地铁隧道侧穿桥梁桩基工程注浆加固控制及监测管理研究*

杨 磊 朱富丽 张 浩

(1.河南信息统计职业学院建筑工程系， 450008， 郑州； 2.河南牧业经济学院信息化办公室， 450044， 郑州；3.郑州大学土木工程学院， 450001， 郑州∥第一作者， 副教授)

城市轨道交通线路不可避免地穿越或邻近既有市政建筑物。特别是在周边环境与地质条件等复杂的情况下，地上结构荷载传递到既有桩基，加之施工引起的周围地层应力扰动，极易诱发洞周收敛、拱顶沉陷、桩基偏斜或弯曲等稳定与安全问题[1-2]。这应当在城市轨道交通施工与监测过程中引起足够的重视。

文献[3]采用离心机开展了隧道邻近桩基施工的模型试验，分析了隧道开挖导致的地层变形与临近地表沉降规律；文献[4]依托北京地铁下穿花园桥的工程实践，通过数值模拟方法分析了PBA(洞桩)法引起的围岩及上部桥梁结构变形特性；文献[5]基于地铁换乘通道穿越桥梁的工序，采用数值仿真技术研究了下穿作业的时空效应，探讨了超前小导管技术在CRD(双侧壁导坑)法施工中的加固效果；文献[6]以青岛M3号线下穿河流段桥梁为工程背景，提出了“复合锚杆桩+超前注浆”的联合加固措施；文献[7]分析了不同桩基加固措施影响下盾构区间下穿桥梁的地表沉降及变形特征，研究了上部荷载、施工方法与支护参数等因素与桩身挠曲变形间的相互关系。

目前，对于城市地铁下穿桥梁结构施工和变形控制的相关研究已有较多应用案例，其中复杂地质环境下地铁隧道近距离侧穿桥梁结构的加固控制更为困难，因此必须重视加强保护措施与监测管理[8]。在总结现有工程经验基础上，本文以北京某地铁近距离侧穿城市核心区桥梁桩基工程为依托，综合考虑该桥梁的结构型式和水文地质条件，提出“桥梁桩基注浆加固+掌子面深孔注浆”的辅助施工方案。经数值分析及现场监测效果验证，确保桥梁结构及其侧穿施工的安全状态，为城市复杂地质环境下地铁隧道近距离侧穿桥梁结构的变形控制与施工保护提供借鉴。

1 工程概况

北京某地铁隧道区间位于中心城区两广大街下方，该区间侧穿广安门桥区段(见图1)的总长度约320 m，侧穿区段隧道埋深约10.6～11.3 m，采用单洞马蹄形断面型式，高度为6.0～6.4 m、跨度为5.7～5.9 m。隧道侧穿主桥基础为桩基，桩顶标高为47.0～49.8 m，桩长约19.0 m。

为了避免对上方桥梁产生过大的影响，采取地面深孔注浆及洞内超前注浆加固的措施确保施工的顺利进行。由于桥梁结构的稳定程度、隧道与桥梁桩基的距离、局部地质条件等的差异，不同侧穿部位采用的注浆方案、施工工艺及参数有一定差别。

以隧道在K3+105处近距离侧穿的广安门西异形板桥桩基为研究对象。该桥梁为三跨预应力连续异形板结构，桩底高程为30.6 m。其中，地铁隧道侧穿西异形板桥区段距桩基的最近距离仅4.0 m，变形敏感性较高，施工安全控制等级亦较高。

侧穿区段地层由上至下分别为压实填土、粉质黏土、粉细砂、卵砾石层，属于北京平原常见的层状沉积的地质特征。地铁隧道断面穿越黏性土、砂类土和卵石层，地质状况较为复杂；地下水为孔隙潜水，在隧道底板以上，施工风险较高。广安门西异形板桥地质条件，以及地铁隧道与桥梁桩基的剖面，详见图2。

2 地铁隧道侧穿桥梁桩基的注浆加固技术

通过地层资料可知，隧道拱顶位于软弱黏性土层、底部位于富水粗粒土层；同一断面内黏性土强度低、变形大，而粗粒土胶结和抗剪性能差，受桥梁荷载及施工扰动易引起裂隙扩展及拱顶软弱土层下沉、坍塌。因此，根据地铁隧道侧穿施工对桥梁桩基的影响范围，提出采用多种注浆方法综合控制的辅助措施，从而达到确保桥梁结构稳固与侧穿施工安全的目的。

