软弱淤泥质地层暗挖区间桩基托换技术研究及应用

吴春冬，邬 泽，周金录

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

随着城市公共交通压力的增大，在城市中心区修建地铁来改善交通越来越必要。而城市中心区内建筑较为密集，要求线路选线时避开所有的建筑物是不现实的，然而隧道从建筑物下穿通过对建筑物自身的安全威胁也是不容忽视的。尽量减少城市地铁施工对既有建筑的影响己经成为一个引人关注的重要课题。对此，必须根据隧道和建筑物的具体情况，对建筑物采取必要、有效的加固或托换措施，从而保证隧道顺利掘进和建筑物结构安全[1-4]。文章结合深圳地铁10号线一期工程益田停车场出入线区间下穿海关查验楼工程实例，对浅埋暗挖隧道内桩基托换技术进行可靠性分析，以保证隧道施工以及施工过程中隧道上部建筑物的安全，为完善桩基托换技术提供借鉴。

1 工程概况

益田停车场出入线暗挖段隧道总长度82.850m，普通段采用初支+二衬复合式衬砌，下穿福田保税区海关2层查验楼预应力管桩段采用初支+套拱+二衬复合式衬砌，均为标准单线单洞断面。本区间隧道下穿福田保税区海关2层查验楼，查验楼采用400mm直径预应力管桩，部分管桩与隧道冲突，需要截断16根预应力管桩，桩基与隧道平面位置关系如图1所示。暗挖隧道主要穿越淤泥质黏性土、含淤泥质砂、砂卵石层、砂土状强风化花岗岩。

图1 桩基与隧道平面位置关系图

2 工程地质与水文地质

2.1 工程地质

海冲积平原地貌，地形平坦。上覆第四系全新统人工填土，第四系全新统海冲积淤泥、淤泥质黏性土及砂层，第四系全新统冲洪积粉质黏土、砂层及圆砾、卵石层，第四系残积砂质黏性土；下伏燕山期花岗岩。特殊性岩土有填土、软土和风化岩与残积土，全强风化岩中存在不均匀风化现象。各土体物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数表

2.2 水文地质

根据其赋存介质的类型，沿线地下水主要有两种类型：一类是松散岩类孔隙水；另一类为基岩裂隙水，主要赋存于块状强风化、中等风化带中，略具承压性。地温测试结果显示，勘察期间沿线地下水水温29.93～31.93℃。勘察期间测得地下稳定水位埋深1.40～5.90m，高程-1.34～2.35m。根据地区经验，地下水位的年平均变化幅度为0.5～2m。

3 桩基托换方案研究

下穿桩基段对管桩采用洞内套拱托换措施，共托换管桩16根。初支厚度为300mm，托换套拱厚300mm，采用型钢混凝土，二衬厚度为300～350mm。开挖工法均采用台阶+临时仰拱。地表采用旋喷桩止水帷幕+降水+袖阀管注浆，洞内采用水平旋喷内插大管棚+全断面注浆措施后，主动桩基托换原有侵入隧道内桩基。具体加固措施如下：

（1）于矿山法段隧道两侧设置4排地表旋喷桩止水帷幕，两端与车站及盾构井围护结构相连形成隔水围闭，并在隔水围闭内设置降水井，内排旋喷桩隔桩设置微型桩支护。

（2）隧道拱顶180°范围设置双排水平旋喷桩+Φ159大管棚+全断面注浆加固措施。水平旋喷桩及大管棚分别于福田口岸站及盾构接收井向隧道中部对打，一循环15m搭接5m。钻孔过程尽量避开桩基设置，因避让桩基无法设置处，打设双排小导管超前支护并补充超前注浆措施。

（3）加固查验台基础下土层至淤泥质砂层底1m，采用袖阀管注浆，浆液采用水泥浆。

桩基托换施工工序如图2所示，桩基托换钢盘布置如图3所示。

图2 桩基托换工序图

图3 桩基托换钢盘布置图

4 数值计算模拟分析

4.1 计算模型

（1）计算模型。针对矿山法隧道下穿查验台基础施工过程对查验台的影响，通过建立三维有限元模型进行隧道开挖、桩基托换、隧道支护的模拟计算。计算模型在水平方向（x轴）宽度取45m，在竖直方向（y轴）上取35m，纵向取80m。模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面，模型底部设置竖向约束。三维有限元计算模型共划分单元120749个，节点251666个。计算整体模型如图4所示，桩基、承台及隧道衬砌关系模型如图5所示。

图4 整体模型

图5 桩基、承台及隧道衬砌关系模型

计算过程采用大型有限元软件ANSYS进行，均采用实体单元模拟。围岩在开挖过程中考虑其塑性变形，采用Drucker-Prager准则；而桩基础、承台、隧道衬砌仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。

（2）计算参数的选取。根据地质报告提供的参数对土层参数进行综合取值。承台采用C30钢筋混凝土，桩基采用C80钢筋混凝土，隧道衬砌采用C35钢筋混凝土。

（3）计算荷载的施加。模型计算荷载主要包括自重、土压力、上部荷载。自重取重力加速度g=9.8m/s2；上部荷载包括查验台建筑荷载（通过向承台施加荷载实现，按查验台原设计单桩承载力特征值700kN）和地面超载（q=20kPa）。

4.2 计算结果分析

根据不同工况下的计算结果，隧道穿越、桩基托换并完成隧道二衬后，查验台基础最大沉降22.7mm，最大沉降差0.0058m/6m=0.001＜0.002，满足《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）建筑物沉降要求。

5 结束语

文章选择深圳轨道交通10号线益田停车场出入线区间下穿海关查验楼为研究对象，采用大型有限元软件ANSYS建立了主要相关结构的三维有限元模型，对桩基托换进行分析计算，结果表明：隧道穿越、桩基托换并完成隧道二衬后，查验台基础沉降满足规范要求；后期施工过程中，查验台的沉降及变形均在控制范围内，印证了工程采用的加固措施及桩基主动托换方案是合理可行的。