地鐵盾構隧道穿越樁基綜合處理技術

何茂周

（深圳市市政工程總公司，廣東 深圳 518034）

0 引言

在地鐵工程中會遇到大量的建筑設施沖突和干擾，一般采用的方案有2種：一是拆改既有設施，二是對原設施進行托換或加固［1］。當區間隧道與橋樁沖突時，文獻［2-8］介紹了主動托換設計與施工；董圣剛［9］提出了擴大承臺結合鋼管樁托換方案；宋忠進［10］采用了洞外鋼管腳手架支托和洞內截樁相結合的處理方案；李幸發［11］介紹了洞內對樁底預留基巖的處理、橋樁與二次襯砌的連接及截樁等施工方法；張火軍［12］首先搭設臨時支架保護天橋，從地面注漿加固土體，在托換承臺后，人工挖豎井從豎井中鑿除盾構隧道范圍內樁基。但是，類似文獻研究主要集中在如何安全通過，對相關橋的處理、隧道開挖初期支護、二次襯砌等缺乏系統研究。在上述文獻的基礎上，本文著重對處理方案的制定、結構安全性檢算、洞外采取鋼管撐支頂、洞內拱頂預注漿加固、初期支護加強、截樁技術、二次襯砌永久支撐樁基、三次襯砌拼裝加強管片補強等綜合系統關鍵技術進行探索，并通過實際監測數據證明處理技術的可靠性。

1 工程概況

1.1 隧道概述

深圳地鐵9號線香梅站—景田站區間，起點里程為Y（Z）DK9+518.900，終點設計里程為Y（Z）DK10+569.561。隧 道 中 部 ZDK9+706.621 ～ZDK10+301.621長595 m ，YDK9+717.241～YDK10+322.241長605 m采用礦山法施工，盾構空推拼裝管片，其余隧道兩端均是盾構法施工。在YDK10+197.415處設7.0 m×7.0 m豎井1座，由豎井分別向兩端開挖礦山法段隧道。豎井施工照片見圖1。

圖1 豎井施工照片Fig.1 Vertical shaft

1.2 隧道與樁基關系

香梅站—景田站區間在YDK10+221.550處穿越獅嶺公園人行天橋，隧道采用礦山法施工初期支護+盾構空推拼管片通過的組合工法施工。根據《景田路獅嶺公園人行天橋竣工圖》顯示，獅嶺公園人行天橋①號橋墩位置2根樁基已侵入隧道，必須采取樁基托換處理。隧道與天橋樁基平面位置關系見圖2，斷面位置關系見圖3。

獅嶺公園人行天橋上部結構為3跨預應力連續梁，天橋頂蓋為鋼筋混凝土結構，下部結構為鋼筋混凝土圓柱墩，天橋基礎采用φ800鉆孔灌注樁。區間左右線分別正穿天橋號橋墩和①號橋墩，隧道埋深約15.2 m。天橋號橋墩下2根樁基樁長20 m，樁底距離隧道頂約2.3 m，①號橋墩下2根樁基樁長17.2 m，樁基已侵入隧道，侵入長度為3.37 m和3.97 m，樁基配筋段長度為13 m，侵入隧道的為素樁部分，①號橋墩處需要進行樁基托換處理。

圖2 隧道與天橋樁基平面位置關系圖Fig.2 Plan showing relationship between tunnel and existing pile foundations of overpass

圖3 隧道與天橋樁基斷面位置關系圖Fig.3 Profile showing relationship between tunnel and existing pile foundations of overpass

根據計算，①號橋墩單樁承載力為1 154.3 kN。根據天橋樁基竣工圖，推斷該處天橋樁基為端承摩擦樁。

1.3 工程地質水文情況

區間穿越獅嶺公園人行天橋段地層從上至下依次為素填土、硬塑狀礫質黏土、強風化花崗片麻、混合巖、中風化花崗片麻、混合巖、微風化花崗片麻、混合巖，隧道主要穿越地層為強風化花崗片麻、混合巖和中風化花崗片麻、混合巖。勘察期間地下水穩定水位埋深為0.63～3.13 m，標高為13.47～15.97 m。

