软土地区桩基施工对紧邻运营地铁隧道的位移控制

张 戈

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)



软土地区桩基施工对紧邻运营地铁隧道的位移控制

张 戈

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

基于杭州某紧邻隧道的两期桥桩试桩的监测数据，分析软土地区大直径钻孔灌注桩施工对紧邻运营地铁隧道的影响及其位移控制对策。对于深厚淤泥质软土地层，钻孔灌注桩施工对周边土体影响范围较大。钻孔灌注桩施工时，设置钢套筒是控制临近地铁隧道变形的有效措施，但钢套筒拔除后，其对隧道的“工后”影响较大。对于该类地层，距离隧道10.0 m以内的钻孔灌注桩施工宜保留钢套筒。结果表明，采取优化钢套筒的壁厚与长度及下压速度、控制桩基施工时间、合理组织群桩施工顺序、设置泄压孔等，均为控制紧邻隧道变形的有效措施。 关键词 城市轨道交通；软土地区；钻孔灌注桩；紧邻地铁隧道；位移控制

随着城市立体交通网络的逐步建设，在临近运营地铁区间隧道施建人行天桥、市政桥梁的工程项目越来越多。在软土地区，紧邻运营地铁隧道的大直径钻孔灌注桩施工，由于对其周边土体的扰动，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，该变形发展到一定程度时将严重影响地铁隧道运营，带来严重的安全隐患。

笔者以杭州地铁某段运营区间隧道侧的一高架桥梁试桩工程为例，分析探讨软土地区大直径钻孔灌注桩基施工对紧邻运营地铁隧道的影响，并提出运营隧道位移控制对策。

1 工程概况

杭州某道路提升改造工程，原计划沿既有道路新建高架快速路，该高架桥梁局部与杭州地铁某段运营区间隧道在平面上大致重合，从而导致大量的高架桥桩需设置在该段区间的临侧。

原工程设计方案中高架桥桩均为钻孔灌注桩，桩基桩径1.5 m，桩基进入中风化岩砂岩约4.5 m，桩长超过60.0 m。据统计，原设计方案中距运营地铁隧道最小净距L<3.0 m的桩基有10根(最小净距2.5 m)，3 m≤L<5 m的桩基有67根，5 m≤L<10 m的桩基有38根。

该工程地质条件复杂，场地土层从上至下依次为素填土、粉质黏土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂、圆砾和砂岩等。场地内存在大厚度的流塑状、高压缩性、高含水率的淤泥质粉质黏土层(见表1中的②、③层土)。为保障运营地铁隧道的安全，在正式桩基施工前进行两次工程试桩，试桩桩基均临近运营地铁隧道上行线，以检验分析桥桩施工对紧邻隧道的影响，并为下一步桩基施工的全面开展提供各项技术支撑。

表1 地层物理力学性质参数

图2 试桩平面及监测测点平面布置

2 前期2次试桩结果分析

2.1 试桩期间隧道监测数据统计

第1次试桩工程试桩数量为4根，其中有3根桩(1#、2#、4#号桩)对应隧道同一断面位置，第2次试桩根数为1根。二次试桩成桩过程均采用了钢套筒，钢套筒进入圆砾层。试桩桩基与隧道位置关系见图1。

图1 试桩桩基与隧道位置关系剖面

第1次试桩期间，在试桩影响范围的临近隧道布设了9个静力水准仪监测点、9个整体水平位移监测点、9个水平收敛监测点，均采用自动化监测，测点布置如图2所示。第2次试桩类同图2，但加大了监测范围，每条隧道共布设了22个自动化监测断面。二次试桩的基本情况详见表2、3。

表3说明：①深层土体位移，设置在距离桩5.0 m位置；②隧道水平位移、深 层 土 体 位 移：“+值”为 靠 近桩基，“-值”为远离桩基；③沉降：“-值”为下沉，“+值”为隆起；④收敛：“-值”为收敛，“+值”为扩张，监测数据均为桩基施工期间的隧道变形；⑤表中“套管拔除情况”一项中“未拔除”是指在施工过程中原计划将套管拔除，但由于未控制好拔套管时机，钢套管未能完全拔除，如2#、3#桩基。

表2 2次试桩桩基情况统计

注：表中的净距L为桩基结构边线与上行线隧道结构边线的最小净距。

表3 试桩施工期间隧道监测数据统计

由表3监测数据可以看出，第1、2次试桩成桩期间对临近隧道的影响均较小，隧道水平位移、沉降、收敛均小于5.0 mm。第2次试桩成桩期间的隧道位移值均小于第1次试桩。隧道竖向位移表现部分段为下沉，部分段隆起，水平向表现为隧道背向桩基发生位移。

