灌注樁施工對運營盾構(gòu)隧道影響研究

高 永，李濟民

(南京地鐵運營有限責任公司，南京 210012)

關(guān)于隧道與樁基相互作用的研究，主要為隧道施工對既有樁基的影響及樁基施工對既有隧道的影響兩類，前者科研成果較多，后者研究尚不充分。張志強等[1]采用三維有限元數(shù)值模擬對施工力學行為進行研究；龔倫等[2]采用ANSYS軟件模擬計算深圳地鐵新建隧道鄰接既有樁基施工過程，通過既有隧道位移和應(yīng)力增量的變化，對橋梁樁基近接既有隧道的影響分區(qū)進行劃分；丁智等[3]、王洪德等[4]通過建立樁-隧相互作用的有限元模型，研究隧道不同埋深和凈距等因素，探討樁基施工對隧道的影響；呂寶偉[5]、郭力等[6]和賈立夫[7]采用數(shù)值模型論證了臨近既有隧道樁基施工方案的可靠性；徐云福等[8]、莊妍等[9]通過實測數(shù)據(jù)驗證了鋼套管灌注樁在運營隧道保護實踐中的可行性。王改等[10]以實測數(shù)據(jù)分析了不同凈距和不同樁基類型下樁基施工引起的地鐵變形特點；張戈[11]以杭州某緊鄰隧道的兩期橋樁試樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析軟土地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工對緊鄰運營地鐵隧道的影響及其位移控制對策。現(xiàn)有研究聚焦于某一工程數(shù)值建模分析以及現(xiàn)場實測成果分析，缺乏同一邊界條件下不同施工方案的現(xiàn)場實測比對研究。

南京長江漫灘地層是典型的沖積河流二元結(jié)構(gòu)，上部是細粒沉積物，主要為軟塑到流塑的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉土層，下部為粗粒河床沉積物，主要為粉細砂層和砂礫層，富含承壓水且水量豐富，補給速度快。該地層既有盾構(gòu)隧道近接樁基施工主要采取全套管全鋼護筒或半鋼護筒灌注樁工藝措施，近幾年現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)此類工程對既有盾構(gòu)隧道變形控制難度較大，有必要對全鋼護筒與半鋼護筒施工工藝的適應(yīng)條件及地鐵結(jié)構(gòu)專項保護措施進行研究。

以南京長江漫灘地層某道路暗橋施工為案例，分別對全套管半鋼護筒灌注樁單樁施工、全套管全鋼護筒灌注樁單樁施工以及群樁施工進行分析，發(fā)現(xiàn)穿越密實砂層的全鋼護筒提前支護方案對既有盾構(gòu)隧道變形影響量及影響半徑均較非穿越密實砂層的半鋼護筒提前支護方案明顯增大，調(diào)整群樁成樁順序能有效管控臨近盾構(gòu)隧道變形，可為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

該橋梁起訖點樁號為K0+000～K0+239，對應(yīng)南京地鐵S3號線上行K12+993～K13+219、下行K12+998～K13+223，橋梁跨徑組合為4×(3×16)m，橋?qū)挒?4～76 m?？紤]到0號軸至2號軸蓋板下方為規(guī)劃2號線西延盾構(gòu)隧道，外徑為6.6 m，上跨運營S3號線區(qū)間，規(guī)劃隧道拱頂距離現(xiàn)狀地面僅3.3 m，經(jīng)設(shè)計驗收，無法滿足盾構(gòu)掘進抗隆需求，提前采取土體預(yù)注漿加固，并提前施作600 mm厚蓋板，與橋梁承臺同期施工。S3號線自2017年12月開始運營，區(qū)段為盾構(gòu)錯縫拼裝，埋深約為14.3 m，內(nèi)徑為5.5 m，環(huán)寬為1.2 m，管片厚度為0.35 m，管片混凝土強度為C50，因外部工程活動及地表違規(guī)偷倒渣土等情況，運營前K13+110至K13+212里程段(對應(yīng)0號軸至4號軸)隧道最大沉降量達107.4 mm，故其保護區(qū)15 m范圍內(nèi)的灌注樁(樁徑為1.5 m、樁長為78 m)施工均采用全套管鋼護筒提前支護施工，且施工完成后禁止拔除鋼套筒。其中110根灌注樁采用全套管半鋼護筒提前支護方案，鋼護筒長度不低于隧底以下2倍洞徑，護筒規(guī)格為D1550×16 mm；0號軸至2號軸范圍內(nèi)，上下行隧道內(nèi)插的6根灌注樁采用全套管全鋼護筒提前支護方案，護筒規(guī)格為D1600×20 mm，須進入⑤ -2層中風化泥巖不小于0.5 m。橋樁平面布置如圖1所示，0號軸至2號軸A-A剖面如圖2所示。

