淺覆土地層超大直徑盾構隧道下穿建筑物原位保護技術研究

薛曉杰

（廣州市高速公路有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

托換技術起源于13世紀的古羅馬，在20世紀30年代在美國的地下鐵道建設中得到發(fā)展。近年來，隨著世界范圍內(nèi)大量興建地鐵、地下商場、隔江河穿越等地下工程，以及現(xiàn)有建筑物的改造、加層等工程日益增多，托換工程也隨之增多。在我國借鑒國外先進托換技術的同時結合中國的實際情況在許多托換方法中已有多項案例[1-5]。

隨著交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，盾構隧道開始逐漸廣泛應用于高速公路行業(yè)，為高速公路下穿江河、湖海以及環(huán)境敏感區(qū)域提供了新的選擇。受高速公路設計標準限制，為滿足設計車道數(shù)要求，盾構隧道開始往超大直徑方向發(fā)展[6]。

對于處于城市建成區(qū)的高速公路而言，需要相應政府關于避免“大拆大建”的號召，減少高速公路施工過程中對周邊既有建筑物的影響。目前常用于交通行業(yè)的原位保護技術多應用于地鐵盾構隧道，因地鐵盾構直徑較小，對超大直徑盾構隧道穿越既有建構筑物的原位保護案例較少。因此該文依托海珠灣隧道工程，對淺覆土超大直徑盾構隧道下穿既有建構筑物的原位保護技術進行分析。

海珠灣隧道項目路線長約4.35 km，主線隧道設計速度為60 km/h。新建過江隧道一座，連續(xù)下穿珠江后航道、洛溪島、三枝香水道，隧道總長約3 463 m，其中盾構段長約2 077 m，單個盾構隧道外徑為14.5 m，是廣州地區(qū)擬建的第一條超大直徑盾構隧道工程。

1 工程概況

海珠灣隧道工程北接現(xiàn)狀東曉南高架，南至南浦大道，全長4.35 km，是廣州南站快速通道的北段工程。含立交節(jié)點3處（南洲路立交、南環(huán)高速立交、南浦島立交）。自北向南依次通過橋梁跨越南洲路、地鐵2號線、南環(huán)高架，后入地以隧道形式穿越珠江瀝滘水道、洛溪島、三枝香水道及南浦大道。項目采用設計速度60 km/h的雙向6車道城市主干路技術標準；道路凈空4.5 m，車道寬度2×3.5 m+3.75 m；結構設計使用年限100年。該項目地處城市建成區(qū)，周邊交通環(huán)境緊張、居民建筑密集、地下管線復雜。

海珠灣隧道作為廣州市第一條超大直徑盾構，盾構開挖直徑為15.07 m，管片外徑14.5 m，且為淺覆土，始發(fā)盾構機始發(fā)端覆土9.1 m，接收端覆土10.2 m，不足0.7D。盾構機兩次下穿珠江和三枝香水道、穿越兩條斷裂帶、下穿中核商務大廈和中化廣東等既有建構筑物，施工難度極大。

海珠灣隧道項目從南浦島東鄉(xiāng)村始發(fā)井始發(fā)，向北單向掘進，在三支香水道南側EK2+840-2+878、WK2+830-2+865范圍下穿番禺區(qū)中核商務大廈及其西側建筑，在瀝滘水道北側EK1+125-1+243、WK1+128-1+242范圍下穿海珠灣藝術園區(qū)辦公樓、萬科泊寓、恭喜置業(yè)、易建聯(lián)籃球中心、M汽車修理廠等建筑。根據(jù)原設計方案，需要對盾構隧道范圍上方的建構筑物先行拆除，并拔除樁基后，盾構隧道穿越。

建筑物基本情況：

1.1 中核商務大廈及33號民房

中核大廈為6層框架結構樓房，建筑面積約10 500 m2（投影面積1 710 m2），分兩期施工，一期臨街，基礎為打入樁基礎，樁徑0.5 m，二期為獨立樁孔灌注樁基礎，樁徑1.5 m，樁長約21～26 m。33號民房為4層框架結構，部分侵入紅線范圍。