2.2 成桩期间套管拔除隧道监测情况

以1号桩为例阐述套管拔除时隧道竖向位移情况。钢套筒拔除施工期间隧道监测数据如图3、表4所示。由监测图表可知，成桩阶段采用钢套管可在很大程度减少成孔阶段对隧道的影响。

图3 上行线隧道施工时段竖向位移监测曲线

但后期在浇筑砼阶段拔除套管时，由于浇筑砼对孔侧壁的挤压，导致临近土体水压变为超孔隙水压，可在短时间内引起隧道上浮、背离桩基的水平移动。混凝土浇筑完成之后，随着土体超空隙水压的消散，隧道有逐渐下沉的趋势。

表4 钢套筒拔除施工期间隧道监测数据统计

注：以上监测数据均为上行线隧道。

2.3 试桩完成后隧道工后沉降情况

为了观测第1次试桩对隧道的“工后”影响，在第1根试桩完成后的6个月(2012年8月—2013年1月)，对该段区间进行了多次运营监测，运营监测数据如图4所示。据监测数据反映，紧邻试桩工程的运营隧道区间上、下行线均出现了一定程度的沉降，且沉降槽所对应的里程恰为桩基施工影响区域。

通过监测数据可以看出，一期试桩由于成桩时间长、部分桩钢套管拔除等因素，其施工过程中对隧道的影响较小，但工后影响较大。图4中上、下行线均在一期试桩位置出现了明显的沉降槽，上行线累计最大沉降达20.0 mm。

第2次试桩的基本参数及施工期间的监测数据如表2、3所示。此次试桩由于对施工参数的优化，采取了减少成桩时间、保留钢套筒等措施，其工后影 响 相 比一期试桩要小得多。试桩完成后的3个月内(2013年9月—2013年11月)，对桩基影响区域范围的隧道进行持续监测。监测数据显示，上行线隧道变形较小，截至2013年11月，上行线隧道最大累计沉降为+0.4～+1.80 mm，水平位移累计变形为-2.3～-4.8 mm，隧道水平收敛-1.1～+0.7 mm。

图4 上、下行线隧道道床沿里程分布曲线

3 变形控制对策

从一、二期试桩的监测数据可以看出，此次试桩施工均对紧邻的盾构隧道产生了不同程度的影响，且影响范围较大，涵盖达120 m左右。监测数据显示，2次试桩由于钢套管的设置，在成桩过程中对运营隧道的影响相对较小。

但在桩基施工完成后，混凝土在浇筑过程中对周围土体产生了一定的扰动，土体受到扰动后破坏了其原有的平衡性，土体再固结所需要的时间较长，淤泥质土的蠕变性和高压缩性会导致隧道不断发生沉降趋势。因此，桩基施工导致隧道的工后沉降不容忽视。特别是在软土地区，紧邻运营盾构隧道进行桩基施工，对隧道影响较大，存在较大的安全风险隐患，需采取科学合理的工程技术措施以保证地铁隧道的安全运营，主要有如下措施。

3.1 桥桩退后

采用三维有限元软件plaxis模拟与隧道不同距离的桩基在施工过程中对既有隧道的影响。计算模型中的桩基直径、桩长、土层及地铁隧道均按照第2节中试桩数据选取，计算模型中未考虑钢套筒的设置，考虑了桩基钻孔及回筑的过程。

土体选取HS模型，即Hardening-Soil模型(各向同性硬化塑性模型)，弹性模量取压缩模量的3～5倍。

选取桩基距离隧道的水平净距分别为2.5、5.0、7.5 m 3个不同工况进行对比分析，隧道水平和竖直变形如表5所示，计算模型见图5。

表5 与隧道不同水平净距的桩基施工对紧邻隧道的影响

图5 桩基施工对隧道影响的三维计算模型

由于以上计算模型未模拟桩基施工过程中的钢套筒的设置及工后沉降工况，该有限元数值计算结果较一期试桩期间的实测数据偏大，而相比一期工后沉降的实测数据要偏小。

由此可见，钢套筒的设置对桩基施工期间隧道变形控制效应明显。在其他条件均相同的情况下，桩基对隧道的影响与两者的水平净距大致呈线性递减关系。为减少工程桩对隧道的影响，宜尽可能增大两者的水平净距。

3.2 减小桩径

不同直径的桩基施工对周边环境的影响不同。当桩径较大时，其在成孔及浇筑阶段对周边土体的扰动相应增大，进而对隧道的影响增大。

对于存在有大厚度的淤泥质黏土地层，在受到扰动后需要有长时间的固结沉降，大直径的桩基对隧道的工后沉降尤显得不利。因此，建议在满足桩基承载力的前提下适当减小桩径。

3.3 成桩过程钢套筒的设置

钢套管起到了分离套管内外土体的作用，在套管内进行取土与混凝土灌注施工时对套管外土体产生的影响较小，故此过程对临近套管的既有建筑设施影响很小。同时，钢套管还起到了防止钻孔灌注桩孔壁坍塌的作用[6-8]。

