淺埋暗挖隧道下穿城市立交樁基托換技術研究

宗 秋 雷

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概述

淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進行各種類型地下室暗挖施工的一種方法。由于具有造價低、拆遷少、靈活多變、無需太多專業設備及不干擾地面交通和周圍環境等特點，在全國類似地層和各種地下工程中得到廣泛應用。淺埋暗挖隧道施工時所遇到的樁基托換是指在既有建筑物之下進行隧道或其他地下建筑物施工時，為保證建筑物的安全和正常使用功能，而對既有樁基進行托換[1]。

黃銀釘[2]通過對比樁基托換設計方案，提出最合適的托換方案，還對托換設計施工主要技術細節進行了介紹；劉冠水、周冠南、楊光等[3-5]采用有限元數值模擬方法對樁基托換施工對上部結構的影響規律進行了研究分析；唐貴和等[6]采用鉆孔灌注樁+托換梁方法對樁基進行托換處理，通過施工量測證明了采用鉆孔灌注樁+托換梁技術的可行性；許東[7]依托成都地鐵某樁基托換工程，按照地鐵車站設計與橋梁托換結構一體設計原則，提出了一種適合該項目的“托換結構與車站圍護結構、主體結構結合，主動與被動托換相結合”方案；朱金涌[8]建立三維有限元模型對飽和黃土地區樁基托換導致的地表沉降、樁基沉降及托換樁基受力進行了研究；王博、林憲廣等[9,10]結合具體的工程實例，對樁基托換、樁基加固施工進行詳細介紹。

本文依托深圳地鐵5號線南延段某區間隧道下穿城市立交工程項目，對樁基與隧道不同位置關系的處理方法進行介紹，通過數值分析方法對不同厚度下支護結構內力進行分析，得出支護結構最優厚度，通過采用洞內托換技術順利完成樁基托換，對今后的類似工程有一定借鑒意義。

2 工程概況

深圳地鐵5號線南延段赤大區間位于南山區，起點為5號線赤灣站南側，下穿小南山、興海大道、大南山。興海大道位于小南山與大南山中間山谷，上跨平南鐵路。

興海大道為雙向四車道，上跨平南鐵路橋涵為3跨簡支梁橋，橋涵左右幅分離，相互獨立，下部結構采用橋樁基礎。區間隧道與橋梁中縫線的夾角為62°。

1號橋墩左幅有4根樁基、2號橋墩存在1根樁基與赤大區間右線沖突，所有橋樁均為端承樁，直徑為1.0 m，各樁頂部與地梁相連接。地層由上到下依次為素填土、強風化、中風化花崗巖。為了保證隧道施工期間橋梁的正常使用，考慮采用樁基托換進行處理。

3 淺埋暗挖地鐵隧道下穿橋梁樁基托換

對于隧道影響范圍內的樁采取何種處理方式應視樁與隧道的位置關系而定，主要有以下4種情況：

1)樁基位于隧道開挖線外側并深入隧道開挖線以下。這種情況下，一般不需要進行樁基托換，但應根據樁基的大小和上部建筑物對附加變形的要求決定是否對樁周邊地層注漿加固。

2)樁基端部位于隧道開挖線上方，即是在隧道拱頂以上。一般可以不采取特別加固措施，但要對樁周圍土體進行注漿，加固樁周邊土體。

3)樁基部分進入隧道坍落拱范圍內，對于這類樁，應根據地質條件、樁的承載力和上部建筑物附加變形的要求，結合工程類比或數值分析的方式確定是否需要托換，若不需要托換，則應在對樁基周圍土體進行注漿加固的同時，采取洞內加固的方法，加固坍落拱內的巖體，減少其松動，阻止樁基沉降。

4)樁底侵入隧道開挖范圍，且必須破除樁身。對于這類樁必須進行托換。

通過上文工程概況描述，可知本工程橋樁與隧道相對位置關系存在1)，4)兩種情況，要保證隧道順利穿越橋樁，必須要對橋樁進行托換處理。

4 支護結構安全性計算

4.1 托換方案思路

隧道下穿興海大橋樁基時，采用復合式襯砌。圍巖采用預支護和初期支護相結合的支護形式，區間穿樁基段預支護采用洞內施作上半段面注漿方式影響范圍內采用Ⅰ22的型鋼鋼架，間距為0.5 m。隧道采用臺階法開挖，破除侵限樁基，利用型鋼拱架支撐，縱向鋼筋與每榀鋼架相連，掛網噴C25混凝土厚30 cm。待初期支護貫通后，再進行隧道二次襯砌澆筑施工。

4.2 模型建立

采用FLAC3D軟件進行計算，根據圣維南原理和實際需要，整個模型計算范圍(寬×高×長)為80 m×40 m×30 m。模型包括29 448個單元和32 955個節點，計算模型網格劃分如圖1所示。采用位移邊界作為邊界條件：上表面即地表為自由邊界，其余各外表面均約束法線方向的位移。

