軟土地區(qū)樁基施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的位移控制

張 戈

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

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軟土地區(qū)樁基施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的位移控制

張 戈

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

基于杭州某緊鄰隧道的兩期橋樁試樁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響及其位移控制對(duì)策。對(duì)于深厚淤泥質(zhì)軟土地層，鉆孔灌注樁施工對(duì)周邊土體影響范圍較大。鉆孔灌注樁施工時(shí)，設(shè)置鋼套筒是控制臨近地鐵隧道變形的有效措施，但鋼套筒拔除后，其對(duì)隧道的“工后”影響較大。對(duì)于該類地層，距離隧道10.0 m以內(nèi)的鉆孔灌注樁施工宜保留鋼套筒。結(jié)果表明，采取優(yōu)化鋼套筒的壁厚與長(zhǎng)度及下壓速度、控制樁基施工時(shí)間、合理組織群樁施工順序、設(shè)置泄壓孔等，均為控制緊鄰隧道變形的有效措施。 關(guān)鍵詞 城市軌道交通；軟土地區(qū)；鉆孔灌注樁；緊鄰地鐵隧道；位移控制

隨著城市立體交通網(wǎng)絡(luò)的逐步建設(shè)，在臨近運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間隧道施建人行天橋、市政橋梁的工程項(xiàng)目越來(lái)越多。在軟土地區(qū)，緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的大直徑鉆孔灌注樁施工，由于對(duì)其周邊土體的擾動(dòng)，易造成隧道沉降及水平位移[1-5]。如不采取合理有效的工程措施，該變形發(fā)展到一定程度時(shí)將嚴(yán)重影響地鐵隧道運(yùn)營(yíng)，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

筆者以杭州地鐵某段運(yùn)營(yíng)區(qū)間隧道側(cè)的一高架橋梁試樁工程為例，分析探討軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁基施工對(duì)緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響，并提出運(yùn)營(yíng)隧道位移控制對(duì)策。

1 工程概況

杭州某道路提升改造工程，原計(jì)劃沿既有道路新建高架快速路，該高架橋梁局部與杭州地鐵某段運(yùn)營(yíng)區(qū)間隧道在平面上大致重合，從而導(dǎo)致大量的高架橋樁需設(shè)置在該段區(qū)間的臨側(cè)。

原工程設(shè)計(jì)方案中高架橋樁均為鉆孔灌注樁，樁基樁徑1.5 m，樁基進(jìn)入中風(fēng)化巖砂巖約4.5 m，樁長(zhǎng)超過(guò)60.0 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，原設(shè)計(jì)方案中距運(yùn)營(yíng)地鐵隧道最小凈距L<3.0 m的樁基有10根(最小凈距2.5 m)，3 m≤L<5 m的樁基有67根，5 m≤L<10 m的樁基有38根。

該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地土層從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫和砂巖等。場(chǎng)地內(nèi)存在大厚度的流塑狀、高壓縮性、高含水率的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(見表1中的②、③層土)。為保障運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的安全，在正式樁基施工前進(jìn)行兩次工程試樁，試樁樁基均臨近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道上行線，以檢驗(yàn)分析橋樁施工對(duì)緊鄰隧道的影響，并為下一步樁基施工的全面開展提供各項(xiàng)技術(shù)支撐。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖2 試樁平面及監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)平面布置

2 前期2次試樁結(jié)果分析

2.1 試樁期間隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

第1次試樁工程試樁數(shù)量為4根，其中有3根樁(1#、2#、4#號(hào)樁)對(duì)應(yīng)隧道同一斷面位置，第2次試樁根數(shù)為1根。二次試樁成樁過(guò)程均采用了鋼套筒，鋼套筒進(jìn)入圓礫層。試樁樁基與隧道位置關(guān)系見圖1。

圖1 試樁樁基與隧道位置關(guān)系剖面

第1次試樁期間，在試樁影響范圍的臨近隧道布設(shè)了9個(gè)靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)、9個(gè)整體水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、9個(gè)水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。第2次試樁類同圖2，但加大了監(jiān)測(cè)范圍，每條隧道共布設(shè)了22個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面。二次試樁的基本情況詳見表2、3。

表3說(shuō)明：①深層土體位移，設(shè)置在距離樁5.0 m位置；②隧道水平位移、深 層 土 體 位 移：“+值”為 靠 近樁基，“-值”為遠(yuǎn)離樁基；③沉降：“-值”為下沉，“+值”為隆起；④收斂：“-值”為收斂，“+值”為擴(kuò)張，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為樁基施工期間的隧道變形；⑤表中“套管拔除情況”一項(xiàng)中“未拔除”是指在施工過(guò)程中原計(jì)劃將套管拔除，但由于未控制好拔套管時(shí)機(jī)，鋼套管未能完全拔除，如2#、3#樁基。

