鉆孔灌注樁施工對鄰近運營隧道變形影響研究

周志良 仇 歡 黃曉東 杜 平 楊 平 呂偉華

(1.南京林業大學土木工程學院，江蘇南京 210037；2.南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇南京 210037)

0 引言

隨著大規模城市地下工程建設，不可避免出現建筑物樁基與地下隧道相交問題。緊鄰地鐵隧道樁基施工會引起周圍土體擾動，繼而對鄰近隧道產生附加變形，使其發生環縫錯臺、管片破損、滲透漏水等危害，影響地鐵長期正常運營[1]。同時地鐵正常運行對變形有嚴格的要求：隧道結構最終絕對位移不能超過20 mm，變形曲率半徑不小于1/15000，相對彎曲不大于1/2500[2-3]。因此，施工時應嚴格控制各工況引起的地層位移和隧道結構變形。

目前，新建隧道對既有樁基影響的研究成果較為豐富[4-8]，而有關樁基施工對隧道影響的研究也取得了一定進展。呂寶偉[9]、馮龍飛等[10]采用數值模擬方法分析了橋梁樁基施工對隧道結構的內力及位移影響；張 超等[11]對鋼套管施工過程進行模擬，發現鋼套管旋入隧道軸線以下時會使隧道產生上浮、偏移；Schroeder等[12-13]結合有限元模擬和現場實測，研究得出樁基施工和加載階段會對隧道產生較大影響；安建永等[14]采用模型試驗及數值模擬方法，分析了不同位置(水平、豎向)樁基施工對近鄰隧道應力重分布及地表沉降的影響；Yao等[15]采用離心機試驗研究了樁基數量與樁徑比值對鄰近隧道變形的影響，得出樁基數量能夠導致位移加大，比值可以改變襯砌位移的方向。

上述研究大多采用數值模擬和模型試驗方法，鮮有施工全過程的現場實測研究，特別是針對鉆孔灌注樁施工全過程各工況條件的實測分析，因此有必要針對該問題進行實測研究，以驗證或拓展現有理論研究成果。本文結合緊鄰運營地鐵S8線的南京龍津橋改建工程，就不同工況下0#墩樁基和1#人行天橋梯道樁對周邊地層與既有隧道的影響展開現場實測，研究施工全過程各個工況條件下地層水平位移和沉降及隧道垂直位移與水平位移變化規律，可為今后在軌道交通區間隧道周邊進行樁基施工和保護隧道結構提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 工程概況

以南京龍津橋改建項目為背景進行分析。工程基本情況為：新建橋梁北側橋臺0#墩距地鐵S8線左線結構邊線最小凈距離為5.60 m，1#人行樓梯樁基距離地鐵外邊線最小凈距離為5.40 m及6.14 m(見圖1)。

圖1 樁基及隧道變形測點布置示意圖(單位：m)

地鐵S8線隧道內徑為5.5 m，外徑為6.2 m，軸線埋深為19.4 m，管片環寬1.2 m、厚度0.35 m。場地地基土從上至下依次為①1雜填土、①2雜填土、②淤泥質黏土、③1粉質黏土、③2粉質黏土、③3黏土、④中粗砂、⑤卵石、⑥1強風化砂巖和⑥2中等風化砂巖，具體物理力學參數見表1。施工樁型采用鉆孔灌注樁，其中0#墩、1#墩和2#墩共計26根樁，樁長45 m，樁徑1.2 m；1#人行樓梯墩共計3根樁，樁長25 m，樁徑0.8 m。0#墩和1#人行天橋樁基施工選擇全套管鉆機，鋼套筒護壁成孔工藝，1#墩和2#墩樁基選用反循環鉆機?？傮w施工順序為優先施工靠近地鐵的外排樁基，包括0#墩5#和10#樁，1#墩4#和8#樁以及2#墩4#和8#樁等，采用全套管旋壓跟進，邊跟進邊取土，且鋼套管不再拔出的施工方法。平行于隧道軸向橋墩外排樁基在施工時采取“間跳施工”，不得同時施工位于地鐵兩側的橋梁樁基，以減少施工過程中對土體的擾動。

表1 各地層物理力學參數表

1.2 現場實測方案

為確保施工期間南京地鐵S8線安全運營，在距隧道最近的龍津橋0#墩10#樁和1#人行天橋梯道樁基施工前后，持續進行如下實測：周邊深層土體水平位移、地表沉降、地層分層沉降、既有地鐵隧道變形，并根據實測分析樁基施工對南京地鐵S8線運營隧道的影響。

1.2.1 測點布置

(1)地層水平位移和沉降測點布置

在0#墩10#樁和1#梯道樁與左線隧道結構之間各布置1個測斜兼分層沉降孔，編號分別為 CX-1和 CX-2。CX-1測斜點孔深度為45 m，CX-2測斜點孔深度為35 m，均從埋深5 m處開始，每隔5 m布設一個分層沉降環，直至孔底，具體測點布置見圖2。

圖2 測點布置示意圖(單位：m)