2.1 地面钻孔注浆加固

为避免后续隧洞内开挖作业使拱顶地层发生过大的扰动，引起土层松动开裂、桥梁桩基差异性沉降，施工进入桥梁桩基区段前，采用桥梁下方地面钻孔注浆的方法对西异形板桥桩基周围土体进行挤密加固，以减小上部地层的变形。桥梁桩基周边地层加固区的平面范围，详见图3。

2.1.1 注浆范围

注浆方式采用地面双重管后退式注浆，常规跟管钻进成孔；设计孔深为19.5 m，孔径为102 mm；采用正方形阵列排布，排距为0.75 m×0.75 m。根据桩基类型，注浆平面范围分为9.0 m×12.0 m与12.0 m×12.0 m两类。

在桩基承台范围或钻探设备无法就位的区域，安置具有特定斜度的注浆管，确保设计范围内的注浆区域均能得到加固，同时防止对现有基桩的损坏。注浆管长度根据点位及斜度确定，不低于3.2 m。

2.1.2 注浆施工及注浆材料

注浆过程严格遵循先外后内、隔孔施作的灌注程序，不得先后进行相邻两孔的注浆；且需先对桥梁桩基外围土体进行加固，待外侧土体区域封闭后再进行内部土体的注浆作业。

注浆采用全孔主动单液浆压灌，凝胶材料选用P.P 32.5火山灰水泥，水灰比选取0.9∶1.0，扩散半径为0.6 m，有效注浆段长19.0 m。桥梁桩基外围地层的注浆终压为900 kPa，内侧地层的注浆终压为1 950 kPa。注浆完成后，根据取芯验证结果，对不符合加固要求的区域进行多次补充注浆。

2.2 掌子面超前深孔注浆

为增强周围土层的强度，防止掌子面作业导致的剧烈变形与突涌水风险，通过洞内超前预注浆对拱顶的软弱黏土层及拱腰的富水砂层进行控制。

2.2.1 注浆范围

考虑到隧道拱顶的软弱土层及拱腰处富含界面水，确定加固范围如下：

1) 对隧道拱顶外轮廓1.25 m范围内土体进行注浆，以形成壁后注浆带。注浆范围为拱顶中线两侧各75°环向区域。

2) 对隧道拱腰外轮廓1.25 m范围内土体进行注浆，以形成封闭止水带。注浆部位为拱腰中线19°～44°范围，两侧对称环向设置。

3) 隧道拱顶及拱腰位置的注浆管端部均设置于初衬内部0.4～0.6 m范围内。注浆管长度为20 m，拱顶注浆孔环距为600 mm、拱腰注浆孔环距为750 mm。

2.2.2 注浆施工及注浆材料

1) 为了确保注浆施工不影响地下管线及桥梁桩基的安全，对于隧洞内顶部的超前深孔注浆，采用渗透性良好的超细水泥浆液进行预加固。设计注浆终压不超过2.2 MPa，并根据实际钻遇地层性状及渗透性能及时调整。

2) 对于隧洞内拱腰部位的深孔注浆，压注磷酸盐与水玻璃进行快速封闭，以避免浆液流失；并在满足预期止水效果后，灌注超细水泥浆液对其进行加固。设计浆液扩散半径为0.6 m，注浆终压控制在1.2～1.6 MPa，确保浆液固结后不收缩。

2.3 初支背后补偿注浆

掌子面超前深孔注浆完成，且隧道开挖结束后，对不同地层界面与隧底等易渗水部位，视加固情况进行后期补偿注浆，以预防或减轻裂隙水发育并提升支护强度。

隧道内的局部补偿注浆采用小导管注浆技术，小导管间排距采用0.9 m×0.9 m梅花形布置。注入材料选用硬化时间易调整的水泥-水玻璃双液浆，浆液强度及固结时间根据现场实际情况测定。为确保隧道和桥梁桩基的安全稳定，达到拱腰和拱底围岩的加固止水效果，注浆压力根据现场试验及钻孔取样测试选定为1.5～2.5 MPa。