1.4 周邊環境條件

1.4.1 周邊交通情況

景田路從香景區間豎井施工圍擋至獅嶺公園人行天橋段由雙向兩車道過渡為雙向四車道，1號橋墩處進行樁基托換施工地面臨時支撐結構需占用景田路一個車道，占道后仍可滿足地面交通需求。1.4.2 周邊管線分布情況

見表1。

表1 人行天橋1號橋墩處主要管線表Table 1 Main utility lines at No.1 pier of overpass

2 總體處理原則及思路

2.1 處理原則

1）隧道開挖期間保證臨時支撐地基持力層有足夠的安全度，杜絕隧道塌方、控制沉降，確保地面支撐體系穩定可靠。

2）隧道開挖期間天橋的變形及沉降控制在結構允許范圍之內。

3）在隧道施工完成后，天橋①號橋墩下方樁基仍能提供足夠的承載力保證上部結構的安全。

4）在隧道施工完成后，隧道結構能夠承受隧道圍巖壓力、樁基荷載、地鐵運營荷載等。

2.2 處理思路

區間隧道穿越建筑物基礎需進行基礎托換和截樁時，采用可靠的技術方案和確保建筑物正常使用不受影響的施工方法。采用理論計算與工程類比相結合方式的施工前預設計，施工過程中應根據施工現場監控量測的信息反饋修正設計，指導施工。

獅嶺公園人行天橋①號橋墩的樁基托換方案為地面臨時支頂+洞內托換。

區間右線穿越獅嶺公園人行天橋①號橋墩處，下方礦山法隧道初期支護外擴，同時增加一層二次襯砌作為天橋樁基的永久支撐結構。礦山法隧道初期支護僅作為隧道開挖階段的臨時結構承受隧道圍巖壓力及地面荷載；樁基截斷后直接支撐在二次襯砌上，二次襯砌作為永久結構承受隧道圍巖壓力、地面上部荷載及樁基產生的附加荷載；盾構空推后拼裝管片（三次襯砌）承受地鐵運營荷載及作為結構的安全儲備。

要確保隧道開挖時結構安全，杜絕隧道塌方、控制沉降，對隧道采取超前預注漿加固，開挖時初期支護加強相結合；并加強監測，加大監測頻率，提高控制指標。

2.3 處理范圍

洞內對樁基兩側YDK10+217.816～+223.816長6 m范圍內初期支護、二次襯砌、三次襯砌加強。拱頂超前預注漿各向兩端增加1.5 m長度，即注漿加固9 m。地面支撐系統承臺施工范圍為6.6 m×4.5 m。

3 施工方案

3.1 洞內拱頂預注漿加固、初期支護加強

3.1.1 增加隧道拱頂預注漿加固

注漿加固范圍為開挖輪廓線內側1 m 至外側2 m，注漿段長度為9 m，上半斷面共布孔19個，注漿孔自掌子面沿開挖方向，以隧道中軸為中心呈傘狀布置，環向間距1.0 m。隧道拱頂預注漿加固見圖4。

圖4 隧道拱頂預注漿加固圖Fig.4 Pre-grouting reinforcement of tunnel crown

3.1.2 初期支護加強

1）區間右線穿越獅嶺公園人行天橋①號橋墩段礦山法隧道位于Ⅴ級圍巖中，標準段襯砌斷面類型為B型。B型斷面（Ⅴ級圍巖）初期支護參數見表2。

2）樁基托換段初期支護加強，初砌類型為E型。樁基托換段初期支護參數見表3。

表2 B型斷面（Ⅴ級圍巖）初期支護參數表Table 2 Parameters of primary support of Type B section in GradeⅤsurrounding rock

表3 樁基托換段初期支護加強參數表Table 3 Parameters of strengthened primary support in underpinning section