盾構始發(fā)約100 m后下穿中核商務大廈和33號民房，掘進范圍內(nèi)樁基共73根（東線38根，西線35根）見表1，侵入隧道約7～12 m。

表1 盾構下穿建筑物范圍樁基統(tǒng)計

1.2 海珠藝術園區(qū)6棟

海珠藝術園區(qū)6棟為5～6層框架結構，下設承臺及樁基礎，樁徑0.48 m，樁長21～24 m，最大主筋φ14，鋼筋籠長度約6.5 m。

1.3 泊寓公寓

泊寓公寓為6層框架結構，下設承臺及樁基礎，樁徑0.6 m，樁長19～20 m，最大主筋φ18，鋼筋籠長度約10 m。

1.4 其余低層建筑

恭喜9號為1層磚砌結構，鋼結構屋頂，條形基礎。

易建聯(lián)籃球中心：1層磚混結構，條形基礎。

M汽車美容廠：2層鋼結構，條形基礎。

碼頭：沉箱結構。

2 地質條件

盾構穿越地層條件復雜。盾構始發(fā)和接收段處于上軟下硬地層，該線路大部分區(qū)域揭露海陸交互相沉積成因的淤泥質細砂2、粉細砂1、中粗砂2、粉細砂3、粗礫砂4及沖積-洪積成因的中粗砂④3，其均屬中等～強透水層，地下水量豐富，且廣州地區(qū)多雨天氣的特點及受珠江水系影響，隧道承受最大水壓達5 bar，存在易結泥餅、易噴涌等施工風險。

3 設計方案

海珠灣隧道的盾構掘進直徑超過15 m，遠大于地鐵的掘進直徑。因此，在該項目中引進樁基托換等原位保護措施，其影響范圍及設計施工難度也隨之急劇增加。

為保證成型隧道安全，須對既有建筑物侵入隧道范圍內(nèi)的樁采取托換技術，將隧道范圍內(nèi)的樁卸載，其次要保證上部結構變形小于規(guī)范要求，梁板柱不能開裂，同時要保證樁基拖換后，既有建筑物整體不受盾構掘進的影響。盾構掘進需切削建筑物底部侵入盾構刀盤范圍的樁基，為保障建筑物結構穩(wěn)定需提前對盾構下穿樁基范圍的地層進行加固，同時為盾構機切樁提供安全作業(yè)條件。盾構掘進時，在地面采取跟蹤注漿的方式對建筑同步進行保護。

原位保護的主要技術措施為“托梁換樁法”：在隧道范圍內(nèi)的承臺下布置托換梁，在隧道兩側各3 m外設置灌注樁支承。在施工完托換梁達到 100%強度后，截斷隧道范圍內(nèi)的樁，上部荷載完全由托換梁承擔，托換梁垂直方向穩(wěn)定性由原基礎拉梁提供。

3.1 隧道線保護范圍內(nèi)基礎托換加固

托換樁受場地限制及施工要求，選用微型鋼管樁，采用鉆機成孔350 mm的孔徑，鋼管直徑220 mm，壁厚為8 mm。其他托換樁選用灌注樁，樁直徑1 200 mm。托換梁主梁跨度在21 m左右，截面為70 mm×2 200 mm，采用后張拉緩黏結預應力梁，次梁截面為600 mm×2 200 mm。

3.2 隔離樁加固

為保障隧道外舊基礎在原位保護工程施工過程不受影響，同時考慮減少隧道施工時土體沉降影響，對隧道外圍采用隔離樁進行加固。隔離樁先采用樁徑800 mm，樁長24 m的高壓旋噴樁樁心間隔0.65 m咬合布置；后插入鋼筋籠，籠徑450 mm，籠長25 m；樁頂鋪設200 mm C20混凝土墊層用以控制隔離樁水平位移。

4 有限元分析

為保證設計方案的可行性，該項目的MIDAS GTS 有限元計算模型模擬隧道經(jīng)過時隧道兩側的建筑物在有無隔離樁的不同情況下的位移情況。左側沒有布置隔離樁，右側布置隔離樁。網(wǎng)格的尺寸為1.3 m。

該模型土體的尺寸為50 m×70 m×100 m，按照地勘資料，從上至下依次為回填土、淤泥質土、粉質黏土、礫砂，全分化花崗巖、中分化花崗巖、微分化花崗巖。土體材料模型采用3D 修正摩爾庫倫單元。

隔離樁布置于距離隧道側2 m處，隔離樁為D800的混凝土攪拌樁和D300×12的微型鋼管樁混合布置，攪拌樁的間距為0.65 m，鋼管樁的間距為1.3 m。該模型不考慮攪拌樁對原有建筑的影響，只布置微型鋼管樁，間距為1.3 m。模型中微型鋼管樁采用1D彈性單元?？紤]到隔離樁頂有200 mm厚C20混凝土墊層的拉結，對隔離樁頂?shù)乃轿灰七M行約束。

原有建筑按照實際情況模擬，單柱單樁，建筑樁為D800灌注樁，地梁尺寸為400 mm×900 mm，地板厚度為400 mm。模型中樁及地梁采用1D 彈性單元，底板采用板單元。

