地铁盾构隧道穿越桩基综合处理技术

何茂周

（深圳市市政工程总公司，广东 深圳 518034）

0 引言

在地铁工程中会遇到大量的建筑设施冲突和干扰，一般采用的方案有2种：一是拆改既有设施，二是对原设施进行托换或加固［1］。当区间隧道与桥桩冲突时，文献［2-8］介绍了主动托换设计与施工；董圣刚［9］提出了扩大承台结合钢管桩托换方案；宋忠进［10］采用了洞外钢管脚手架支托和洞内截桩相结合的处理方案；李幸发［11］介绍了洞内对桩底预留基岩的处理、桥桩与二次衬砌的连接及截桩等施工方法；张火军［12］首先搭设临时支架保护天桥，从地面注浆加固土体，在托换承台后，人工挖竖井从竖井中凿除盾构隧道范围内桩基。但是，类似文献研究主要集中在如何安全通过，对相关桥的处理、隧道开挖初期支护、二次衬砌等缺乏系统研究。在上述文献的基础上，本文着重对处理方案的制定、结构安全性检算、洞外采取钢管撑支顶、洞内拱顶预注浆加固、初期支护加强、截桩技术、二次衬砌永久支撑桩基、三次衬砌拼装加强管片补强等综合系统关键技术进行探索，并通过实际监测数据证明处理技术的可靠性。

1 工程概况

1.1 隧道概述

深圳地铁9号线香梅站—景田站区间，起点里程为Y（Z）DK9+518.900，终点设计里程为Y（Z）DK10+569.561。隧 道 中 部 ZDK9+706.621 ～ZDK10+301.621长595 m ，YDK9+717.241～YDK10+322.241长605 m采用矿山法施工，盾构空推拼装管片，其余隧道两端均是盾构法施工。在YDK10+197.415处设7.0 m×7.0 m竖井1座，由竖井分别向两端开挖矿山法段隧道。竖井施工照片见图1。

图1 竖井施工照片Fig.1 Vertical shaft

1.2 隧道与桩基关系

香梅站—景田站区间在YDK10+221.550处穿越狮岭公园人行天桥，隧道采用矿山法施工初期支护+盾构空推拼管片通过的组合工法施工。根据《景田路狮岭公园人行天桥竣工图》显示，狮岭公园人行天桥①号桥墩位置2根桩基已侵入隧道，必须采取桩基托换处理。隧道与天桥桩基平面位置关系见图2，断面位置关系见图3。

狮岭公园人行天桥上部结构为3跨预应力连续梁，天桥顶盖为钢筋混凝土结构，下部结构为钢筋混凝土圆柱墩，天桥基础采用φ800钻孔灌注桩。区间左右线分别正穿天桥号桥墩和①号桥墩，隧道埋深约15.2 m。天桥号桥墩下2根桩基桩长20 m，桩底距离隧道顶约2.3 m，①号桥墩下2根桩基桩长17.2 m，桩基已侵入隧道，侵入长度为3.37 m和3.97 m，桩基配筋段长度为13 m，侵入隧道的为素桩部分，①号桥墩处需要进行桩基托换处理。

图2 隧道与天桥桩基平面位置关系图Fig.2 Plan showing relationship between tunnel and existing pile foundations of overpass

图3 隧道与天桥桩基断面位置关系图Fig.3 Profile showing relationship between tunnel and existing pile foundations of overpass

根据计算，①号桥墩单桩承载力为1 154.3 kN。根据天桥桩基竣工图，推断该处天桥桩基为端承摩擦桩。

1.3 工程地质水文情况

区间穿越狮岭公园人行天桥段地层从上至下依次为素填土、硬塑状砾质黏土、强风化花岗片麻、混合岩、中风化花岗片麻、混合岩、微风化花岗片麻、混合岩，隧道主要穿越地层为强风化花岗片麻、混合岩和中风化花岗片麻、混合岩。勘察期间地下水稳定水位埋深为0.63～3.13 m，标高为13.47～15.97 m。