钢套管在旋压过程中由于套管壁厚的存在，会产生闭塞效应造成土体的膨胀，因此壁厚的确定是施工中的重要参数。对于存在有深厚软土地层，距离隧道10 m以内的桩基其钢套筒均不应拔除。

第一期试桩工程在打桩施工后期进行套管拔除时，于短期内对隧道造成不利影响，隧道变形值甚至接近报警值；第二期试桩工程未进行拔除施工，地铁隧道的变形未发生明显变化，说明套管的拔除会对隧道周边土体产生较大扰动。

3.4 选择合理的成桩工艺

临近运营盾构隧道桩基施工时，应选择合理钻机、成桩工序，并采用优质泥浆等[9-12]。根据工程特点，临近隧道的钻孔灌注桩施工不得选用冲、振等工法，在实施过程中不得进行爆破作业以及大量抽取地下水。施工应选用设置有合适刀排的合金钻头；保径装置亦采用合金材料，并牢固焊接。

桩的不同施工顺序对盾构隧道的影响主要体现在先施工的桩具有遮帘作用，迎桩面的挤土位移较背桩面挤土位移要大。

因此，对于沿隧道横向的排桩，建议打桩顺序为先打靠近隧道的桩基作为遮拦结构，待其基本满足强度要求后，再在远离隧道的方向缓慢打桩以使超孔隙水压力及时部分消散。对于沿盾构隧道纵向的排桩，建议采用先中间后两边的施工顺序。对于沿隧道两侧对称分布的桩，建议同步进行打桩施工，有利于降低隧道弯矩变化率。

群桩施工时建议按照图6的施工工序实施(图中数字均为施工次序)。

图6 紧邻隧道侧群桩施工顺序示意

3.5 成桩时间

第一次成孔深度应高于深护筒设计底标高20 cm为宜。套管安置到位后，钻孔灌注前需要对桩机进行水平调整，以确保钻孔顺利。钻进时钻速不宜太快，转速宜控制在50～80 r/min。

桩基施工时，泥浆比重宜控制在1.2～1.3，保证成孔不坍塌、不缩径、成孔顺利、携带孔底钻渣。为了保证成孔质量与安全，二次钻孔开始至成桩时间严格控制在8 h以内。

套管下压到岩层的速度缓慢会导致周边土体受到较大扰动，建议尽量缩短套管下压的时间，从开始打桩施工到混凝土浇筑，应尽快完成，同时应加强对混凝土的浇筑速度和冲击力的控制，以减小对地铁隧道周边的土体扰动[8]。

上述工程项目第一次试桩由于工序组织不合理、入岩深度较深等各类因素，导致桩基施工时间较长，这也是导致隧道工后沉降较大的原因之一。

3.6 打设泄压孔

针对压套筒可能会导致隧道收敛变形比较大的情况，通过在压套筒的桩位和隧道附近打设泄压孔来降低隧道承受的土压力。可根据桩的分布情况确定泄压孔数量(数量应适度，过多则对隧道构成不利影响)。泄压孔直径建议为15 cm，深度到隧道底标高位置。泄压孔完成后，随着孔隙水压力的消散和土压力的降低，隧道的收敛变形逐渐回落。

根据相关工程类似经验表明，打设泄压孔后，隧道的收敛变形逐渐回落，在7 d时间内回落稳定，回落量为最大值的60%。此外，还应注意泄压孔需根据钢套管的下压伴随进行，泄压孔完成后必须压浆回填密实。

4 结论

通过分析软土地区紧邻运营隧道的钻孔灌注桩试桩工程监测数据，得出主要结论如下：

1) 对于软土地区临近隧道侧的钻孔灌注桩施工，采用钢套筒是控制临近地铁隧道变形的有效措施，但钢套筒拔除后其对紧邻隧道的“工后”影响较大，且影响区域范围较大。对于该类地层，距离隧道10 m以内的钻孔灌注桩施工宜保留钢套筒。

2) 钢套管下压到岩层的速度缓慢会导致周边土体受到较大扰动。建议施工时尽量缩短套管下压的时间，从开始打桩施工到混凝土浇筑，宜尽快完成。同时应加强对混凝土的浇筑速度和冲击力的控制，以减小地铁隧道周边的土体扰动。单根桩基施工时间宜控制在5 d之内。

3) 对于存在有深厚淤泥质地层的场地，可通过减少桩径、增大桩基与隧道的净距来降低桩基施工对运营隧道的影响。

4) 群桩施工时可以通过合理组织桩基施工顺序、设置泄压孔等来减少桩基施工对运营隧道的影响。

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(编辑：郝京红)

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

张戈，男，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通结构设计、岩土工程科研工作,zhang11ge@163.com

U455.43

A

1672-6073(2016)06-0093-06