通過對比表2和表3可知，樁基托換段礦山法隧道初期支護加強主要體現在初期支護鋼架由格柵鋼架調整為型鋼拱架，同時邊墻砂漿錨管、縱向連接筋布置參數也進行了加強。

3.2 地面支頂

區間右線穿越獅嶺公園人行天橋①號橋墩處，下方隧道開挖過程中在地面對天橋采取臨時支撐措施，臨時支撐結構采用φ=609，t=14 mm的鋼管撐+型鋼梁的形式，鋼管撐之間采用L100 mm×100 mm的角鋼互相連接形成整體，天橋與型鋼梁之間設置4個110噸位的同步薄型自鎖式千斤頂，鋼管撐底部采用C30鋼筋混凝土承臺作為基礎來承擔上部荷載。靠近景田路一側臨時鋼管撐下方設一分階承臺，上階尺寸為1.6 m×4.5 m×0.6 m，下階尺寸為3.2 m×6.1 m×0.4 m，基礎持力層為〈1-1〉素填土；靠近景田路人行道一側為避開φ150的燃氣管（距離1號橋墩約2.3 m），臨時鋼管撐下方設一矩形承臺，承臺尺寸為1.6 m×4.5 m×1.0 m，承臺下方〈1-1〉素填土采用C20素混凝土換填，基礎持力層為〈6-2〉硬塑狀礫質黏土。地面鋼管撐臨時支頂設計見圖5。

圖5 地面鋼管撐臨時支頂設計圖Fig.5 Temporary steel pipe support for overpass

3.3 洞內二次襯砌、三次襯砌補強

1）增加400 mm厚C35，P10厚模筑混凝土二次襯砌作為天橋樁基的永久支撐結構。樁基托換段隧道斷面見圖6。

2）盾構空推后樁基托換處ZDK10+200.399～+206.399、YDK10+217.817～+223.817段管片配筋加強，襯砌混凝土強度等級為C50，抗滲等級為P12。

4 地面臨時支撐系統安全性計算

根據獅嶺公園人行天橋的竣工圖，天橋①號橋墩附近兩跨橋梁跨度分別為14.03 m和18.4 m。根據JFGD—2004《公路橋涵設計通用規范》，承載力極限狀態：由于地面臨時支撐為臨時結構，結構重要性系數取1.0；永久荷載分項系數取1.2，活載分項系數取1.4；混凝土容重取25 kN/m3。

圖6 樁基托換段隧道斷面圖Fig.6 Cross-section of tunnel in underpinning section

4.1 荷載計算

1）臨時立柱基礎承臺承受恒載。①橋面結構自重、橋面頂蓋自重、橋面兩側立柱自重、頂蓋縱梁自重、橋面裝修層自重520.6+158.1+23.4+28.4+36.5=767 kN。②臨時鋼管撐（含型鋼梁）自重為54.83 kN。③基礎承臺1自重為1.6×4.5×1×25=180 kN。④基礎承臺2自重為（1.6×4.5×0.6+3.2×6.1×0.4）×25=303.2 kN。

2）臨時立柱基礎承臺承受活載。天橋人行荷載取3.5 kN/m2，則有3.5×4.5×（14.03+18.4）/2/2=127.7 kN。

3）基礎承臺承受荷載。作用在基礎承臺底的設計荷載為永久荷載與可變荷載之和，考慮結構重要性系數和荷載分項系數后，計算基礎承臺1：p設計值=（①+②+③）×1.2+127.7×1.4=1 381 kN；基礎承臺2：p設計值=（①+②+④）×1.2+127.7×1.4=1 529 kN。

4.2 地基承載力驗算

基礎承臺1下方〈1-1〉素填土采用C20素混凝土換填，基礎持力層為〈6-2〉硬塑狀礫質黏土，根據詳勘資料〈6-2〉地基承載力特征值為280 kPa=280 kN/m2。

則地基強度pλ=1.6×4.5×280=2 016 kN＞1 381 kN，滿足要求。

基礎承臺2下方持力層為〈1-1〉素填土，根據詳勘資料〈1-1〉地基承載力特征值為80 kPa=80 kN/m2。

則地基強度pλ=3.2×6.1×80=1 561.6 kN＞1 529 kN，滿足要求。

4.3 千斤頂預頂力計算

每個千斤頂的預頂力

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

為保證橋梁在千斤頂的預頂力作用下不發生向上的位移，取每個千斤頂的最大預頂力為400 kN，施工時千斤頂的預頂力須分5級逐步加載，嚴禁一次性加載。

4.4 臨時鋼管撐剛度、強度及穩定性驗算

臨時鋼管撐采用φ609，t=14 mm的鋼管撐，鋼管撐長度約為4.62 m，鋼管撐最大軸力設計值N=（（520.6+158.1+23.4+28.4+36.5+54.83）×1.2+127.7×1.4）/2=582.5 kN。