1.4 周边环境条件

1.4.1 周边交通情况

景田路从香景区间竖井施工围挡至狮岭公园人行天桥段由双向两车道过渡为双向四车道，1号桥墩处进行桩基托换施工地面临时支撑结构需占用景田路一个车道，占道后仍可满足地面交通需求。1.4.2 周边管线分布情况

见表1。

表1 人行天桥1号桥墩处主要管线表Table 1 Main utility lines at No.1 pier of overpass

2 总体处理原则及思路

2.1 处理原则

1）隧道开挖期间保证临时支撑地基持力层有足够的安全度，杜绝隧道塌方、控制沉降，确保地面支撑体系稳定可靠。

2）隧道开挖期间天桥的变形及沉降控制在结构允许范围之内。

3）在隧道施工完成后，天桥①号桥墩下方桩基仍能提供足够的承载力保证上部结构的安全。

4）在隧道施工完成后，隧道结构能够承受隧道围岩压力、桩基荷载、地铁运营荷载等。

2.2 处理思路

区间隧道穿越建筑物基础需进行基础托换和截桩时，采用可靠的技术方案和确保建筑物正常使用不受影响的施工方法。采用理论计算与工程类比相结合方式的施工前预设计，施工过程中应根据施工现场监控量测的信息反馈修正设计，指导施工。

狮岭公园人行天桥①号桥墩的桩基托换方案为地面临时支顶+洞内托换。

区间右线穿越狮岭公园人行天桥①号桥墩处，下方矿山法隧道初期支护外扩，同时增加一层二次衬砌作为天桥桩基的永久支撑结构。矿山法隧道初期支护仅作为隧道开挖阶段的临时结构承受隧道围岩压力及地面荷载；桩基截断后直接支撑在二次衬砌上，二次衬砌作为永久结构承受隧道围岩压力、地面上部荷载及桩基产生的附加荷载；盾构空推后拼装管片（三次衬砌）承受地铁运营荷载及作为结构的安全储备。

要确保隧道开挖时结构安全，杜绝隧道塌方、控制沉降，对隧道采取超前预注浆加固，开挖时初期支护加强相结合；并加强监测，加大监测频率，提高控制指标。

2.3 处理范围

洞内对桩基两侧YDK10+217.816～+223.816长6 m范围内初期支护、二次衬砌、三次衬砌加强。拱顶超前预注浆各向两端增加1.5 m长度，即注浆加固9 m。地面支撑系统承台施工范围为6.6 m×4.5 m。

3 施工方案

3.1 洞内拱顶预注浆加固、初期支护加强

3.1.1 增加隧道拱顶预注浆加固

注浆加固范围为开挖轮廓线内侧1 m 至外侧2 m，注浆段长度为9 m，上半断面共布孔19个，注浆孔自掌子面沿开挖方向，以隧道中轴为中心呈伞状布置，环向间距1.0 m。隧道拱顶预注浆加固见图4。

图4 隧道拱顶预注浆加固图Fig.4 Pre-grouting reinforcement of tunnel crown

3.1.2 初期支护加强

1）区间右线穿越狮岭公园人行天桥①号桥墩段矿山法隧道位于Ⅴ级围岩中，标准段衬砌断面类型为B型。B型断面（Ⅴ级围岩）初期支护参数见表2。

2）桩基托换段初期支护加强，初砌类型为E型。桩基托换段初期支护参数见表3。

表2 B型断面（Ⅴ级围岩）初期支护参数表Table 2 Parameters of primary support of Type B section in GradeⅤsurrounding rock

表3 桩基托换段初期支护加强参数表Table 3 Parameters of strengthened primary support in underpinning section

