富水砂卵石地層先隧后井施工技術研究

王迎新

（中國中鐵六局集團有限公司，北京100000）

1 引言

由于城市設施的配套性，盾構法施工所需的工作井多位于城市道路、綠化帶或住宅商業區。進行盾構工作井施工時，必須進行必要的拆遷、占地審批、管線遷改工作。而這些工作往往耗時長，很多情況下會成為制約工期的主要因素之一，這種現象在大中城市尤為明顯。為了避免工作井前期工作占用盾構掘進工期，保證洞通節點及人員設備力量的節約，這時往往需要進行先隧后井施工，即盾構先行掘進通過，后進行工作井施工。先行施工盾構隧道后進行工作井施工時，由于工序逆做，會遇到止水帷幕無法封閉、隧道上方圍護結構嵌固深度過低易失穩、基坑開挖時隧道上方土方卸荷造成隧道上浮等一系列技術問題。為了從根本上解決這些問題，結合長沙市軌道交通5 號線人民路交叉節點工程實際案例，通過“1234”法，即“1 個加強”“2 個注漿”“3 個固定”“4 個措施”，有效解決了砂卵石層中先隧后井施工時遇到的帷幕不能封閉、圍護樁樁嵌固深度過淺、基坑開挖卸荷管片上浮的問題。

2 工程概況

高橋北站—芙蓉區政府站盾構區間下穿人民路處規劃有下穿隧道1 條，節點主體結構設置雙向4 車道，中間采用中隔墻分開。人民路下穿隧道節點平面尺寸30.4 m×22.4 m，本處節點跨越5 號線及后期規劃的6 號線其上下位置關系是：人民路下穿隧道、5 號線、6 號線，5 號線區間隧道與下穿隧道凈距約1.2 m。

該區間隧道結構拱頂地層主要為混凝土路面（7-2）和雜填土（1-2）；洞身地層主要為粉質黏土（2-1），粉細砂（2-3）；結構底板處地層主要為卵石（2-7）。本區間場地工程地質條件、水文地質條件均中等復雜。地下水類型主要為第四系松散層中的孔隙水，含水層厚度在1.8~5.6 m，以卵石為主，局部為粉細砂和圓礫。

3 方案比選

由于5 號線盾構隧道下穿人民路交叉節點基坑，若采用常規工藝先施工工作井，待交叉節點隧道主體結構施工完成且達到抗浮要求后再進行盾構下穿。此方法雖然安全系數高、施工方便，但由于人民路交叉節點位于長沙市萬家麗路與人民東路2 條主干道交叉口位置，如圖1 所示節點不遠處還有繞城高架出入口，為長沙市城區主要交通擁堵點之一。節點基坑剛好位于交叉路口中央，圍擋封閉后會對原本就擁堵的交通雪上加霜，加之基坑范圍內還有1 條現狀污水管涵。在進行節點施工前必須進行占地審批管線改遷以及后續的基坑開挖、結構施工，盾構需停機待工長達18 個月之久。盾構長時間停機在造成費用巨大浪費的同時還極具安全隱患。

圖1 人民路交叉節點位置示意圖

采取先隧道下穿后進行節點施工后，可以在保證隧道洞通節點的同時極大地節約資源。但是，由于5 號線隧道距離節點結構底板距離過近，如圖2 所示盾構先行通過后再進行節點施工時會遇到以下困難：

1）盾構隧道正上方的圍護結構嵌固深度短為吊腳樁；

2）盾構隧道正上方止水帷幕無法滲入止水層，基坑止水效果難易保證；

3）由于后期節點基坑的土方開挖卸荷，處于富水砂卵石層的盾構隧道如何控制其上浮。

圖2 人民路交叉節點剖面圖

4 方案選擇

通過對工期、成本、安全等方面的綜合考慮，最終人民路節點采取先隧后井的逆做工序進行。通過制定“1234”法，即“1個加強”“2 個注漿”“3 個固定”“4 個措施”最終成功、順利地完成了人民路節點的施工作業。

5 實施方案

結合人民路節點工程的周邊環境和工程特點，并結合國內相關成功施工案例進行探討分析，現對人民路節點工程提出先隧后井的施工方案，即盾構隧道先行通過后再進行圍護結構及主體結構的施工，先隧后井施工方案主要有以下重點和難點：

1）基坑圍護結構穩定性的保障及有效的截排水措施；

2）如何控制開挖過程中的管片上浮，保障成型隧道的質量。

針對以上2 個重難點，制定了“1234”法予以解決應對。

5.1 “1 個加強”

盾構隧道先行施工，后進行圍護樁施工則基坑的圍護結構形式為長短樁結合，隧道正上方的圍護樁為短樁，短樁樁底標高按照依照設計圖紙按管片外徑進行弧形布置。為保證圍護結構的整體穩定性，除頂部冠梁外，在后期開挖施工過程中加設2 道加強梁，第一道環梁中線位置為深度4.6 m 處，第二道環梁中線位置為深度6.6 m 處。2 道加強環梁結合頂部冠梁形成了“鎖頭、掐尾、箍腰”之勢將隧道范圍內的短圍護樁與其周圍長圍護樁連接成整體。

5.2 “2 個注漿”

“2 個注漿”的具體內容為：

1）洞內環向注漿止洞門。隧道洞門處的止水采取洞內環向注漿的方式，在基坑開挖前，由隧道內管片向外注漿，注漿加固范圍為管片上部范圍外3.0 m，注漿范圍延伸至洞門短樁處基坑外10 m。洞內徑向注漿既能阻隔地下水，又能加固洞門短樁處土體，保證基坑的整體穩定性。

