軟流塑地層盾構穿越夾崗過街涵群樁處理關鍵技術

彭紅霞，王懷東，高姝妹

(1.南京地鐵集團有限公司，江蘇南京 210008;2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;3.西南交通大學地質(zhì)工程系，四川成都 610031)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城市建設越來越多地利用地下空間，而地下空間的開發(fā)則經(jīng)常面臨地下障礙物的處理問題。

上海軌道交通10號線溧陽路站—曲陽路站區(qū)間隧道下穿四平路沙涇港橋樁基工程［1］，由于地層軟弱，采用地基加固后擴大板式基礎托換的方法。南京地鐵三號線下穿高架橋工程［2］，盾構隧道與高架樁基沖突，由于地質(zhì)條件好、穿越樁基數(shù)量少，因此采用常規(guī)的樁基托換處理方法。周冠南等［3］對成都地鐵1號線盾構近距離穿越某建筑樁基托換工程進行了模擬分析，結果顯示托換達到理想效果。廣州地鐵五號線地下巖石強度高，并存在有少量地下障礙物(約40 m)，采用了礦山法開挖，然后在隧道內(nèi)回填砂漿后盾構掘進通過［4］。廣州大學城供熱供冷管道過江盾構隧道通過160 m長的礦山法隧道［5］、深圳地鐵2號線東角頭站—灣廈站盾構區(qū)間通過孤石群礦山法隧道［6］，考慮到地層穩(wěn)定、透水性差和地下水匱乏，但巖石強度大或存在地下障礙物盾構掘進困難等因素，均采用了礦山法清除高強度巖石或障礙物后，盾構再通過礦山法隧道的處理方法。

目前，在城市地下隧道的施工中遇樁基時多采用托換方法進行處理，對硬巖等地下障礙物多采用礦山法破除后盾構掘進處理，而盾構穿越軟流塑地層群樁基地下障礙物處理工程實例極少。本文以南京地鐵三號線大明區(qū)間下穿橋梁式夾崗過街涵工程為背景，針對富水軟流塑地層中的箱涵及其群樁基礎，提出了采用蓋挖施工矩形鋼筋混凝土箱涵托換原箱涵后，礦山法隧道內(nèi)截除樁基，然后礦山法隧道回填低強度材料、盾構掘進通過的綜合處理措施。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

南京地鐵三號線大明路站—明發(fā)廣場站區(qū)間隧道為左右線分離式單洞單線隧道，采用盾構法施工，盾構隧道外徑6 200 mm，選用海瑞克φ6 480 mm鉸接型土壓平衡盾構機。區(qū)間隧道穿越夾崗過街涵段地層主要為②－3b3－4軟至流塑狀粉質(zhì)黏土、②－2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層具有強度低、壓縮性高、靈敏度中等的特點;地下水主要為孔隙潛水，地層含水量豐富、滲透性弱。

區(qū)間穿越的寧溧路夾崗過街涵地段雨水管、自來水管、通信電纜、軍用光纜等地下管線分布較多，夾崗過街涵上方為市政高架，高架橋下方、盾構隧道上方的綠化帶內(nèi)有一組10 kV環(huán)控柜及變壓器，此地段交通繁忙、地下管線分布復雜，地下管線遷改難度大、費用高。

1.2 樁基概況

寧溧路夾崗過街涵按橋梁結構設計，利用支護樁作為新建涵洞(橋梁)擋土結構，橋梁基礎樁作為承力結構，道路路幅內(nèi)橋面為預制鋼筋混凝土行車道板，道路路幅以外按整體現(xiàn)澆頂板設計。其中道路路幅范圍內(nèi)基礎樁樁長30 m，直徑1 000 mm，樁距3.6 m;道路路幅范圍外基礎樁樁長23.5 m，直徑1 000 mm，樁距2.4 m;支護樁樁長 17 m，直徑1 000 mm，樁距 1.2 m，與基礎樁間隔設置。

1.3 盾構隧道與樁基關系

區(qū)間隧道與下穿夾崗過街涵樁平面圖和立面圖如圖1和圖2所示。受兩端車站埋深和行車縱坡影響，區(qū)間隧道最大埋深僅15.7 m，區(qū)間隧道平面范圍內(nèi)樁長為17 m、樁基41根，樁長為23.5 m、樁基16根，樁長為30 m、樁基11根均不同程度侵入隧道范圍，為確保盾構隧道的順利實施及運營階段安全，盾構隧道施工前需對群樁障礙物進行處理。

圖1 區(qū)間隧道下穿夾崗過街涵平面示意圖Fig.1 Sketch showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