(2)隧道變形測點布置

沿隧道軸線方向布置8個管片斷面進行隧道變形實測，包括隧道垂直位移、水平位移。以正對10#樁的隧道斷面Z27為起點，左側沿線布設2個隧道斷面Z25、Z26，右側沿線布設5個隧道斷面Z28—Z32。Z25—Z32斷面相鄰斷面間距均為12 m，每個斷面于隧道管片兩側壁上各布設1個測點(見圖1)。

1.2.2 實測方案

(1)監測儀器

①深層水平位移采用測斜管+JTM-U6000E系列活動式水平測斜儀，精度0.01°；②分層沉降采用沉降磁環+JTM-8000型鋼尺沉降儀，精度1 mm；③地表沉降采用地表沉降版+精密水準儀，精度0.2 mm；④隧道結構變形采用徠卡全站儀TS30，精度為(1+2 ppm×D)mm。

(2)實測方案

①待0#橋墩10#橋樁與1#人行天橋橋樁開始施工前5 d進行預埋孔及測點埋設作業，并做好測點保護；②隨后每隔1 d實測1次，待數據穩定，開始鉆孔灌注樁施工，鉆孔灌注樁鉆進時按時間間隔1 h或鉆孔深度每3 m記錄數據；③鉆孔灌注樁作業期間，同時觀測地鐵隧道機車過境車次，觀測時如遇列車經過測試元件反應異常明顯等情況需作好記錄，同時監控樁基鉆孔過程中有無塌孔等異常出現，并作好記錄；④在鉆孔灌注樁施作時如遇工序環節變換，須做好測試記錄，成樁完成后按30 min、1 h、2 h、4 h、24 h時間間隔實測，以后每天實測一次；⑤在0#橋墩處，待10#橋樁施工完成后，進行9#、8#……橋樁施工時，按照上述實測流程實施，至所有墩臺下的橋樁施工完成；⑥在1#人行天橋處，待人行天橋最鄰近隧道1#橋樁施工實測完成后，再進行2#、3#天橋樁施工時，仍按照上述實測流程實施，直至所有人行天橋橋樁施工完成。

2 實測結果與分析

2.1 深層土體水平位移分析

圖3為CX-1測斜點和CX-2測斜點周邊深層土體水平位移隨時間的變化曲線。從中可見：成孔階段，CX-1、CX-2測斜點均出現了明顯的深層水平位移，說明0#墩10#樁和梯道樁成孔期間對樁周土體造成了較大的擾動，而后位移增量隨工序推進不斷減小直至施工結束，變形基本穩定；混凝土硬化后，距0#墩10#樁2.8 m的測斜點深層水平位移達到4.5 mm，最終深層水平位最大值為4.9 mm，樁基施工期間樁周土體穩定；CX-2測斜點深度30 m處位移變化量很小，且與深度15 m處的位移差較CX-1測斜點大，這是由于10#樁埋深更深，對地層的影響范圍更大；CX-1測斜點位移值略高于CX-2測斜點值，說明施工的樁徑越大，樁長越長，對地層變形影響越大。

圖3 深層水平位移-時間曲線

CX-1測斜點和CX-2測斜點各工況下深層水平位移沿深度變化曲線如圖4所示，可以看出，最大位移發生在地表孔口處，且越接近地表位移變化越大，這反映了樁基施工對淺層干擾較大，隨深度增加，干擾逐漸減弱這一特點。兩測孔各階段位移曲線規律相似，差異主要體現在，CX-2測斜點位移變化量是隨深度從下往上平穩增加，而CX-1測斜點位移有一定突變量，主要發生在孔深 13～15 m與29～32 m處，這是由于該處地質條件相對較差，地層為③1粉質黏土、③2粉質黏土，樁基施工使土層應力重分布，因此引起的水平位移也會有所不同。

圖4 各工況下深層水平位移沿深度變化

2.2 地層沉降變形分析

圖5、圖6分別為CX-1測斜點不同工況分層沉降隨深度和時間變化曲線。由圖5可見，CX-1測斜點最大分層沉降為9.1 mm，發生在地表處。各工況分層沉降均隨深度增加而減小，深度越深，沉降變化量越小。這與隧道開挖引起的分層沉降相反，淺埋暗挖隧道時，拱頂正上方地層滿足應力松弛規律,分層沉降量從地表到拱頂逐漸變大；隧道邊墻以外地層，其分層沉降量沿深度呈現先快后慢減小趨勢，且拱頂以下部分的沉降量相對較小[16]。

圖5 CX-1測斜點分層沉降沿深度變化

圖6表明：成孔和澆筑混凝土階段沉降量較大，而混凝土凝固過程沉降相對較小。深度越淺，沉降量越大，深度超過35 m后，沉降變形不足1 mm，說明打樁超過隧道位置以下一定深度后，對地層的擾動很微小。