圖1 橋樁平面布置(單位：mm)

圖2 0號軸至2號軸A-A剖面

1.2 地質(zhì)概況

土層從上向下依次為① -2素填土、② -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、② -3b3粉質(zhì)黏土夾粉砂、② -3d3粉砂、② -4b4粉質(zhì)黏土、② -4d2中密粉砂、② -5d1密實粉砂，其中區(qū)間隧道位于② -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土處。各土層物理力學參數(shù)如表1所示，運營盾構(gòu)隧道及灌注樁鋼護筒沿線地質(zhì)剖面如圖3所示。

表1 各土層物理力學參數(shù)

圖3 運營盾構(gòu)隧道及灌注樁鋼護筒沿線地質(zhì)剖面

2 單樁施工影響

2.1 全套管半鋼護筒施工

2018年3月13日至2018年3月18日進行首根全套管半鋼護筒灌注樁施工，樁號為2#墩-3#樁，橋樁距離運營盾構(gòu)隧道最小凈距為9.2 m，設(shè)計護筒深度為33 m，實際護筒深度為36.36 m，分為4節(jié)焊接。第一節(jié)長度為11 m(其中鉆機正常工作留置3.5 m)，第二節(jié)至第三節(jié)長度為10 m，第四節(jié)長度為8.86 m。

施工造成運營盾構(gòu)隧道沉降2.7 mm，隧道向橋樁側(cè)水平位移了1.1 mm，其中護筒旋壓引起隧道沉降2.2 mm，占總沉降量的88.9%，成孔后隧道基本進入穩(wěn)定狀態(tài)，全套管半鋼護筒灌注樁施工信息如表2所示。

表2 全套管半鋼護筒灌注樁施工信息

2.2 全套管全鋼護筒施工

2018年3月17日至2018年3月25日進行首根全套管全鋼護筒灌注樁施工，樁號為0#墩-7#樁，橋樁與隧道最小凈距僅為2.9 m。設(shè)計鋼護筒深度為60 m，實際深度為63.2 m，分7節(jié)焊接，第一節(jié)護筒長度為11 m，第二節(jié)至第六節(jié)護筒長度均為10 m，第七節(jié)護筒長度為5.7 m。第一段至第三段護筒施工期間主要穿越② -2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及② -4b4粉質(zhì)黏土層，第四段和第五段護筒施工期間主要穿越② -4d2中密粉砂及② -5d1密實粉砂層，第六段護筒施工相繼穿越粗砂混卵石、強風化泥巖及中風化泥巖。施工造成運營盾構(gòu)隧道沉降11.5 mm，隧道向橋樁側(cè)水平位移了3.2 mm，成樁后隧道結(jié)構(gòu)歷經(jīng)12 d 方才趨于相對穩(wěn)定(連續(xù)3 d日變形量<0.1 mm)，隧道最終沉降為13.9 mm，工后沉降量達2.4 mm。全套管全鋼護筒灌注樁施工信息如表3所示。