圖2 區(qū)間隧道下穿夾崗過街涵樁立面圖Fig.2 Profile showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

2 群樁障礙物處理關鍵技術

常用的樁基處理方案有樁基拔除和樁基托換2種，結合本工程過街涵橋面為市政道路、樁基密集且數(shù)量較大的特點，對樁基方案進行比選，如表1所示。

1)方案1:拔樁、鋼筋混凝土框架結構箱涵恢復、盾構正常掘進方案。即對地面交通進行臨時導改、工程范圍內(nèi)管線臨時遷移，在地表將侵入隧道范圍內(nèi)樁基進行拔除、破除現(xiàn)有箱涵結構，對箱涵底進行旋噴加固作為持力層，然后采用鋼筋混凝土框架結構恢復箱涵。

2)方案2:拔樁、樁基托換、恢復蓋梁箱涵、盾構正常掘進方案。即對地面交通進行臨時導改、工程范圍內(nèi)管線臨時遷移，在地表將侵入隧道范圍內(nèi)樁基進行拔除、隧道兩側新增托換樁基、隧道范圍新增托換梁，按現(xiàn)狀標準恢復蓋梁箱涵。

3)方案3:礦山法隧道托換、盾構過站方案。即利用礦山法隧道截除侵入隧道范圍內(nèi)的樁基，利用礦山法隧道二次襯砌作為托換體系與樁基相連接，盾構隧道在礦山法隧道內(nèi)到達后過站、始發(fā)。

4)方案4:鋼筋混凝土框架結構箱涵托換、礦山法隧道內(nèi)截樁、隧道回填后盾構掘進方案。即利用蓋梁和圍護樁作為支撐體系，分段鑿除現(xiàn)狀箱涵結構，利用旋噴樁進行地基處理，采用蓋挖法施作鋼筋混凝土框架結構作為蓋梁托換體系，然后利用礦山法隧道截除侵入隧道范圍內(nèi)的樁基，最后對隧道進行回填處理、盾構在回填體內(nèi)掘進的方案。

表1 樁基處理方案比較表Table 1 Comparison and contrast among different pile foundation treatment plans

工程所處的寧溧路為江寧通往主城的主干道，在南京地鐵三號線確保2014年青奧會前通車的緊張工期前提下，為減小對地面交通的影響，避免周期長、費用高、協(xié)調(diào)難度大的管線遷改工作，本工程采用礦山法進行樁基處理。其中方案3在礦山法隧道內(nèi)直接進行樁基截除，施工期間夾崗過街涵的沉降控制難度大，樁基利用隧道二次襯砌作為托換體系，結構受樁基傳遞的地表振動影響較大，且盾構需在礦山法隧道內(nèi)實現(xiàn)接收、過站、始發(fā)，施工工序多，實施風險高，因此方案3不適合本工程;方案4先行對夾崗過街涵進行托換處理，利用加固后的地基作為托換箱涵基礎，礦山法施工期間箱涵沉降易實現(xiàn)控制(如圖3所示)。隧道回填后盾構掘進避免了盾構在礦山法隧道內(nèi)的接收、過站、始發(fā)工序，施工風險降低。

綜上分析，盾構穿越夾崗過街涵群樁采用方案4(鋼筋混凝土框架結構箱涵托換、礦山法隧道內(nèi)截除樁基、隧道回填后盾構掘進方案)最具優(yōu)勢。

3 軟流塑地層礦山法隧道施工關鍵技術

軟流塑地層實施礦山法隧道施工在南京地鐵一號線鼓玄區(qū)間［7］、二號線上新區(qū)間［8］得到了實踐，劈裂注漿加固地層后采用大管棚超前支護，利用CRD工法或雙側壁導坑法開挖地層。本工程需3次下穿夾崗過街涵，并在隧道內(nèi)完成過街涵樁基的截除工作。結合本工程的特點，為確保礦山法隧道的實施并控制地表沉降，需解決群樁地段軟流塑地層礦山法隧道施工關鍵技術和確保樁基穩(wěn)定關鍵技術。

圖3 過街箱涵托換立面圖(單位:mm)Fig.3 Profile showing underpinning of street-crossing box culvert(mm)

3.1 礦山法隧道施工關鍵技術

該工程所處地層為軟流塑地層，在軟流塑地層進行礦山法隧道的施工需進行有效的地層預加固，采用合理的超前支護方案及選用適宜的施工工法。

1)本工程借鑒南京地區(qū)類似地層礦山法施工經(jīng)驗，采用全斷面劈裂注漿加固地層技術。劈裂注漿采用HSC超細水泥－水玻璃雙液漿［9］，劈裂注漿加固技術參數(shù)如表2所示。

