施工作業區段內測試間距為2 m，作業區段之外測試間距為5 m，如圖2所示。監測頻率為施工期間1次/1 d，施工后不小于1次/(5～7)d。監測結果主要用于地鐵隧道的安全性評價與樁基施工的影響性分析。

上海市地鐵9號線屬于運營地鐵，樁基施工過程中必須確保其安全。依據相關技術規定，其安全監測控制標準為:①累計水平位移、垂直沉降量＜20 mm，變形速率＜10 mm/d;②地鐵盾構結構收斂變形值＜20 mm;③地鐵變形曲線的曲率半徑＞15 000 m，變形速率＜10 mm/d，相對彎曲＞1/2 500;④建筑物豎向荷載及降水、注漿等因素引起的地鐵隧道外壁附加荷載＜20 kPa。

5 樁基施工過程影響性分析

5.1 地鐵隧道的豎向沉降

地鐵上方施工易引起下方土體發生加荷壓縮或卸荷回彈，從而導致地鐵盾構管片出現錯臺、破裂及造成平面、高程偏差及橢圓度的超標等問題。本工程前期進行了覆土清理與場地平整工作，后期進行了樁基施工與上部結構實施，這些均會導致隧道上部減載或加載。為盡量降低運營荷載的影響，本工點樁基設計時選用了超長樁基，并進行了跟蹤注漿，所以可忽略上部結構和運營荷載的影響。利用地鐵隧道沉降變形規律評價場地清理和樁基施工的影響性，隧道豎向沉降時程曲線與分布曲線如圖3和圖4所示。

圖3 隧道沉降變形時程曲線

圖4 隧道沉降變形分布曲線

沉降變形貫穿于整個施工過程中，施工準備和套管旋入施工階段呈現明顯的分階段上浮變形，主要是由地鐵上部減載和套管擠壓盾構下部土體引起的。樁體施工期間由于樁體自身荷載的豎向作用，變形曲線呈現緩慢下沉的變形規律。樁基施工期間隧道總體上表現出明顯的上浮模式，說明場地平整卸載引起的上浮量超過樁體施工引起的下沉量。沉降及其變形速率極大值出現于施工作業區段中部，最大值分別為10.66 mm(↑)和3.2 mm/d，小于規范規定的安全標準，安全系數約為1.88。

縱向變形的曲率半徑變化反映隧道縱向性能的重要特征。利用三次樣條插值分段擬合三次函數y= Ax3+Bx2+Cx+D。其中:y為沉降變形或水平位移，x為縱向里程。某點的曲率半徑R為1/k。其中:k為某點的曲率，曲率k=|y″|/(1+y'2)1.5，式中y'，y″為三次函數的一、二階導數［11］。經計算分析可知，隧道中曲率半徑極小值出現于施工作業范圍，最小值為45 488 m，遠大于15 000 m的規范要求。綜上可認為地鐵隧道在樁基施工過程中豎向線型保持良好。

5.2 地鐵隧道的水平位移

在緊鄰地鐵隧道進行樁孔開挖與混凝土澆注過程中，隧道兩側會出現不均衡力作用，導致其水平位置出現變化，發生樁基施工橫向擾動問題。利用地鐵隧道水平位移變化情況評價施工工序的影響性。隧道水平位移時程曲線如圖5所示。

圖5 隧道水平位移時程曲線

由圖5可知，水平位移均發生于套管施工階段，主要是由套管下壓產生的擠壓作用引起的。從變形絕對值來看，全套管全回轉工法能夠有效降低樁孔施工風險，而且使用套管成功避免了后期樁體施工的橫向擠壓影響。

水平位移分布曲線呈波浪形，無十分明顯的函數規律。位移及變形速率波峰出現于施工作業范圍內，最大值分別為6.2 mm和2.6 mm/d，小于規范規定的安全標準，安全系數約為3.2，說明全套管全回轉工法進行樁孔施工成功避免了隧道兩側施工期間出現過大壓力差的現象。另外，樁位精準定位、降低鉆進速度、套管免拔等技術措施也是十分必要的。因此，地鐵隧道在樁基施工過程中平面線型保持良好。