經驗算，剛度、強度、穩定性均滿足要求。

5 施工方法

5.1 施工工藝流程

1）礦山法隧道穿越樁基施工流程。進行基礎承臺處土方開挖及基坑支護—承臺范圍內地下管線進行鋼筋混凝土包封保護—施工基礎承臺—綁扎承臺鋼筋—澆筑承臺混凝土—架設臨時支撐結構—下方隧道開挖—施工初期支護—截樁—施工二次襯砌—拆除地面臨時支撐結構—路面恢復。

2）盾構空推穿越樁基施工流程。截樁—施工二次襯砌—施工混凝土盾構導臺—拼裝管片—管片背后填充豆礫石及回填注漿—二次注漿。

5.2 主要施工方法

5.2.1 地面支頂

1）隧道開挖面距天橋樁基10 m時，對天橋進行地面臨時支撐。

2）施工地面臨時支撐承臺前，對基礎下方管線采取鋼筋混凝土包封進行保護。

3）為保證新建地面承臺1下方土體具有足夠的承載力，施工承臺前將承臺范圍內素填土采用C20素混凝土換填。

4）上下雙拼工45C型鋼梁之間及型鋼梁與鋼管撐之間均采用焊接連接，焊縫高度不小于10 mm。

5）千斤頂采用110噸位的同步薄型自鎖式千斤頂，千斤頂與橋梁底部須用鋼楔塊楔緊；千斤頂的最大預頂力設為400 kN，分5級進行加載。

6）施工期間對橋梁變形及1號橋墩處樁基及地層沉降情況進行實時監測，根據監測結果及時調整千斤頂的頂升高度及頂力，確保1號橋墩及樁基沉降小于10 mm。

鋼管撐地面支頂現場照片見圖7。

圖7 鋼管撐地面支頂現場照片Fig.7 Steel pipe support for overpass

5.2.2 拱頂預注漿加固

1）隧道開挖掌子面距離加固范圍5 m時就開始對加固區進行加固，5 m作為注漿止漿墻，注漿加固范圍為開挖輪廓線內側1 m至外側2 m，至地層強度達到設計值后，方可進行隧道的開挖。

2）注漿段長度為9 m，上半斷面共布孔19個，注漿孔自掌子面沿開挖方向，以隧道中軸為中心呈傘狀布置，環向間距為1.0 m。

3）漿液理論擴散半徑為1 m，孔底間距不大于1.5 m，開孔直徑不小于φ110 mm，終孔直徑不小于φ90 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，管長3 m，孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿措施，注漿工藝采用WSS二重管深孔注漿。

4）鉆孔和注漿順序由內向外，同一圈孔間隔施工。注漿形式采用后退式注漿，巖層破碎帶容易造成坍孔時，采用前進式注漿。

5）注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，雙液配比C∶S（體積比）=1∶1，注漿壓力初擬為0.3～2 MPa。

6）單孔注漿壓力達到設計終壓并繼續注漿10 min以上，可結束本孔注漿，單孔注漿量與設計注漿量基本相同。

隧道拱頂預注漿效果現場照片見圖8。

圖8 隧道拱頂預注漿效果現場照片Fig.8 Effect of pre-grouting reinforcement of tunnel crown

5.2.3 隧道開挖初期支護

1）隧道施工嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的方針，充分利用“時空效應”原理進行施工。

2）施工流程：小導管超前支護—上臺階開挖，留核心土—上臺階鋼架架立、掛網、連接筋施工，噴射混凝土，鎖腳錨管施工—開挖上斷面核心土和下斷面樁下土體開挖—下臺階鋼架架立、掛網、連接筋施工，噴射混凝土。

3）樁基托換處隧道采用正臺階法施工，隧道開挖時樁基位置預留核心土，以便更好地控制樁基的沉降。

4）樁基托換處隧道開挖采用機械輔助人工開挖，減小振動，并應嚴格控制超挖。

5）隧道開挖每0.5 m一個循環，初期支護鋼架須與既有樁基有效連接，初期支護背后須預埋注漿管。

隧道開挖初期支護現場照片見圖9。

圖9 隧道開挖初期支護現場照片Fig.9 Tunnel excavation and primary support

5.2.4 截樁

托換施工工藝流程見圖10。

圖10 托換施工工藝流程圖Fig.10 Flowchart of underpinning

截樁為2根φ800鉆孔灌注樁，樁長17.2 m，樁底部分素樁長4.2 m，截樁長度為侵入隧道部分分別是3.37 m和3.97 m。此段初期支護全部施工完成，且噴射混凝土強度達到設計值100%時方可進行截樁處理，由于侵入隧道的樁基為素樁，所以截樁較為容易，人工持風鎬由上至下分層破除侵入隧道的樁基混凝土，注意只破除至隧道初期支護內輪廓線即可，嚴禁超挖。