表2 全斷面劈裂注漿加固參數(shù)表Table 2 Parameters for full-face splitting grouting

2)礦山法隧道超前支護有超前大管棚、超前中管棚和超前小導管3種形式。超前大管棚一次打設長度較長，支護體系剛度較大;超前小導管一次打設長度3～3.5 m，支護體系剛度較小，需頻繁的循環(huán)打設以確保支護效果;超前中管棚一次打設長度和支護剛度略次于大管棚。

由于本工程樁基在區(qū)間隧道分布不規(guī)則，管棚成孔穿越樁基時難度較大，且遇圓形樁基易偏位，因此本工程不適合采用超前管棚支護。為提高超前支護剛度，防止拱頂坍塌，采用雙排小導管超前支護形式更具優(yōu)勢。

導洞法分CD法和CRD法，2種工法均是將隧道分4～6部進行開挖，但CRD工法設置臨時仰拱，開挖期間對圍巖的變形約束能力大于CD工法。

結合工程地質(zhì)和周邊環(huán)境，為確保施工安全和控制地層沉降變形，采用4部開挖設置臨時支撐和臨時仰拱的CRD工法開挖隧道具有明顯優(yōu)勢。4部開挖及支護導坑如圖4所示。

圖4 隧道支護及開挖導坑示意圖Fig.4 Tunnel support and tunnel excavation sequence

3.2 確保樁基穩(wěn)定關鍵技術

樁基截除在礦山法隧道支護前后2個階段需考慮其穩(wěn)定。第1階段為樁基截除、礦山法隧道支護前階段，樁基處于臨空狀態(tài);第2階段為樁基支撐與礦山法隧道邊墻和拱頂交接的斜向部位，樁基位于非均勻基礎，處于斜向偏移狀態(tài)。

由于樁基頂部為機動車路面板，為防止樁基截除后樁基掉落和使用期間樁基側滑，采用如下幾項措施確保樁基穩(wěn)定。

1)樁基不得一次破除完成，采取邊破除邊架設鋼格柵支護樁基的措施，樁基破除一半、架設鋼格柵后再破除剩余部分，鋼格柵采用縱向連接筋形成整體，確保樁基安全;

2)樁底格柵鋼架密排布置，提高隧道支護承載能力;

3)隧道采用CRD法開挖，在鋼格柵未封閉成環(huán)前，先在樁基礎下方增設豎向臨時型鋼支撐約束鋼架變形，確保樁基穩(wěn)定;

4)樁基鋼筋伸入鋼格柵內(nèi)與格柵鋼架幫條焊，防止樁基基礎側滑。樁基臨時支撐示意圖如圖5所示。

圖5 樁基臨時支撐示意圖Fig.5 Temporary support of pile foundation

4 盾構過礦山法隧道關鍵技術

盾構通過礦山法隧道需解決盾構到達礦山法、盾構通過礦山法和盾構在礦山法隧道內(nèi)始發(fā)3個技術問題。目前盾構過礦山法隧道主要用于隧道穿越高強度巖層、溶洞、障礙物工程實例中，該類工程地層穩(wěn)定性好、地下水相對匱乏，能夠在不需端頭加固或僅需注漿加固的條件下在礦山法隧道內(nèi)安全到達、始發(fā)，盾構通過礦山法隧道采用空推+拼裝管片方式進行，管片背后多充填碎石，注漿填充［10］。

南京地鐵三號線盾構穿越夾崗過街涵工程穿越地層主要為軟流塑地層，地下管線較多，地表實施盾構端頭加固較為困難;同時盾構在礦山法隧道內(nèi)到達和始發(fā)，到達和始發(fā)端礦山法隧道每側需加寬處理，加寬后斷面寬度達11 m，無疑增加了軟流塑地層礦山法隧道的施工難度和工程造價。綜合周邊環(huán)境、工期、工程風險和造價等多方面考慮，采用盾構在回填后的礦山法隧道內(nèi)掘進通過方案。礦山法隧道斷面需滿足盾構通過條件、礦山法隧道堵頭的拆除、回填材料的選取幾個關鍵技術。

1)礦山法隧道斷面除滿足地鐵建筑限界要求外，尚需保證盾構通過。A型車建筑限界寬度為5 180 mm，區(qū)間采用盾構最大開挖直徑6 480 mm，考慮到礦山法隧道的變形、施工誤差和盾構推進偏差等因數(shù)，礦山法隧道結構凈空擬在盾構最大開挖輪廓基礎上外放310 mm。外放后礦山法隧道結構內(nèi)凈空寬7 100 mm、高7 200 mm。