本文采用的基本假定說明如下：

1)地層材料采用摩爾—庫侖準則、大應變變形模型計算；

2)假定地表和土層均成層均質水平分布，所取土層參數見表1；

表1 模型計算所用的地層參數

3)樁基礎采用樁結構單元進行模擬，初期襯砌采用殼單元模擬，所取參數見表2；

表2 支護加固參數

4)將興海立交上部結構荷載平均分配到各個樁基上，樁基分別換算成集中力直接作用于隧道結構上，集中力大小為1 200 kN。

4.3 結果分析

分別取隧道支護結構厚度為40 cm～70 cm，每5 cm為一計算間隔，計算樁基礎直接作用于隧道結構上時結構受力，隧道軸線方向為y軸。

表3給出了不同厚度支護結構所受到的最大彎矩與軸力，隨著襯砌結構厚度的增加，結構軸力降低，但是所受到的彎矩升高。

表3 支護結構內力

最大拉應力隨支護結構厚度增加逐漸減小。當支護結構厚度為70 cm時內力值最小，但彎矩產生的最大拉應力依然為9.7 MPa，最大壓應力達到1.75 MPa。圖2是最大拉應力與支護結構厚度關系，從圖2中可以看出：增加支護結構厚度能夠有效降低最大拉應力，但當厚度增加到一定程度時，最大拉應力減小程度不明顯。所以建議對樁作用影響段隧道結構進行加強配筋設計，以使其滿足要求。

5 樁基處理施工

通過對襯砌結構的厚度的優化計算，最終決定采用70 cm的隧道支護厚度，其中初支厚度為30 cm，二襯厚度40 cm。

5.1 1號橋墩樁基侵限處理

1)超前支護及開挖施工。

1號橋樁基侵限處隧道采用環形臺階法進行開挖，開挖前拱部180°范圍內設置φ42×3.5超前注漿小導管，L=3.5 m，環向間距0.3 m，縱向間距1.0 m，上半洞超前帷幕注漿加固，加固范圍為初支開挖外輪廓線外2.5 m，注漿孔孔間排距0.7 m×0.7 m，梅花形布置。為防止橋樁剩余部分變形沉降侵入結構凈空，開挖輪廓外放20 cm考慮，嚴格控制每日進尺，初支及時跟進，環向180°范圍打設φ25中空注漿錨桿L=2.5 m，間距(縱×環=1.0 m×1.2 m)梅花形布置，初支面掛設φ8鋼筋網間距150 mm×150 mm，噴射強度為C25、厚度為30 cm的P6混凝土，Ⅰ22型鋼拱架間距加密至0.5 m。

2)樁身破除施工。

左線隧道上臺階開挖貫通后，暴露出1號橋墩樁基，架設繩鋸對開挖設計輪廓內的中間2根樁身進行切斷，切割破除施工隨開挖由上至下分段進行，分塊大小根據現場施工運輸情況確定，繩鋸無法施工部位采用人工風鎬進行破除，清除完后立即架設Ⅰ22型鋼，兩側樁身施作注漿錨管，體外掛設雙層φ8鋼筋網間距150 mm×150 mm，噴射30 cm厚C25 P6混凝土與周圍初支面合并封閉，隨后鋪設防水、綁扎二襯鋼筋，臺車行走澆筑二襯混凝土，二襯厚度為40 cm。

5.2 2號橋墩樁基侵限處理

1)初支施工。

右線2號橋墩樁侵限支護加強區域樁身兩側2.0 m范圍，開挖前拱部180°范圍內設置φ42×3.5超前注漿小導管，L=3.5 m,環向間距0.3 m，縱向間距1.0 m；開挖后環向180°范圍打設φ25中空注漿錨桿L=2.5 m，間距縱×環=1.0 m×1.2 m，初支面掛設φ8 鋼筋網間距150 mm×150 mm，噴射強度為C25、厚度為30 cm的P6混凝土，型鋼架設間距加密至0.5 m。

2)樁身清理及加固施工。

2號橋墩樁基開挖裸露處，人工機械剝離樁身表面浮渣等雜物確定樁體輪廓，在侵限樁身區域打設3排φ42注漿錨管，錨管長6 m，采用水泥水玻璃進行注漿，注漿壓力采用0.5 MPa。

注漿加固完成后在樁體外掛設雙層φ8鋼筋網間距150 mm×150 mm，噴射強度為C25、厚度為30 cm的P6混凝土，混凝土與周圍初支面合并封閉。最終澆筑厚度為40 cm的二次襯砌。

6 結語

本文通過對深圳某區間隧道下穿興海大道立交樁基托換工程進行研究，可以得出以下結論：

1)增大支護結構厚度方法可以有效降低支護結構內力，但增加到一定厚度時，內力降低效果減小。根據計算結果選擇最優支護厚度為70 cm。

2)根據樁基與隧道空間位置關系，采用洞內托換施工技術，加強配筋及注漿，區間隧道順利通過城市立交，證明本工程適合采用洞內托換技術。

3)洞內托換施工方法施工簡單，工期短，對地表環境影響小，效果顯著。針對樁基侵入區間隧道界限的類似工程，建議優先采用洞內托換方法。