表3 全套管全鋼護筒灌注樁施工信息

2.3 單樁施工影響比對分析

2.3.1 監(jiān)測成果比對分析

從監(jiān)測數(shù)值上分析，全套管全鋼護筒施工工法對運營盾構(gòu)隧道的影響明顯大于半鋼護筒施工工法，2種鋼護筒施工期間既有盾構(gòu)隧道變形實測曲線如圖4所示。兩者差異主要體現(xiàn)在3個方面，一是全套管全鋼護筒施工距離隧道2.9 m，近距離施工機械自重引起隧道沉降2.0 mm，占單樁施工變形量的17.4%；二是全鋼護筒施工穿越粉砂層比穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層及粉質(zhì)黏土層的影響明顯增加，穿越粉砂層隧道沉降了5.6 mm，占比高達單樁沉降量的48.7%；三是全鋼護筒在中密粉砂層中停滯5.6 h進行對接焊接，復(fù)鉆瞬時扭矩過大造成砂層不排水不固結(jié)、剪切破壞，也造成臨近盾構(gòu)隧道發(fā)生瞬時沉降2.4 mm，且后續(xù)持續(xù)快速沉降。

圖4 2種鋼護筒施工期間既有盾構(gòu)隧道變形實測曲線

2.3.2 回歸函數(shù)

2#墩-3#樁施工時，選擇臨近的隧道上行線2軸至4軸監(jiān)測點(距離9.2～35.4 m)實測數(shù)據(jù)為樣本，0#墩-7#樁施工時，選擇臨近的隧道上行線0號軸至2號軸以及0號軸外擴區(qū)域監(jiān)測點(-26.5～32.5 m，以橋梁段軸線順序為正方向)實測數(shù)據(jù)為樣本，采用正態(tài)分布函數(shù)對實測數(shù)據(jù)進行擬合，變形實測曲線及擬合曲線如圖5所示。

半鋼護筒與全鋼護筒施工方案回歸函數(shù)分別如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

圖5 變形實測曲線及擬合曲線

2.3.3 回歸分析

(1) 既有盾構(gòu)隧道變形量：未穿越密實砂層的半鋼護筒施工方案，理論上最大可造成隧道沉降4.1 mm，凈距為5 m、10 m和15 m工況下，盾構(gòu)隧道沉降量分別為3.6 mm、2.5 mm和1.4 mm；穿越密實砂層的全鋼護筒施工方案，理論上最大可造成隧道沉降14.3 mm，凈距為5 m、10 m和15 m工況下，盾構(gòu)隧道沉降量分別為13.2 mm、10.5 mm和 7.2 mm。即全鋼護筒單樁施工對既有盾構(gòu)隧道變形影響明顯大于半鋼護筒施工方案，5～15 m凈距工況下，變形量增加2.6～4.3倍。

(2) 既有盾構(gòu)隧道影響半徑：按正態(tài)函數(shù)分布規(guī)律，1.0σ范圍內(nèi)置信區(qū)間可達68.2%，1.96σ范圍內(nèi)置信區(qū)間達95%，2.58σ范圍內(nèi)置信區(qū)間高達99%。分析可知，長江漫灘地層的全套管灌注樁采用半鋼護筒提前支護施工方案，其強烈影響區(qū)約為6D(D為護筒外徑)，一般影響區(qū)約為12D，可能影響區(qū)約為16D。采用全鋼護筒提前支護施工方案，其強烈影響區(qū)約為8D，一般影響區(qū)約為16D，可能影響區(qū)約為20D，即全護筒施工措施影響半徑擴大了30%。