通过对比表2和表3可知，桩基托换段矿山法隧道初期支护加强主要体现在初期支护钢架由格栅钢架调整为型钢拱架，同时边墙砂浆锚管、纵向连接筋布置参数也进行了加强。

3.2 地面支顶

区间右线穿越狮岭公园人行天桥①号桥墩处，下方隧道开挖过程中在地面对天桥采取临时支撑措施，临时支撑结构采用φ=609，t=14 mm的钢管撑+型钢梁的形式，钢管撑之间采用L100 mm×100 mm的角钢互相连接形成整体，天桥与型钢梁之间设置4个110吨位的同步薄型自锁式千斤顶，钢管撑底部采用C30钢筋混凝土承台作为基础来承担上部荷载。靠近景田路一侧临时钢管撑下方设一分阶承台，上阶尺寸为1.6 m×4.5 m×0.6 m，下阶尺寸为3.2 m×6.1 m×0.4 m，基础持力层为〈1-1〉素填土；靠近景田路人行道一侧为避开φ150的燃气管（距离1号桥墩约2.3 m），临时钢管撑下方设一矩形承台，承台尺寸为1.6 m×4.5 m×1.0 m，承台下方〈1-1〉素填土采用C20素混凝土换填，基础持力层为〈6-2〉硬塑状砾质黏土。地面钢管撑临时支顶设计见图5。

图5 地面钢管撑临时支顶设计图Fig.5 Temporary steel pipe support for overpass

3.3 洞内二次衬砌、三次衬砌补强

1）增加400 mm厚C35，P10厚模筑混凝土二次衬砌作为天桥桩基的永久支撑结构。桩基托换段隧道断面见图6。

2）盾构空推后桩基托换处ZDK10+200.399～+206.399、YDK10+217.817～+223.817段管片配筋加强，衬砌混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P12。

4 地面临时支撑系统安全性计算

根据狮岭公园人行天桥的竣工图，天桥①号桥墩附近两跨桥梁跨度分别为14.03 m和18.4 m。根据JFGD—2004《公路桥涵设计通用规范》，承载力极限状态：由于地面临时支撑为临时结构，结构重要性系数取1.0；永久荷载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4；混凝土容重取25 kN/m3。

图6 桩基托换段隧道断面图Fig.6 Cross-section of tunnel in underpinning section

4.1 荷载计算

1）临时立柱基础承台承受恒载。①桥面结构自重、桥面顶盖自重、桥面两侧立柱自重、顶盖纵梁自重、桥面装修层自重520.6+158.1+23.4+28.4+36.5=767 kN。②临时钢管撑（含型钢梁）自重为54.83 kN。③基础承台1自重为1.6×4.5×1×25=180 kN。④基础承台2自重为（1.6×4.5×0.6+3.2×6.1×0.4）×25=303.2 kN。

2）临时立柱基础承台承受活载。天桥人行荷载取3.5 kN/m2，则有3.5×4.5×（14.03+18.4）/2/2=127.7 kN。

3）基础承台承受荷载。作用在基础承台底的设计荷载为永久荷载与可变荷载之和，考虑结构重要性系数和荷载分项系数后，计算基础承台1：p设计值=（①+②+③）×1.2+127.7×1.4=1 381 kN；基础承台2：p设计值=（①+②+④）×1.2+127.7×1.4=1 529 kN。

4.2 地基承载力验算

基础承台1下方〈1-1〉素填土采用C20素混凝土换填，基础持力层为〈6-2〉硬塑状砾质黏土，根据详勘资料〈6-2〉地基承载力特征值为280 kPa=280 kN/m2。

则地基强度pλ=1.6×4.5×280=2 016 kN＞1 381 kN，满足要求。

基础承台2下方持力层为〈1-1〉素填土，根据详勘资料〈1-1〉地基承载力特征值为80 kPa=80 kN/m2。

则地基强度pλ=3.2×6.1×80=1 561.6 kN＞1 529 kN，满足要求。

4.3 千斤顶预顶力计算

每个千斤顶的预顶力

N=（520.6+158.1+23.4+28.4+36.5+54.83）×2/4=410.9 kN。

为保证桥梁在千斤顶的预顶力作用下不发生向上的位移，取每个千斤顶的最大预顶力为400 kN，施工时千斤顶的预顶力须分5级逐步加载，严禁一次性加载。

4.4 临时钢管撑刚度、强度及稳定性验算

临时钢管撑采用φ609，t=14 mm的钢管撑，钢管撑长度约为4.62 m，钢管撑最大轴力设计值N=（（520.6+158.1+23.4+28.4+36.5+54.83）×1.2+127.7×1.4）/2=582.5 kN。

