洞桩法对既有桥桩影响分析及施工技术研究

卢彬彬，李现朋

（1、中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308；2、中铁隧道股份有限公司 郑州 450000）

0 引言

随着城市的迅速发展，地铁成为城市建设中不可缺少的部分［1］。在城市中修建地铁将不可避免地下穿或侧穿桥梁等建筑，因此在地铁建设及运营阶段需对桥梁等建筑采取有效的施工及保护措施，避免建筑发生沉降、倾斜甚至开裂，造成重大损失［2］。洞桩法结合盖挖法及暗挖法的特点，可以有效控制地表沉降、并由于施工效率高、结构形式灵活、空间利用率高等优点，在城市地铁中得到广泛的应用［3］。由于洞桩法施工力系转换频繁，因此洞桩法施工对临近桥梁的影响研究极为重要。

针对地铁车站洞桩法施工对临近桥梁的影响，国内外学者展开了多方面的研究。李艺博［4］通过理论分析郑州市洞桩法隧道侧穿高架桥的变形规律，对洞桩法施工方案进行优化。林森等人［5］通过洞桩法施工过程对挖掘空间及桥梁基础之间土体注浆加固，并用有限元模型模拟注浆前后桥梁内力变化情况。张志勇［6］通过数值模拟分析北京地铁16 号线红莲南里站施工对南马连道莲花河跨河桥的影响，并制定合理的施工工序。岳健等人［7］通过数值模拟及现场监测研究洞桩法隧道开挖过程对地下街群桩的影响。赵亮等人［8-10］也进行了类似的研究。

洞桩法的施工过程主要包括4 个阶段：导洞施工阶段、桩柱施工阶段、扣拱施工阶段、主体施工阶段［11］，不同的施工阶段对桥桩产生不同的力学作用。结合广州地铁13 号线某地铁站站下穿既有人行天桥工程，研究洞桩法施工过程人行天桥沉降变形规律，并提出相关保护措施，为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 总体工程概况

广州地铁13号线某地铁站位于东风路下方，仓边路东侧。车站为地下两层岛式车站，采用洞桩法施工。车站上方设置3 条小导洞，小导洞净宽5.4 m，洞内净高度4.8 m，拱顶覆土约12.7 m，位于强风化粉砂质泥岩，局部拱顶分部有较厚的中粗砂层。小导洞拱顶采用小导管或大管棚超前支护。

车站北侧有一处跨东风路人行天桥，天桥长约40 m，主桥为焊接钢箱梁门型钢架，桩基采用φ1 200 mm钻孔桩，长12 m。人行天桥南侧桩基与车站小导洞冲突2 m，且位于车站扣拱拱顶正上方，后期施工风险极大。洞桩法施工工序如图1所示。

图1 施工工序Fig.1 Construction Process

1.2 施工现状

广州地铁13 号线某地铁站设置3 个竖井及横通道，其中1#竖井和横通道紧邻人行天桥，1#竖井采用倒挂井壁法施工，横通道采用暗挖法施工，上2层下3层分部开挖。1#竖井和横通道施工过程中对人行天桥已造成22 mm 沉降，东风路作为广州市快速主干路，此处人行天桥作为仓边路东侧唯一行人通道，影响意义极大。根据广东省标准《城市桥梁隧道结构安全保护技术规范：DBJ∕T 15-213—2021》［12］确定车站暗挖开挖作业对外部桥梁结构的影响等级为特级。在施工车站主体小导洞时，对桥桩进行截桩，并支顶处理，存在极大的安全风险。车站总平面如图2所示。

图2 车站总平面Fig.2 Station Master Plan

2 设计措施

小导洞作为洞桩法边桩的施工空间，在洞桩法施工过程中必须达到小导洞洞通的节点任务。所以在小导洞施工时需截断与人行天桥桥桩冲突的部分，截断2 m 长桥桩后会降低桩基承载力，不可避免地造成桥桩的沉降。

人行天桥现状桥桩南北侧各2 根直径1.2 m 的钻孔桩，桩长12 m，进入中风化岩1 m，桥桩单桩承载力为100 t，即1000 kN。根据《建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008》［13］式⑴计算可得，人行天桥截桩后桩基承载力为823 kN，不满足当初设计的1 000 kN承载力的要求。

式中：R为桩基承载力（kN）；qp为桩基极限端阻力（kPa）；Ap为桩端面积（m2）；up为桩身周长（m）；qsi为桩侧第i层土极限侧阻力（kPa）；lni为桩周第i层土厚度（m）。

因此，设计考虑在南侧应急车道位置增加2 m×5 m承台并进行钢管柱托换，承台下设32 根间距0.5 m×0.5 m、长度约8～10 m 的钢花管桩加固处理。共设计32根钢花管，总的补强承载力特征值为648 kN。经托换加固后补充的与原有桩剩余的承载力合计为：2×823+648=2 294 kN，合计大于原设计承载力（2 根桩）2 000 kN，为此验算整体工况满足承载力要求。车站与桥桩剖面位置关系如图3所示。