表2 2次試樁樁基情況統(tǒng)計(jì)

注：表中的凈距L為樁基結(jié)構(gòu)邊線與上行線隧道結(jié)構(gòu)邊線的最小凈距。

表3 試樁施工期間隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，第1、2次試樁成樁期間對(duì)臨近隧道的影響均較小，隧道水平位移、沉降、收斂均小于5.0 mm。第2次試樁成樁期間的隧道位移值均小于第1次試樁。隧道豎向位移表現(xiàn)部分段為下沉，部分段隆起，水平向表現(xiàn)為隧道背向樁基發(fā)生位移。

2.2 成樁期間套管拔除隧道監(jiān)測(cè)情況

以1號(hào)樁為例闡述套管拔除時(shí)隧道豎向位移情況。鋼套筒拔除施工期間隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3、表4所示。由監(jiān)測(cè)圖表可知，成樁階段采用鋼套管可在很大程度減少成孔階段對(duì)隧道的影響。

圖3 上行線隧道施工時(shí)段豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

但后期在澆筑砼階段拔除套管時(shí)，由于澆筑砼對(duì)孔側(cè)壁的擠壓，導(dǎo)致臨近土體水壓變?yōu)槌紫端畨?，可在短時(shí)間內(nèi)引起隧道上浮、背離樁基的水平移動(dòng)?；炷翝仓瓿芍?，隨著土體超空隙水壓的消散，隧道有逐漸下沉的趨勢(shì)。

表4 鋼套筒拔除施工期間隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

注：以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為上行線隧道。

2.3 試樁完成后隧道工后沉降情況

為了觀測(cè)第1次試樁對(duì)隧道的“工后”影響，在第1根試樁完成后的6個(gè)月(2012年8月—2013年1月)，對(duì)該段區(qū)間進(jìn)行了多次運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，緊鄰試樁工程的運(yùn)營(yíng)隧道區(qū)間上、下行線均出現(xiàn)了一定程度的沉降，且沉降槽所對(duì)應(yīng)的里程恰為樁基施工影響區(qū)域。

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，一期試樁由于成樁時(shí)間長(zhǎng)、部分樁鋼套管拔除等因素，其施工過(guò)程中對(duì)隧道的影響較小，但工后影響較大。圖4中上、下行線均在一期試樁位置出現(xiàn)了明顯的沉降槽，上行線累計(jì)最大沉降達(dá)20.0 mm。

第2次試樁的基本參數(shù)及施工期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2、3所示。此次試樁由于對(duì)施工參數(shù)的優(yōu)化，采取了減少成樁時(shí)間、保留鋼套筒等措施，其工后影 響 相 比一期試樁要小得多。試樁完成后的3個(gè)月內(nèi)(2013年9月—2013年11月)，對(duì)樁基影響區(qū)域范圍的隧道進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，上行線隧道變形較小，截至2013年11月，上行線隧道最大累計(jì)沉降為+0.4～+1.80 mm，水平位移累計(jì)變形為-2.3～-4.8 mm，隧道水平收斂-1.1～+0.7 mm。

圖4 上、下行線隧道道床沿里程分布曲線

3 變形控制對(duì)策

從一、二期試樁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，此次試樁施工均對(duì)緊鄰的盾構(gòu)隧道產(chǎn)生了不同程度的影響，且影響范圍較大，涵蓋達(dá)120 m左右。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2次試樁由于鋼套管的設(shè)置，在成樁過(guò)程中對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響相對(duì)較小。

但在樁基施工完成后，混凝土在澆筑過(guò)程中對(duì)周圍土體產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，土體受到擾動(dòng)后破壞了其原有的平衡性，土體再固結(jié)所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，淤泥質(zhì)土的蠕變性和高壓縮性會(huì)導(dǎo)致隧道不斷發(fā)生沉降趨勢(shì)。因此，樁基施工導(dǎo)致隧道的工后沉降不容忽視。特別是在軟土地區(qū)，緊鄰運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道進(jìn)行樁基施工，對(duì)隧道影響較大，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，需采取科學(xué)合理的工程技術(shù)措施以保證地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)，主要有如下措施。

3.1 橋樁退后

采用三維有限元軟件plaxis模擬與隧道不同距離的樁基在施工過(guò)程中對(duì)既有隧道的影響。計(jì)算模型中的樁基直徑、樁長(zhǎng)、土層及地鐵隧道均按照第2節(jié)中試樁數(shù)據(jù)選取，計(jì)算模型中未考慮鋼套筒的設(shè)置，考慮了樁基鉆孔及回筑的過(guò)程。