在樁底下部向上鉆孔植入φ22“L”型鋼筋，一端錨入樁基35D 即770 mm，另一端預留15D（長330 mm）待與二次襯砌鋼筋有效焊接，植筋環向間距為200 mm。截樁節點處理大樣圖見圖11。

5.2.5 洞內二次襯砌施工

1）截樁完成后，及時施工二次襯砌鋼筋混凝土結構。隧道斷面較小，長度短，不使用模板臺車施工，僅采用自制型鋼骨架+組合鋼模模板支撐體系，二次襯砌支架體系及混凝土澆筑后照片見圖12。混凝土采用商品混凝土，混凝土輸送泵入模，插入式振搗器搗固密實。

2）泵送混凝土時，用砂漿潤滑管路，并檢查管路的接頭密封是否良好。

3）混凝土襯砌采用先澆筑仰拱而后進行墻、拱襯砌分2次施工，灌注時分層由低向高對稱進行。

4）沿拱部預留φ42檢查孔，縱向檢查孔間距1 m，灌注時用錐形鐵棒塞孔，待混凝土終凝前拔出，后期此孔作為回填注漿使用。

5）二次襯砌封閉成環且混凝土強度達到設計強度后，將地面支撐系統進行卸載、拆除。

圖11 截樁節點處理大樣圖Fig.11 Details of treatment of pile that stretches into the tunnel

圖12 二次襯砌支架體系及混凝土澆筑后照片Fig.12 Formwork support system and completed tunnel lining

5.2.6 洞內三次襯砌補強

1）二次襯砌施工完成后，組織施工混凝土盾構導臺，盾構空推時，拼裝加強管片。

2）管片背后填充豆礫石及回填注漿。

3）樁基托換前后10 m范圍內，盾構管片必須進行二次注漿，保證管片與加強二次襯砌之間澆筑密實。

6 安全風險控制

6.1 施工監控量測

洞外鋼管撐支頂、洞內拱頂預注漿加固、隧道開挖支護、樁基截斷是風險性、技術性很高的工作，施工監測是工程實施的重要環節。隧道穿越樁基施工期間加大了監測頻率，提高了控制指標。隧道斷面洞內、洞外測點布置示意圖見圖13。樁基托換段監控量測項目見表4。

監測結果表明，變形均小于允許值，隧道結構本身及天橋結構安全，其中天橋樁基沉降量為7 mm，小于允許值10 mm。

圖13 隧道斷面洞內、洞外測點布置示意圖Fig.13 Layout ofmonitoring points inside and outside tunnel

6.2 其他控制措施

1）規范施工、科學管理是樁基托換安全施工的根本保障，嚴格按既定的施工方案、施工流程組織施工。

2）保證地基持力層和隧道地層要有足夠的安全度，承臺軟弱地基素填土采用素混凝土換填，隧道洞內增加拱頂預注漿加固，增強圍巖及土體的整體穩定性及承載力。

表4 樁基托換段監控量測項目表Table 4 Monitoring items of underpinning section

圖14 人行天橋樁基沉降曲線圖（2013年）Fig.14 Settlement of pile foundation of overpass in 2013

3）成立應急救援機構，制定應急預案，有效形成信息動態共享，設計、監測動態指導施工的良性循環。

7 結論與體會

該地鐵盾構隧道穿越人行天橋樁基綜合處理技術，不僅順利穿越了樁基，而且保證了人行天橋安全和地鐵隧道的正常建設和使用。施工期間監控量測表明，天橋、地面、隧道等變形均在規范允許范圍以內，充分說明該技術是成功的、可靠的。對于地鐵盾構區間隧道采用礦山法施工或純礦山法隧道施工時，遇橋梁樁基的處理具有指導及參考價值。存在的缺點是工人必須進入隧道內進行樁基截斷、托換等人工處理，如何實現機械化處理或盾構法施工掘進機處理是下一步研究改進的方向。

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