2)軟土盾構刀盤配置以刮刀和貝殼刀為主，其切削鋼筋混凝土堵頭墻能力較差，為確保盾構順利進出礦山法隧道，隧道回填前需安全拆除堵頭墻。安全拆除堵頭墻需保證端頭土體的穩(wěn)定，為此提出了如下幾項措施:①礦山法施工階段，對端頭地層采取全斷面劈裂注漿加固地層，提高地層的穩(wěn)定性和降低滲透性;②端頭堵頭自下而上分段拆除，邊拆除邊采用模袋砂漿進行回填。端頭加固及堵頭拆除示意圖如圖6所示。

圖6 端頭加固及堵頭拆除示意圖Fig.6 End reinforcement and plug removal

3)為確保盾構順利推進、掌子面的穩(wěn)定以及回填施工可操作性強，回填體需具備強度低、流動性好、密封性好的特點。由此確定可采用的回填體主要有低強度等級砂漿、盾構掘進時同步注漿采用的可硬性漿液、豆礫石和黏性土等。各回填材料比較如表3所示。

由于本區(qū)間以軟流塑地層為主，結合盾構的配置，擬選取造價低、施工便利的可硬性漿液作為回填材料。

表3 回填材料比較表Table 3 Comparison and contrast among different backfilling materials

為確保盾構安全穿越回填后的隧道，隧道需回填密實，因此，提出了洞內(nèi)機械回填和地表回灌相結合的措施。先采用小型翻斗車運輸回填材料分段回填隧道;對于隧道上部機械無法實施區(qū)域，利用隧道拱頂預埋的PVC泵送管和地表回灌孔進行二次回填。

5 施工監(jiān)測分析

根據(jù)設計方案，為確保施工安全，此工程針對礦山法隧道斷面拱頂沉降變形、箱涵沉降變形等進行了第三方獨立監(jiān)測，拱頂沉降和箱涵沉降設置在相同豎向平面內(nèi)，從西向東沿箱涵軸線方向共布置5個監(jiān)測斷面，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測項目累計變化量如圖7和圖8所示。

圖7 礦山法隧道拱頂沉降變化圖Fig.7 Crown settlement of mined tunnel

圖8 托換箱涵沉降變化圖Fig.8 Settlement of underpinned street-crossing box culvert

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工過程中的變化曲線，可以得出以下結論:

1)整個施工過程中，現(xiàn)狀道路正下方隧道拱頂沉降略高于其他位置，隧道拱頂變形累計量均不超過20 mm，滿足規(guī)范要求。說明在此類軟流塑地層中，采用礦山法進行隧道施工能夠控制地層變形，確保環(huán)境安全。

2)各監(jiān)測斷面的箱涵累計沉降值均不超過10 mm，表明箱涵采用矩形框架結構托換后適應地層變形能力強，能夠確保地面交通的正常通行。

6 結論與體會

目前，南京地鐵三號線大明路站—明發(fā)廣場站盾構區(qū)間已順利實現(xiàn)貫通，通過采取過街涵蓋挖順筑托換、軟流塑地層劈裂注漿加固后CRD法施工礦山法隧道、礦山法隧道內(nèi)樁基截除、礦山法隧道回填后盾構掘進等綜合技術措施，盾構順利通過夾崗過街涵群樁，開創(chuàng)了國內(nèi)在軟流塑地層采用礦山法隧道技術處理障礙物和盾構通過回填后的礦山法隧道2項先例。通過本工程的研究和實踐，有如下幾點體會。

1)在復雜環(huán)境和軟弱地質(zhì)條件下盾構隧道穿越地下障礙物，應綜合考慮周圍環(huán)境、水文地質(zhì)特征、施工條件及安全、經(jīng)濟等因素，選取安全、經(jīng)濟、可靠的綜合處理方法;

2)軟土地層礦山法隧道施工中掌子面穩(wěn)定性控制、地層沉降控制是工程重點也是難點，采用劈裂注漿加固地層后CRD工法4部開挖實施效果良好;

3)在礦山法隧道中對樁基的處理應盡量使樁基和隧道工程相互獨立，避免樁基直接作用于永久隧道工程;

4)礦山法隧道內(nèi)采用可硬性漿液進行回填，掘進阻力小，但盾構在凝固后的可硬性漿液中掘進時軸線偏差控制難度大，而采用低強度等級砂漿回填時易出現(xiàn)軟土盾構刀具磨損嚴重、推進速度慢的問題。希望在今后類似工程中進一步對回填材料進行研究和優(yōu)化調(diào)整。

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