图3 车站与人行天桥剖面关系Fig.3 Sectional Relationship between Station and Pedestrian Bridge

岩土工程的三大问题为：强度问题、变形问题和稳定性问题。以上验算仅考虑了强度问题，基于工程的复杂性，对于变形问题和稳定性问题难以进行公式量化的计算，因此在设计之后需要进行定性的手段进行分析工程施工过程中的沉降和稳定性问题。

3 施工技术

人行天桥保护采用微型钢管桩+地层注浆加固+承台支顶的形式，具体施工流程如下：微型钢管桩施工➝地层注浆加固➝混凝土承台施工➝型钢及钢管柱安装。

3.1 微型钢管桩施工

⑴钢管制作焊接：钢管采用φ42 mm 的无缝钢管，按照设计要求确定单节下料长度为2 m，满足桥下限高的作业条件；钢管料提前在施工场地完成加工，运输至施工现场，管节之间采用套管连接牢固。

⑵测量放线：根据设计要求的间距、排距及设计提供的标高进行测量放线。确定钢管桩施工区域，钢管桩300 mm×500 mm矩形布置，进入强风化地层不小于1 m。

⑶人工探孔：使用小型挖机对地面硬化层破除，再由人工采用洛阳铲进行人工探测地下管线情况，取土探孔深度均大于3 m，避免了钻孔作业对周边管线的影响。

⑷钻孔作业：首先钻孔机安放在指定位置，防止倾斜；钻杆抬至钻机旁，按照测量放线钻杆垂直定位，水管与钻杆接在一起，启动钻机与水管，慢慢钻进；每钻进深2 m连接1次钻杆，直至得到设计有效深度。

⑸钢管安装：首先清理桩孔内的虚渣，并将孔内泥浆全部排出，孔底沉渣厚度不得大于50 mm。待孔清洗后在孔内安装预先制作好的钢管，管节之间采用套管连接牢固，钢管露出地面200 mm，便于后续接入注浆管。

3.2 地层注浆加固

微型钢管桩施工完成后，进行地层注浆加固，按照要求现场选用水泥浆作为加固浆液，水泥浆采用专用机械进行拌制，水灰比控制在0.6～1.0 之间；注浆管由注浆机支节接入钢管头的注浆球阀，接口采用丝口连接，注浆管采用橡胶管输送。

由于1 次注浆难以得到冲盈系数要求，现场采用多次间隔注浆3～5 次，注浆压力为0.3～0.5 MPa，以确保地层加固效果。

在注浆过程中，安排专人进行洞内及地表管线变形监测，未发现异常。

3.3 混凝土承台施工

承台基础设置于原路面以上，首先在地面放出承台底标高，按此浇注混凝土垫层，制安承台基础钢筋，承台钢筋安装采用定位架控制钢筋的保护层和钢筋间距。定位架采用3 cm×3 cm 方形钢管制作，通过在定位架上按照设计间距焊接定位卡来控制钢筋的保护层。然后安装模板，模板采用15 mm 竹胶板+10 cm×10 cm 方木组成，模板固定采用φ42 钢管作为竖向肋管及斜撑钢管，每组2根，间距500 mm一组，地面锚固φ32 钢筋提供后缀反力。最后安装预埋钢板，灌注混凝土，完成承台施工。

3.4 型钢及钢管柱安装

⑴型钢构件制安：南侧桥梁底部支顶位置为斜面，为保证支顶钢管支顶体系顺利传力，在梁底设置楔型型钢，地面应平整，实测梁底相关尺寸，计算得知梁底坡度为33%，型钢采用I300 工字钢，按该坡度需下料890 mm 工字钢4 根，将工字钢按对角气割成两半，便可满足坡度要求，随后将割除的工字钢两两进行双拼焊接成1 组，共设置4 组。现场通过临时脚手架，利用叉车将型钢升至梁底，按提前测量放线定位部位与桥梁底部进行满焊。型钢构建制安如图4所示。

图4 型钢构件制安Fig.4 Steel Structure Installation

⑵钢管柱安装：钢管在现场按尺寸下料好后，两端焊接2 cm 钢板，钢管直径为630 mm，壁厚16 mm，焊接钢板直径为650 mm，加工完成后采用随车吊运至现场，平放在地面，在顶部端头钢板上开孔，采用锁扣及钢丝绳作为吊装绳具，依靠5 t叉车调离地面至竖直向下状态，人工辅助放入承台上，顶部进入型钢底部，与型钢紧贴后，进行焊接成整体。承台上采用16 mm膨胀螺栓进行锚固固定钢管。天桥支顶保护效果如图5所示。