经验算，刚度、强度、稳定性均满足要求。

5 施工方法

5.1 施工工艺流程

1）矿山法隧道穿越桩基施工流程。进行基础承台处土方开挖及基坑支护—承台范围内地下管线进行钢筋混凝土包封保护—施工基础承台—绑扎承台钢筋—浇筑承台混凝土—架设临时支撑结构—下方隧道开挖—施工初期支护—截桩—施工二次衬砌—拆除地面临时支撑结构—路面恢复。

2）盾构空推穿越桩基施工流程。截桩—施工二次衬砌—施工混凝土盾构导台—拼装管片—管片背后填充豆砾石及回填注浆—二次注浆。

5.2 主要施工方法

5.2.1 地面支顶

1）隧道开挖面距天桥桩基10 m时，对天桥进行地面临时支撑。

2）施工地面临时支撑承台前，对基础下方管线采取钢筋混凝土包封进行保护。

3）为保证新建地面承台1下方土体具有足够的承载力，施工承台前将承台范围内素填土采用C20素混凝土换填。

4）上下双拼工45C型钢梁之间及型钢梁与钢管撑之间均采用焊接连接，焊缝高度不小于10 mm。

5）千斤顶采用110吨位的同步薄型自锁式千斤顶，千斤顶与桥梁底部须用钢楔块楔紧；千斤顶的最大预顶力设为400 kN，分5级进行加载。

6）施工期间对桥梁变形及1号桥墩处桩基及地层沉降情况进行实时监测，根据监测结果及时调整千斤顶的顶升高度及顶力，确保1号桥墩及桩基沉降小于10 mm。

钢管撑地面支顶现场照片见图7。

图7 钢管撑地面支顶现场照片Fig.7 Steel pipe support for overpass

5.2.2 拱顶预注浆加固

1）隧道开挖掌子面距离加固范围5 m时就开始对加固区进行加固，5 m作为注浆止浆墙，注浆加固范围为开挖轮廓线内侧1 m至外侧2 m，至地层强度达到设计值后，方可进行隧道的开挖。

2）注浆段长度为9 m，上半断面共布孔19个，注浆孔自掌子面沿开挖方向，以隧道中轴为中心呈伞状布置，环向间距为1.0 m。

3）浆液理论扩散半径为1 m，孔底间距不大于1.5 m，开孔直径不小于φ110 mm，终孔直径不小于φ90 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm的热轧无缝钢管，管长3 m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施，注浆工艺采用WSS二重管深孔注浆。

4）钻孔和注浆顺序由内向外，同一圈孔间隔施工。注浆形式采用后退式注浆，岩层破碎带容易造成坍孔时，采用前进式注浆。

5）注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，双液配比C∶S（体积比）=1∶1，注浆压力初拟为0.3～2 MPa。

6）单孔注浆压力达到设计终压并继续注浆10 min以上，可结束本孔注浆，单孔注浆量与设计注浆量基本相同。

隧道拱顶预注浆效果现场照片见图8。

图8 隧道拱顶预注浆效果现场照片Fig.8 Effect of pre-grouting reinforcement of tunnel crown

5.2.3 隧道开挖初期支护

1）隧道施工严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的方针，充分利用“时空效应”原理进行施工。

2）施工流程：小导管超前支护—上台阶开挖，留核心土—上台阶钢架架立、挂网、连接筋施工，喷射混凝土，锁脚锚管施工—开挖上断面核心土和下断面桩下土体开挖—下台阶钢架架立、挂网、连接筋施工，喷射混凝土。

3）桩基托换处隧道采用正台阶法施工，隧道开挖时桩基位置预留核心土，以便更好地控制桩基的沉降。

4）桩基托换处隧道开挖采用机械辅助人工开挖，减小振动，并应严格控制超挖。

5）隧道开挖每0.5 m一个循环，初期支护钢架须与既有桩基有效连接，初期支护背后须预埋注浆管。

隧道开挖初期支护现场照片见图9。

图9 隧道开挖初期支护现场照片Fig.9 Tunnel excavation and primary support

5.2.4 截桩

托换施工工艺流程见图10。

图10 托换施工工艺流程图Fig.10 Flowchart of underpinning

截桩为2根φ800钻孔灌注桩，桩长17.2 m，桩底部分素桩长4.2 m，截桩长度为侵入隧道部分分别是3.37 m和3.97 m。此段初期支护全部施工完成，且喷射混凝土强度达到设计值100%时方可进行截桩处理，由于侵入隧道的桩基为素桩，所以截桩较为容易，人工持风镐由上至下分层破除侵入隧道的桩基混凝土，注意只破除至隧道初期支护内轮廓线即可，严禁超挖。