土體選取HS模型，即Hardening-Soil模型(各向同性硬化塑性模型)，彈性模量取壓縮模量的3～5倍。

選取樁基距離隧道的水平凈距分別為2.5、5.0、7.5 m 3個(gè)不同工況進(jìn)行對(duì)比分析，隧道水平和豎直變形如表5所示，計(jì)算模型見圖5。

表5 與隧道不同水平凈距的樁基施工對(duì)緊鄰隧道的影響

圖5 樁基施工對(duì)隧道影響的三維計(jì)算模型

由于以上計(jì)算模型未模擬樁基施工過(guò)程中的鋼套筒的設(shè)置及工后沉降工況，該有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果較一期試樁期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，而相比一期工后沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要偏小。

由此可見，鋼套筒的設(shè)置對(duì)樁基施工期間隧道變形控制效應(yīng)明顯。在其他條件均相同的情況下，樁基對(duì)隧道的影響與兩者的水平凈距大致呈線性遞減關(guān)系。為減少工程樁對(duì)隧道的影響，宜盡可能增大兩者的水平凈距。

3.2 減小樁徑

不同直徑的樁基施工對(duì)周邊環(huán)境的影響不同。當(dāng)樁徑較大時(shí)，其在成孔及澆筑階段對(duì)周邊土體的擾動(dòng)相應(yīng)增大，進(jìn)而對(duì)隧道的影響增大。

對(duì)于存在有大厚度的淤泥質(zhì)黏土地層，在受到擾動(dòng)后需要有長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)沉降，大直徑的樁基對(duì)隧道的工后沉降尤顯得不利。因此，建議在滿足樁基承載力的前提下適當(dāng)減小樁徑。

3.3 成樁過(guò)程鋼套筒的設(shè)置

鋼套管起到了分離套管內(nèi)外土體的作用，在套管內(nèi)進(jìn)行取土與混凝土灌注施工時(shí)對(duì)套管外土體產(chǎn)生的影響較小，故此過(guò)程對(duì)臨近套管的既有建筑設(shè)施影響很小。同時(shí)，鋼套管還起到了防止鉆孔灌注樁孔壁坍塌的作用[6-8]。

鋼套管在旋壓過(guò)程中由于套管壁厚的存在，會(huì)產(chǎn)生閉塞效應(yīng)造成土體的膨脹，因此壁厚的確定是施工中的重要參數(shù)。對(duì)于存在有深厚軟土地層，距離隧道10 m以內(nèi)的樁基其鋼套筒均不應(yīng)拔除。

第一期試樁工程在打樁施工后期進(jìn)行套管拔除時(shí)，于短期內(nèi)對(duì)隧道造成不利影響，隧道變形值甚至接近報(bào)警值；第二期試樁工程未進(jìn)行拔除施工，地鐵隧道的變形未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明套管的拔除會(huì)對(duì)隧道周邊土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)。

3.4 選擇合理的成樁工藝

臨近運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道樁基施工時(shí)，應(yīng)選擇合理鉆機(jī)、成樁工序，并采用優(yōu)質(zhì)泥漿等[9-12]。根據(jù)工程特點(diǎn)，臨近隧道的鉆孔灌注樁施工不得選用沖、振等工法，在實(shí)施過(guò)程中不得進(jìn)行爆破作業(yè)以及大量抽取地下水。施工應(yīng)選用設(shè)置有合適刀排的合金鉆頭；保徑裝置亦采用合金材料，并牢固焊接。

樁的不同施工順序?qū)Χ軜?gòu)隧道的影響主要體現(xiàn)在先施工的樁具有遮簾作用，迎樁面的擠土位移較背樁面擠土位移要大。

因此，對(duì)于沿隧道橫向的排樁，建議打樁順序?yàn)橄却蚩拷淼赖臉痘鳛檎跀r結(jié)構(gòu)，待其基本滿足強(qiáng)度要求后，再在遠(yuǎn)離隧道的方向緩慢打樁以使超孔隙水壓力及時(shí)部分消散。對(duì)于沿盾構(gòu)隧道縱向的排樁，建議采用先中間后兩邊的施工順序。對(duì)于沿隧道兩側(cè)對(duì)稱分布的樁，建議同步進(jìn)行打樁施工，有利于降低隧道彎矩變化率。

群樁施工時(shí)建議按照?qǐng)D6的施工工序?qū)嵤?圖中數(shù)字均為施工次序)。

圖6 緊鄰隧道側(cè)群樁施工順序示意

3.5 成樁時(shí)間

第一次成孔深度應(yīng)高于深護(hù)筒設(shè)計(jì)底標(biāo)高20 cm為宜。套管安置到位后，鉆孔灌注前需要對(duì)樁機(jī)進(jìn)行水平調(diào)整，以確保鉆孔順利。鉆進(jìn)時(shí)鉆速不宜太快，轉(zhuǎn)速宜控制在50～80 r/min。