3 地铁隧道侧穿桥梁桩基数值模拟分析

通过数值仿真技术开展邻近桩基的地铁隧道侧穿桥梁结构施工模拟，研究不良地质条件下地铁隧道侧穿桥梁桩基的注浆控制效果，分析桥梁下方地表土层及隧道结构的变形特征。

3.1 计算模型

以地铁隧道侧穿西异形板桥桩基工程为研究对象，建立三维仿真模型，其中隧道结构、桥梁桩基及承台均采用实体模型。计算过程中，隧道结构采用弹性本构模型，桩周土体采用摩尔-库仑模型；注浆体被视为隧道衬砌外的环状加固区，并在该加固区施加环向的膨胀力模拟注浆对地层的挤密效应。

模型中地层及注浆区力学参数，详见表1。

表1 模型地层及注浆体物理力学参数

3.2 隧道结构变形分析

隧道围岩及支护结构的变形是判断其施工能否可靠通过的直观表现[9]。地铁隧道侧穿完成后桥梁中线下方围岩及衬砌的竖向位移分布，详见图4。

为防止左、右两线隧道同时施工导致拱顶围岩发生变形叠加，采用左线隧道先行施工的作业程序。由图4可见，左、右两线隧道侧穿桥梁桩基并通过后，围岩及支护结构的变形表现为总体对称的特征；拱顶沉降量大于其他部位的位移量，左线和右线拱顶的最大变形分别为7.1 mm、7.7 mm。由此可见，后开挖隧道支护结构的变形稍大于先开挖隧道。

3.3 地表土层变形分析

地铁隧道侧穿掘进完成后，西异形板桥下方对应位置的地表沉降，如图5所示。由图5可见：

1) 由于注浆膨胀应力的作用，地表变形总体表现为左、右双线隧道拱顶部位的轻微抬升。其中，先行施工的左线隧道上方土体最大隆起仅4.3 mm，隆起不明显。此后右线隧道的注浆与掘进引发地表竖向变形叠加，右线隧道拱顶处对应的最大地表隆起达到4.8 mm，比左线隧道大约11.6%。由此说明，先开挖的隧道受注浆膨胀效应的作用略小于后开挖的隧道。

2) 地表变形宽度约为其注浆加固区宽度的3倍，隆起最大的位置处于左、右两线隧道拱顶的正上方，使桥梁下方地表土层呈现“M”型的抬升形态；超前注浆引起的地层变形将导致桥梁桩基发生相应的协调变形，直接表现为不同基桩随地层发生不同程度的抬升，引起桥梁面层结构出现挠曲现象。

3) 地表变形量总体较小，左、右两线隧道拱顶最大变形不超过控制预警标准(20 mm)的25%；相邻桩基的沉降差值约0.9 mm，倾斜值约0.18‰，符合规范对桥梁结构变形的相关规定(0.3‰)。由此表明，通过“桥梁桩基钻孔注浆+掌子面超前深孔注浆+初支背后补偿注浆”的协同治理措施，可以较好地解决软弱土层的差异性沉降问题。

4 地铁隧道侧穿桥梁桩基现场监测管理

4.1 现场监测管理技术

地铁隧道区间侧穿桥梁桩基施工的风险控制必须着眼于现场的风险监控与管理，即通过一定的监控手段将施工过程的风险信息进行动态反馈与调整[10]。

地铁隧道区间侧穿的桥梁属于繁忙的市中心交通干道，施工过程中不能封闭交通，因此，不适合选择人工监测的方法进行桥梁稳定的系统监测。为了获取现场的有效作业记录，选择在穿越重点部位进行自动化监测，以便将采集的数据反馈至现场指导施工，尽早分析预兆、解除事故。侧穿桥梁桩基施工期间，在桥梁承台部位设置了沉降和倾斜监测点，如图6所示。

侧穿区段施工前即开始对各监测点进行观测，通过对前期试验段施工参数及监测资料的系统分析，获得各项注浆参数指标，并根据监控量测结果加以分析和反馈，以指导和修正现场施工。此外，地铁隧道侧穿掘进过程中，通过桥梁桩基的沉降、倾斜等数据，可直接判断隧道加固设计方案的有效性。