5.3 地鐵隧道的收斂變形

緊鄰隧道進行施工將使地鐵隧道的圍巖壓力發生變化，從而導致隧道橫斷面尺寸發生改變，收斂變形過大時將導致盾構受力過大，以致出現管片連接處開裂滲水等病害，威脅地鐵隧道的運營安全。因此，通過監測盾構環形上方與橫徑方向上的收斂變形，以評估施工對地鐵隧道內力的影響性。隧道收斂變形時程曲線與分布曲線如圖6和圖7所示。

圖6 隧道收斂變形時程曲線

圖7 隧道收斂變形分布曲線

地鐵隧道收斂變形基本上發生于施工準備后期與套管施工階段，兩個階段分別出現了一次“先增大再減小”的變形過程，總體上呈“先向內再向外”的變化規律，而且變化劇烈，說明場地平整及套管施工作業使盾構圍巖壓力變化較大。

地鐵隧道收斂變形及其速率的極值均出現于施工作業范圍內，以向內的收斂變形為主，橫徑和環形上方收斂變形及其速率的極大值分別為10.3 mm，11.5 mm/d和11.9 mm，9.2 mm/d，可見變形極值小于規范規定的安全標準，安全系數平均為1.8。但是，變形速率已接近或少量超過安全標準，尤其是向內的收斂變形速率，因此類似工程中應注意嚴格控制作業速度。

綜上可知，地鐵隧道的變形測試結果表明，客運專線路基樁板結構樁基施工期間9號地鐵線隧道變形極值小于規范要求，結構基本處于安全狀態。

6 結束語

客運專線緊鄰淺埋地鐵樁基工程現早已順利竣工，樁基施工期間地鐵隧道結構及周圍環境沒有出現安全隱患，取得了良好的施工業績，獲得了上海軌道交通運營管理中心的高度評價。

現總結起來主要有以下幾點體會:

1)先利用全回轉鉆機施工鋼套管，再通過泥漿循環的方式鉆取鋼套管內的土體。過程監控結果表明，這種施工方案安全可靠，對隧道擾動較小。

2)從地鐵隧道各類變形的發展與極值情況來看，樁基施工過程對沉降變形影響最大，收斂變形次之，水平位移最小。

3)全回轉工法利用護筒前端的合金刀頭旋轉、液壓靜態下壓切割障礙物，施工過程對土體產生擠壓作用，隨著旋進長度的增大，旋進阻力和擠壓效應也逐漸增大。建議采用旋進與取土交替進行的方式。

4)樁基施工引起隧道線型發生變化，豎向沉降以上浮為主，呈凸起狀，最大值為10.66 mm;水平位移分布曲線呈波浪形，無十分明顯的函數規律，最大值為6.2 mm，小于控制標準。

5)隧道收斂變形基本上發生于施工準備后期與套管施工階段，兩個階段分別出現了一次“先增大再減小”的變形過程，總體上呈“先向內再向外”的變化規律。橫徑和環形上方收斂變形的極大值分別為10.3 mm和11.9 mm，小于控制標準。

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Study on safety monitoring in construction of pile foundation at soft soil area adjacent to shallow buried metro

WANG Wubin1，BAI Hao2，LI Zujun2，ZHONG Biao3，ZOU Guofeng3
(1.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China; 2.Sichuan Expressway Construction＆Development Corporation，Chengdu Sichuan 610041，China; 3.Sichuan Vocational and Technical College of Communications，Chengdu Sichuan 611130，China)

M etro shield segments are highly sensitive to peripheral soil disturbance.T herefore，appropriate pile foundation construction technique should be necessarily adopted.Given the high risk of tunnel construction adjacent to shallow buried metro，a casing tube pile foundation hole formation technique of“static press+rotation+cutting”was proposed，which can solve the dynamic disturbance of metro shield caused by pile foundation construction.T he monitoring results showed that settlement deformation has the greatest influence on metro tunnels，convergence deformation takes second place and displacement has the smallest effect in all kinds of deformations，the deformation values of which are less than the safety limit.

Deepsoft soil area;Shallowburiedmetro;Casingtube boredpile technique;Pile foundation construction;Safety monitoring

U213.1+52

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.24

1003-1995(2015)05-0093-05

(責任審編孟慶伶)

2014-08-31;

2015-03-02

中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(2682014BR048)

王武斌(1983—)，男，陜西富平人，講師，碩士。