在桩底下部向上钻孔植入φ22“L”型钢筋，一端锚入桩基35D 即770 mm，另一端预留15D（长330 mm）待与二次衬砌钢筋有效焊接，植筋环向间距为200 mm。截桩节点处理大样图见图11。

5.2.5 洞内二次衬砌施工

1）截桩完成后，及时施工二次衬砌钢筋混凝土结构。隧道断面较小，长度短，不使用模板台车施工，仅采用自制型钢骨架+组合钢模模板支撑体系，二次衬砌支架体系及混凝土浇筑后照片见图12。混凝土采用商品混凝土，混凝土输送泵入模，插入式振捣器捣固密实。

2）泵送混凝土时，用砂浆润滑管路，并检查管路的接头密封是否良好。

3）混凝土衬砌采用先浇筑仰拱而后进行墙、拱衬砌分2次施工，灌注时分层由低向高对称进行。

4）沿拱部预留φ42检查孔，纵向检查孔间距1 m，灌注时用锥形铁棒塞孔，待混凝土终凝前拔出，后期此孔作为回填注浆使用。

5）二次衬砌封闭成环且混凝土强度达到设计强度后，将地面支撑系统进行卸载、拆除。

图11 截桩节点处理大样图Fig.11 Details of treatment of pile that stretches into the tunnel

图12 二次衬砌支架体系及混凝土浇筑后照片Fig.12 Formwork support system and completed tunnel lining

5.2.6 洞内三次衬砌补强

1）二次衬砌施工完成后，组织施工混凝土盾构导台，盾构空推时，拼装加强管片。

2）管片背后填充豆砾石及回填注浆。

3）桩基托换前后10 m范围内，盾构管片必须进行二次注浆，保证管片与加强二次衬砌之间浇筑密实。

6 安全风险控制

6.1 施工监控量测

洞外钢管撑支顶、洞内拱顶预注浆加固、隧道开挖支护、桩基截断是风险性、技术性很高的工作，施工监测是工程实施的重要环节。隧道穿越桩基施工期间加大了监测频率，提高了控制指标。隧道断面洞内、洞外测点布置示意图见图13。桩基托换段监控量测项目见表4。

监测结果表明，变形均小于允许值，隧道结构本身及天桥结构安全，其中天桥桩基沉降量为7 mm，小于允许值10 mm。

图13 隧道断面洞内、洞外测点布置示意图Fig.13 Layout ofmonitoring points inside and outside tunnel

6.2 其他控制措施

1）规范施工、科学管理是桩基托换安全施工的根本保障，严格按既定的施工方案、施工流程组织施工。

2）保证地基持力层和隧道地层要有足够的安全度，承台软弱地基素填土采用素混凝土换填，隧道洞内增加拱顶预注浆加固，增强围岩及土体的整体稳定性及承载力。

表4 桩基托换段监控量测项目表Table 4 Monitoring items of underpinning section

图14 人行天桥桩基沉降曲线图（2013年）Fig.14 Settlement of pile foundation of overpass in 2013

3）成立应急救援机构，制定应急预案，有效形成信息动态共享，设计、监测动态指导施工的良性循环。

7 结论与体会

该地铁盾构隧道穿越人行天桥桩基综合处理技术，不仅顺利穿越了桩基，而且保证了人行天桥安全和地铁隧道的正常建设和使用。施工期间监控量测表明，天桥、地面、隧道等变形均在规范允许范围以内，充分说明该技术是成功的、可靠的。对于地铁盾构区间隧道采用矿山法施工或纯矿山法隧道施工时，遇桥梁桩基的处理具有指导及参考价值。存在的缺点是工人必须进入隧道内进行桩基截断、托换等人工处理，如何实现机械化处理或盾构法施工掘进机处理是下一步研究改进的方向。

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