图5 天桥支顶保护Fig.5 Overpass Roof Protection

4 洞桩法施工对桥桩的影响分析

本节通过三维有限元计算方法，进行分析洞桩法在不同施工阶段对人行天桥造成的影响，得出定性判断的数据来证明设计措施的合理性。

4.1 计算模型及参数

采用地层-结构模型模拟实际工况，竖井和横通道开挖完毕后将位移清零，截断人行天桥桥桩后进行导洞开挖，导洞贯通后施工边桩，最后进行开挖主体顶部并进行扣拱。

模型中场地地层根据勘察钻孔资料进行适当归并而得，且偏向不利的地层组合状况。地层自上而下依次为：素填土、淤泥质土、中粗砂、粉质黏土、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩等。模型的大小（长×宽×高）为120 m×100 m×40 m。考虑岩土体为半无限体，模型以外不再考虑变形，即设定为固定边界。因此对模型底部约束Z方向位移，模型前后面约束Y方向位移，左右面约束X方向位移。模型顶面考虑地面活动荷载和其他相应荷载，如图6所示。

图6 三维模型Fig.6 Three-dimensional Model

4.2 计算结果分析

根据模型及边界条件进行计算，对计算结果进行分析。图7为车站开挖完毕后对桥桩的位移影响云图。

图7 桥桩沉降Fig.7 Bridge Pile Settlement

根据计算分析，车站在扣拱开挖过程中对人行天桥的影响最大，引起的南侧桥梁桩基最大沉降为-26.040 mm，由于桥梁周边承台桩基础也发生沉降，北侧墩台与南侧墩沉降差为23.840 mm。桥桩沉降计算结果小于沉降设计标准30 mm 的限值，桥桩北侧距离车站拱部边线还有7 m 的水平距离，车站开挖对北侧桥桩影响较小，所以会造成南北侧桥桩差异沉降远大于3 mm的标准的结果。

4.3 地下水位变化影响分析

车站1#竖井及横通道施工过程中造成了地下水位的下降，地下水位下降使得土体有效应力增大，土体产生压缩变形，造成地表及桥桩发生一定量的附加沉降。采用三维模型模拟降水2 m时对桥桩造成的影响，结果如图8所示。

图8 降水对桥桩沉降影响云图Fig.8 Cloud Map of the Influence of Precipitation on Bridge Pile Settlement

地下水位下降2 m 时，人行天桥桥桩基础结构的最大水平位移量为+7.790 mm，最大竖直沉降位移量为-27.407 mm。可见，地下水位下降会对人行天桥桩基础产生一定程度的影响。

5 现场监测数据分析

施工期在地面布置了2 处桥桩监测点和3 处支顶应力监测点。监测点布置如图9所示。

图9 监测点布置Fig.9 Layout of Monitoring Points

施工期间连续对桥梁进行了1.5 个月的监测，直到车站导洞施工完毕，桥梁沉降区域稳定。监测数据如图10 所示。

图10 桥桩监测数据统计Fig.10 Statistical Chart of Bridge Pile Monitoring Data

人行天桥监测数据累计沉降最大的是JC002测点为-7.88 mm，JC001、JC002差异沉降值为-0.01%，支顶应力最大值为42.75 kPa。桥桩沉降数据远小于三维建模计算的26.04 mm，分析原因为本次现场工况为导洞开挖，最不利位置为扣拱工况，该工况尚未发生，从应力计数值分析可知，桥桩在主动沉降过程中，支顶起到了主动顶升的作用，减缓了桥桩沉降的速率。

6 结论

本文针对广州地铁13 号线某车站站洞桩法施工对人行天桥的影响进行分析，得出以下结论：

⑴车站采用洞桩法施工，最不利工况为扣拱开挖时期，经三维计算天桥桥桩最大水平位移为+6.722 mm，最大沉降为-26.040 mm。整体沉降小于控制值30 mm，车站施工过程中不会对天桥造成较大影响。

⑵在车站竖井和横通道施工期间造成了地下水位的下降，不可避免地增加了天桥沉降的速率。鉴于地下水位下降对人行天桥结构产生一定程度的影响，施工时应严格控制靠近人行天桥结构的地下水位的变化，从数值分析结果推断，地下水位下降幅度控制值为不大于2.0 m。同时在靠近人行天桥附近预设一定数量的回灌井。

⑶人行天桥南端的桩基础共设置2根桩，因导洞开挖进行了截桩处理，但因在南端的应急车道上设置了托换的微型桩、承台和钢管柱，经复核计算经托换处理后的桥桩承载力满足要求，从现场监测数据看出，在桥桩沉降的过程中钢管柱起到了主动的顶升作用。

⑷水对洞桩法施工的影响至关重要，施工过程中应严密监视地下水水量和水质，重视地层中残留水及渗漏水的处理，必要时对水的成分进行鉴定，判定水的来源和地层损失情况，发现流砂等不良现象应立即采取有效补救措施。

⑸洞桩法施工工序繁杂，每个施工工序都会对周边环境产生一定影响，本文监测数据仅反应了导洞施工对环境的影响，而扣拱开挖现场并没有进行，因此缺少相应数据支撑。