樁基施工時(shí)，泥漿比重宜控制在1.2～1.3，保證成孔不坍塌、不縮徑、成孔順利、攜帶孔底鉆渣。為了保證成孔質(zhì)量與安全，二次鉆孔開始至成樁時(shí)間嚴(yán)格控制在8 h以內(nèi)。

套管下壓到巖層的速度緩慢會(huì)導(dǎo)致周邊土體受到較大擾動(dòng)，建議盡量縮短套管下壓的時(shí)間，從開始打樁施工到混凝土澆筑，應(yīng)盡快完成，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土的澆筑速度和沖擊力的控制，以減小對(duì)地鐵隧道周邊的土體擾動(dòng)[8]。

上述工程項(xiàng)目第一次試樁由于工序組織不合理、入巖深度較深等各類因素，導(dǎo)致樁基施工時(shí)間較長(zhǎng)，這也是導(dǎo)致隧道工后沉降較大的原因之一。

3.6 打設(shè)泄壓孔

針對(duì)壓套筒可能會(huì)導(dǎo)致隧道收斂變形比較大的情況，通過(guò)在壓套筒的樁位和隧道附近打設(shè)泄壓孔來(lái)降低隧道承受的土壓力?？筛鶕?jù)樁的分布情況確定泄壓孔數(shù)量(數(shù)量應(yīng)適度，過(guò)多則對(duì)隧道構(gòu)成不利影響)。泄壓孔直徑建議為15 cm，深度到隧道底標(biāo)高位置。泄壓孔完成后，隨著孔隙水壓力的消散和土壓力的降低，隧道的收斂變形逐漸回落。

根據(jù)相關(guān)工程類似經(jīng)驗(yàn)表明，打設(shè)泄壓孔后，隧道的收斂變形逐漸回落，在7 d時(shí)間內(nèi)回落穩(wěn)定，回落量為最大值的60%。此外，還應(yīng)注意泄壓孔需根據(jù)鋼套管的下壓伴隨進(jìn)行，泄壓孔完成后必須壓漿回填密實(shí)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析軟土地區(qū)緊鄰運(yùn)營(yíng)隧道的鉆孔灌注樁試樁工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于軟土地區(qū)臨近隧道側(cè)的鉆孔灌注樁施工，采用鋼套筒是控制臨近地鐵隧道變形的有效措施，但鋼套筒拔除后其對(duì)緊鄰隧道的“工后”影響較大，且影響區(qū)域范圍較大。對(duì)于該類地層，距離隧道10 m以內(nèi)的鉆孔灌注樁施工宜保留鋼套筒。

2) 鋼套管下壓到巖層的速度緩慢會(huì)導(dǎo)致周邊土體受到較大擾動(dòng)。建議施工時(shí)盡量縮短套管下壓的時(shí)間，從開始打樁施工到混凝土澆筑，宜盡快完成。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土的澆筑速度和沖擊力的控制，以減小地鐵隧道周邊的土體擾動(dòng)。單根樁基施工時(shí)間宜控制在5 d之內(nèi)。

3) 對(duì)于存在有深厚淤泥質(zhì)地層的場(chǎng)地，可通過(guò)減少樁徑、增大樁基與隧道的凈距來(lái)降低樁基施工對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響。

4) 群樁施工時(shí)可以通過(guò)合理組織樁基施工順序、設(shè)置泄壓孔等來(lái)減少樁基施工對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響。

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(編輯：郝京紅)

Displacement Control of Pile Foundation Construction in Soft Soil Area Adjacent to Running Metro Tunnel

Zhang Ge

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

Based on the monitoring data of a two-period bridge pile foundation test in Hangzhou, the influence of pile foundation construction in soft soil area on the subway tunnel and the displacement control measures are analyzed. For the deep silt stratum, the construction of bored pile has a great influence on the surrounding soil. In the construction of bored piles, setting the steel sleeve is an effective measure to control the deformation of adjacent subway tunnel. But after removing the steel socket, the larger influence on “after construction” tunnel happens. For the deep silt stratum, the bored piles construction within 10m distance from metro tunnel in operation should retain the steel sleeves. The effective measures to control the deformation of the adjacent tunnel are taken which include optimizing the wall thickness, length and the lower pressing speed of the steel sleeve, controlling the construction time of the pile foundation, reasonably organizing the construction sequence of the pile group, setting the pressure relief holes and so on.

urban rail transit; soft soil area; bored pile; close to metro tunnel; displacement control

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.019

2016-02-17

張戈，男，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巖土工程科研工作,zhang11ge@163.com

U455.43

A

1672-6073(2016)06-0093-06