3 群樁施工影響

3.1 群樁施工隧道變形成果

全鋼護筒及半鋼護筒首根樁基成孔后，因工程工期緊張，未能對首根半鋼護筒及全鋼護筒施工成果進行深入分析與總結(jié)，僅對剩余5根全鋼護筒成樁工藝進行局部優(yōu)化：①實施跳樁施工，最小跳樁距離為16 m；②細化鋼護筒長度，確保鋼護筒一次性穿越隧道；③加快對接焊接，減少全回轉(zhuǎn)停機時間。后續(xù)施工過程中，3臺全套管全回轉(zhuǎn)成樁設(shè)備同步交叉施工，成樁順序混亂無序，截至2018年5月21日，歷時69 d，完成了172根群樁施工，全鋼護筒施工影響區(qū)段隧道最大沉降了51.0 mm，半鋼護筒施工影響區(qū)段隧道最大沉降了20.4 mm，群樁施工引起的隧道垂直位移曲線如圖6所示。

圖6 群樁施工引起的隧道垂直位移曲線

施工期間，隧道結(jié)構(gòu)變形超出安全控制值20 mm，經(jīng)相關(guān)部門多次協(xié)調(diào)，于2018年6月起采用隧底微擾動注漿工藝對隧道沉降進行糾偏治理。

3.2 群樁施工順序影響分析

結(jié)合回歸函數(shù)，假定本工程臨近地鐵側(cè)橋樁全部選用半鋼護筒提前支護方案，可預(yù)測由遠及近成樁與由近及遠成樁2個方案對運營隧道的影響。以下行線隧道為例，半鋼護筒工藝下2種成樁順序預(yù)測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：①4號軸至12號軸隧道結(jié)構(gòu)沉降實測數(shù)據(jù)位于由遠及近成樁與由近及遠成樁2個方案之間，佐證現(xiàn)場成樁順序混亂的事實；②由近及遠成樁方案較由遠及近成樁方案，隧道沉降平均可減小7.8 mm，平均降幅達35%；③選用由近及遠成樁方案，0號軸至2號軸區(qū)段的隧道結(jié)構(gòu)沉降較實測數(shù)據(jù)最大減少25.0 mm，平均減少16.3 mm，3號軸至12號軸區(qū)段的隧道結(jié)構(gòu)沉降最大減少8.0 mm，平均減少3.6 mm。

圖7 半鋼護筒工藝下2種成樁順序預(yù)測結(jié)果

垂直于盾構(gòu)隧道方向的由近及遠全套管鋼護筒灌注樁成樁順序，可有效控制盾構(gòu)隧道變形，說明先成樁的樁基具有遮擋隔離作用，可有效降低后成樁對運營隧道的影響。

4 結(jié)語

在南京長江漫灘地區(qū)，通過分析全套管全回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁半鋼護筒與全鋼護筒提前支護方案實測結(jié)果，可知穿越密實砂層的全鋼護筒方案對既有盾構(gòu)隧道影響較大，近接盾構(gòu)隧道施工須慎重論證，不穿越密實砂層的半鋼護筒方案既可降低工程造價，又可有效減少運營隧道結(jié)構(gòu)變形，可作為運營隧道結(jié)構(gòu)保護的主動預(yù)防措施，但在選用此方案時仍應(yīng)注意以下事項。

(1) 現(xiàn)場施工過程中應(yīng)嚴格控制地面荷載，合理規(guī)劃場地布置，減少重型設(shè)備在運營隧道上方的碾壓。

(2) 鋼護筒回旋下壓以及成孔與成樁等施工應(yīng)確保連續(xù)性，同時應(yīng)結(jié)合地層單元剖面，細化設(shè)計鋼護筒的分節(jié)長度，確保中密及密實砂層一次性連續(xù)穿越。

(3) 應(yīng)合理制定成樁順序，垂直于隧道的橫向排樁，應(yīng)先實施靠近隧道的樁基，以實現(xiàn)其遮擋隔離功能，待其滿足強度要求后再設(shè)遠離側(cè)樁基；平行于隧道的縱向排樁，宜先設(shè)中間后設(shè)兩端，且跳樁間距不宜小于16D(D為護筒外徑)；沿隧道兩側(cè)的樁基宜對稱設(shè)置，減小隧道的不均勻水平位移。