4.2 监测管理效果分析

桥梁承台典型测点部分时段的沉降时程曲线，如图7所示。由图7可见：

1) 掌子面深孔注浆前，承台显示出轻微下沉与抬升并存的变形特征，且变形量极小；左线隧道注浆开始之后，靠近该隧道的部分监测点(JC02和JC03)瞬时发生较大的波动，表现出以陡升为关键特征的位移，最大瞬时抬升量达到4.3 mm；右线隧道注浆开始之后，临近监测点(JC06和JC07)表现为低幅的局部抬升，短期变化程度低于左线隧道，且深孔注浆完成后，大部分测点抬升量略有降低。

2) 桥梁沉降主要发生在深孔注浆开始后的3 d内，其后沉降变形上下轻微浮动并逐渐趋于稳定，可见深孔注浆是导致地层抬升的关键因素。正式注浆实施时，地表隆起速率和变形量均不大，且现场巡视也未发现异常情况。由此表明，通过监测得到的桥梁变形安全风险可控。

施工穿越前后，广安门西异形板桥主要测点位置的沉降及倾斜程度，如图8所示。由图8可见：

1) 掌子面深孔注浆与侧穿桥梁桩基施工结束后，桥梁桩基在变形特征上呈现出“M”型抬升的特点，桥梁桩基监测点变形峰值位于距地铁隧道左、右线最近的位置。隧道侧穿完成后，各监测点的隆起量较注浆施工阶段有所降低。这是由于浅埋暗挖施工对上部地层产生扰动，出现上部覆土下沉的现象，这与注浆覆土抬升有所抵消，但总体上开挖引起的沉降量不大。拱顶下沉仅2 mm左右，桥梁桩基变形仍以深孔注浆诱发的抬升为主。

2) 穿越施工完成后，西异形板桥各部位累计沉降和倾斜值均较小，未超过规定的控制指标，桥梁结构的变形特点与数值分析结果相似。

5 结论

1) 地铁隧道在不良地质条件下侧穿桥梁桩基施工中，由于隧道结构上部土体荷载传递到既有桩基，加之施工引起的周围地层应力扰动，极易诱发洞周收敛、拱顶沉陷、桩基偏斜等稳定与安全问题。为确保桥梁及隧道侧穿施工的安全状态，综合考虑桥体的结构型式和水文地质条件，提出“桥梁桩基注浆加固与掌子面深孔注浆”等措施的综合控制方案，为复杂地质条件下地铁隧道侧穿桥梁桩基的变形控制与施工保护提供借鉴。

2) 掌子面超前深孔注浆是地铁隧道侧穿桥梁施工的关键控制手段，能够有效防止掌子面作业导致的围岩剧烈变形与突涌水事故。但不良地质区间的高压注浆作业仍可能引起一定程度的地层变形，主要表现为注浆开始之后，靠近左、右两线隧道的区域发生以陡升为关键特征的瞬时位移。这使得桥梁下方地表及桥梁承台呈现出“M”型的抬升特点，以及桥梁基桩发生的相应协调变形，从而引起桥梁面层结构出现轻微挠曲现象，且地表变形宽度约为注浆加固区的3倍。

3) 经数值分析及现场监测效果验证，“桥梁桩基钻孔注浆+掌子面超前深孔注浆+初支背后补偿注浆”等协同保护措施，能够较好地解决软弱土层的不均匀沉降。尽管受注浆膨胀应力作用，地表出现局部的轻微抬升，但桥梁桩基的累计沉降和倾斜值均未超过规定指标。由此表明，施工过程中注浆加固工艺及注浆参数较为合理，施工监测管理及质量控制较为到位。

4) 地铁隧道侧穿桥梁桩基施工时，注浆工艺及注浆参数对地层变形及桩基倾斜影响较大。因此，若要预防和排除地下开挖中可能发生的安全问题，必须着眼于现场的风险监控与管理，即：选择在敏感部位进行自动化监测，通过前期试验段施工参数及监测资料的系统分析，获得各项注浆参数指标；并根据监控量测结果加以分析和反馈，以便将监测资料反馈至现场指导施工，尽早分析预兆、解除事故。