圖6 CX-1測斜點分層沉降隨時間變化

由于深度40 m以下為堅硬地層，測孔發生偏斜，加之后續施工不當導致測孔局部破壞等原因，深度40 m以下未測得數據。

2.3 隧道變形分析

0#墩10#樁施工期間引起的隧道垂直位移隨時間和隧道軸線方向的變化規律分別如圖7(a)、圖7(b)所示。從圖7(a)可見，成孔時，隧道出現快速下沉，位移量很大，這說明10#樁的施工對樁周土造成了較大擾動。隨著樁基施工工序推進，隧道垂直位移不斷增大。成孔階段引起的隧道垂直位移最大，其次是澆混凝土階段，而混凝土硬化后趨于穩定。圖7(b)表明，隧道最大垂直位移發生在正對10#樁的Z27斷面處，最大值為2.2 mm。隨著隧道與0#墩10#樁中軸線的距離增大，隧道垂直位移減小。

圖7 隧道垂直位移變化曲線

0#墩10#樁施工期間引起的隧道水平位移隨時間和隧道軸線方向的變化規律分別如圖8(a)、圖8(b)所示。圖8(a)表明：同垂直位移變化規律一樣，隧道水平位移隨樁基工序推進呈現先快后慢增長趨勢，成孔階段引起的隧道水平位移最大，其次是澆混凝土階段，而混凝土硬化后趨于穩定。分析圖8(b)可發現，隧道最大水平位移發生在正對10#樁的Z27斷面處，最大值為2.2 mm，其他斷面隨著與樁中軸線距離增大，水平位移逐漸減小，但反映的規律與Z27斷面相同。這是由于距離越大，施工對隧道的影響越小。

綜合分析圖7、圖8可知，樁基施工期間，隧道垂直位移與水平位移變化規律表現出一致性。盾構隧道離施工樁位中軸線越遠，其產生的沉降和水平位移越小，且兩者與距離并非呈現線性關系，這是由于受到場地荷載、地鐵運營等因素的影響。

圖8 隧道水平位移變化曲線

2.4 討論

CX-1、CX-2測斜點各工況不同深度的地層最大水平位移如圖9所示。對比10#樁和梯道樁各階段引起的土體水平位移，前者各階段位移量更大，其原因是10#樁樁徑大，樁長更長，施工對地層擾動更明顯；而在深10 m處10#樁水平位移出現比梯道樁數值小的情況，是受到粉質黏土與淤泥粉質黏土互層的影響，局部地區存在土質分布不均勻；10#樁在深40 m處與梯道樁在深30 m處均出現水平位移陡降，且位移值相近，這是由于埋深接近樁底，樁的影響力減弱，位移變化量不大。

圖9 不同深度地層水平位移--工況曲線

隧道最大垂直位移和水平位移在隧道軸線方向的變化規律見圖10(a)，分析Z25—Z29斷面數據，可發現混凝土硬化后期，隧道最大垂直位移和最大水平位移相近，最大位移差發生于離樁最近的Z27斷面，且位移差隨隧道與0#墩10#樁中軸線距離增加而減小。

圖10 各監測項目位移最大值

各監測項目最大值隨工況變化曲線如圖10(b)所示，可看出各變形最大值隨施工工序推進逐漸增大，樁周土變化量最大，變化速率最快，其次是深層水平位移，隧道變形最小。成孔階段開挖土體使地層應力重分布，因此產生的變形最大；樁周土在澆混凝土階段的變形小于成孔階段，這是因為鋼套筒隔離筒內混凝土和筒外土，穩定孔壁，并有效減小混凝土自重對地層影響；地層沉降位移最大值始終高于水平位移值，說明樁基施工對樁周土體影響以沉降變形為主；各工況隧道最大垂直位移和水平位移值相近，說明隧道最大變形由垂直位移和水平位移共同主導。

從數據分析可以看出，樁基施工對樁周土及鄰近既有隧道產生了一定程度影響。成孔階段鋼套管的設置有效地抑制了周圍土體的擾動，可以確保既有隧道的安全營運。結合實測結果以及施工方案，為有效控制變形，提出如下建議與對策：成樁階段采用鋼套筒，合理的成樁工藝、間跳施工、有條件時考慮縮小樁徑等。

3 結論

(1)地層位移和隧道位移變化經歷“快速-緩慢-平穩”三階段，隧道軸向兩側垂直位移與水平位移均隨著隧道與施工樁中軸線距離增加而減小。樁周土變形以沉降為主，隧道最大變形由垂直位移與水平位移共同主導。

(2)近隧樁基施工對既有地鐵隧道的影響主要集中于成孔階段，鋼套筒的使用能有效減少樁基施工對既有隧道的影響。

(3)灌注混凝土階段引起的地層位移和隧道結構變形也較大，可同成孔階段一同作為鋼護筒設計的控制工況。

(4)混凝土硬化過程對既有隧道的影響并不大，既有隧道只會發生少量變形。

(5)由于鋼套管的護壁作用，地層位移及隧道變形均較小，說明該工程施工方案效果良好，建議可在類似工程中采用“鋼套管邊旋壓邊取土”、“群樁間跳施工”、“延遲拔出護筒”等工藝。

(6)對于近隧鉆孔灌注樁施工，為避免其對既有隧道造成不利影響，建議樁基礎應采用全套管灌注樁的施工方法。