隧道的模擬按照實際施工的步驟進行模擬。模型中，隧道的外徑為14.5 m，注漿層的厚度為0.6 m。隧道掘進中的掌子面壓力取1.6 MPa，注漿壓力取0.1 MPa。

模型的布置及網(wǎng)格如圖1和圖2所示。

圖1 整體網(wǎng)格模型

圖2 隧道、建筑物及隔離樁布置圖

取原有建筑處的切面作水平位移分析。隧道穿過時最大的水平位移為2.88 mm，對比左右兩側建筑樁的水平位移，根據(jù)與隔離樁的距離，3 m處的水平位移能減少73.3%，8 m處的水平位移能減少50.9%，13 m處的水平位移能減少41.6%，18 m處的水平位移能減少41.1%。

5 保障措施

在既有建構筑物原位保護措施施工完成后，需要對建筑物下方地基進一步加固，以保障盾構機的安全掘進。主要措施包括：

（1）樁基施工完成后，對盾構隧道結構邊線外3 m、樁基前后3 m、沿盾構掘進方向外6 m范圍進行旋噴加固。

（2）采用高壓旋噴樁加固，加固深度至中風化巖面下0.5 m。

（3）在聯(lián)聲電子區(qū)域內(nèi)設置試驗段，收集盾構相關參數(shù)作為后續(xù)正式下穿建筑物的施工參考依據(jù)。

（4）樁基托換及盾構穿越過程中，應加強建筑物監(jiān)測，必要時在承臺基礎設置千斤頂，一旦監(jiān)測到建筑或地面沉降超過容許值，調(diào)整啟用千斤頂頂升。在被轉換的框架柱及其在托換主梁上的對應位置，新增承臺，隧道保護線外選取部分結構柱進行沉降觀測。施工期內(nèi)觀測工作由樁開始施工時即應開始，施工托換梁及地下隧道施工時應每天觀測2次，其余施工期間一天1次。施工過程如暫時停工，在停工時及新開工時應各觀測1次，停工期間每隔1個月觀測1次，使用期內(nèi)第1～2月3天觀測1次，第3～6月一個月觀測1次，第6～12月2個月觀測1次，第二年觀測2～3次，第三年后每年1次，直至穩(wěn)定為止。

（5）盾構應采取適宜的掘進施工參數(shù)，加強盾構二次注漿。

（6）下穿既有建構筑下方的管片結構加強配筋。

在盾構施工過程中，將采取如下施工措施，進一步保障施工安全：

（1）控制掘進速度，嚴格控制泥水壓力、注漿壓力、注漿量等。

（2）準備充足刀具及進倉人員，做到掘進過程中及時更換損壞刀具，遇到掉樁等及時進倉清理。

（3）穿越完成后在沿江路北側，下穿三枝江水道前，設置停機檢修換刀段，為下穿水道做準備工作。

（4）盾構穿越過程中，為防止掘進過程中泥漿沿樁周間隙冒頂失壓引起管片上浮、盾構姿態(tài)變化等，考慮使用克泥效或其他特殊泥漿。

6 結論

該文以海珠灣隧道工程為背景，針對淺覆土條件下超大直徑盾構隧道下穿既有建構筑物方案進行研究，主要得到以下結論。

（1）對不同建構筑物進行分類分析，參考其他同類項目，對下穿不同建構筑物選擇了不同的保護措施，確保工程實施的可靠性、可行性及經(jīng)濟性，通過模型分析及提出相應的施工期間的監(jiān)測等保護措施確保了盾構隧道及既有建構筑物的安全。

（2）既有建構筑物的原位保護是一個系統(tǒng)工程，在數(shù)值分析、設計階段模擬可行之后，需加強對施工過程的監(jiān)測，及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)做好分析，施工過程動態(tài)跟進，確保施工安全。

（3）該文依托海珠灣隧道既有建構筑物原位保護工程進行分析，通過該方案的實施將房屋征拆變更為原位保護，增加工程成本，減少征拆費用，節(jié)約了建設成本，具有很好的經(jīng)濟性。同時該原位保護方案一方面將最大限度減少工程對周邊企業(yè)和居民日常生活的影響，響應避免“大拆大建”號召，積極推進項目綠色生態(tài)建設；另一方面將規(guī)避征拆制約因素，大大減少征拆難度和動遷工作量，為實現(xiàn)項目高效率、加速度建設和廣州老城市煥發(fā)新活力創(chuàng)造有利條件。此外，海珠灣隧道原位保護工程的實施也將為后續(xù)類似超大直徑盾構隧道項目的實施提供借鑒及參考。