2）滿堂袖閥管注漿封基底。除了隧道內的洞內徑向注漿，地面上還同時對基底進行滿堂袖閥管注漿的方式進行基底加固，加固厚度為2.5 m。袖閥管注漿加固封底在阻隔了地下水，防止地下水滲流影響基坑的穩定性，進一步提高了圍護結構的穩定性與基坑的安全的同時還穩固了管片。

5.3 “3 個固定”

“3 個固定”的具體內容為：

1）錨索固定短樁。在基坑的開挖過程中，為了保證基坑的穩定性，加設了2 道加強環梁。但環梁的約束效應有滯后性，即環梁的約束需在其施工完成并等強到設計要求后才能形成有效約束力。故而在第一道加強環梁施工等強完成繼續向下開挖到第二道加強環梁形成約束前是本工程中的最危險工況，因為此時短樁下部無支撐結構，從而容易發生較大位移變形，威脅工程安全。

為了保證最危險工況過程中短樁的穩定性，在第一道加強環梁完成后的基坑開挖過程至施作底部加強環梁前，項目部在短樁處施作2 道錨索，從而保證短樁的穩定性，確保短樁的位移及變形滿足規范及施工需求，保障安全。

2）板錨固定管片。土體卸荷時土體應力應變呈現瞬時彈性變化，在開挖到基坑底后，立即在管片上方施作板錨結構，將土體殘余應力作用在壓板上，從而使坑底土體受到約束，減小土體的回彈位移，因此，該方法可以有效控制基坑開挖后的土體回彈及隧道管片上浮位移。

3）抗拔樁固定底板。為了保證節點范圍內的軌道在鋪裝完成后在進行二次結構施工過程中隧道不上浮。在基坑范圍內設置12 根抗拔樁，樁徑1 m，樁長10 m，樁底約在隧道底標高下2 m 位置，抗拔樁與圍護樁同期施工。

設置抗拔樁的作用主要有2 點：（1）抗拔樁在施工完成以后對基底有約束作用，限制了基底隆起與隧道上浮；（2）抗拔樁后期與底板連成整體，從而使底板盡早具備抗浮能力。可提前進行鋪軌作業，從而不會滯后軌通節點要求。抗拔樁后期還可以作為基礎樁，將節點荷載卸于基巖上，降低隧道上部荷載，保證隧道安全。

5.4 “4 個措施”

對于控制管片上浮，采取了如下4 個措施：

1）隧道內支撐加強管片。基坑開挖前，在基坑范圍內以及兩邊各延伸10 環管片內架設雙拼的I25c@1 200 mm 工字鋼作為臨時支撐，并縱向拉緊，防止管片開裂、變形。

2）基坑內降水保開挖。在基坑外四角及盾構隧道兩側位置施打φ76 mm 測水孔，用以監測地下水位。由于基坑內部進行了滿堂袖閥管注漿加固，圍護樁間有旋噴止水，洞門處有環向注漿，從而基坑內外的地下水完全阻隔，從測水孔中觀測地下水，視地下水情況進行井內疏干。從而保證基坑開挖過程中不受地下水的影響，無水作業，便捷施工的同時保證基坑安全。

3）洞內配重阻上浮。在基坑開挖卸荷過程中，逐步在隧道內進行加載配重，以平衡卸載的載荷，防止管片上浮。施工期間加強對管片的監測，出現異常，立即停止施工，分析原因，采取措施后方可繼續進行開挖。

4）分層開挖減變形。根據時空效應原理，分層開挖可以減小由于土體一次卸荷引起的土體回彈位移，而且可以降低對土體的擾動，從而減小圍護結構及基底的變形。開挖采用1∶1.5放坡開挖，開挖至基坑底部0.3 m 厚人工清除，由人工清底開挖至要求標高，嚴防超挖。

6 圍護結構設計

6.1 BIM 三維建模

由于人民路節點設計到5 號線、6 號線互相上下穿，進行圍護結構設計時，需考慮各結構的相對位置關系。常規CAD制圖的二維三視圖已不能滿足其設計深度，為了保證后期圍護樁、盾構隧道不互相侵線從而造成后期的施工干擾，節點圍護結構設計前必須利用BIM 技術進行三維模擬，對其各構件的位置關系進行三維碰撞檢測。

6.2 圍護結構驗算

BIM 模擬出最佳圍護結構形式以后，需要對圍護結構進行強度、剛度及穩定性驗算。利用理正深基坑、同濟啟明星等專業基坑設計軟件對圍護結構模型進行單元及有限元整體驗算。

開挖至4.4 m 施作第一道連接加強環梁之前，圍護結構變形較小，最大變形量為6.84 mm。

施作第一道連接加強環梁及第一道內撐之后，繼續開挖至施作第二道連接加強環梁之前，若不施工錨索，圍護結構變形最大位置在短圍護樁底，最大變形量為13.18 mm，在洞門短樁處施作錨索以后，圍護結構變形顯著降低，最大變形量為10.42 mm，短樁變形為4~7 mm。

施作第二道連接加強環梁及第二道內撐之后，開挖至基坑底位置，圍護結構變形最大位置在基坑長邊中心位置，最大變形量為8.18 mm，在可控范圍內。

圍護樁彎矩最大值為439.1 kN·m，隧道頂短圍護樁底部彎矩較小，計算配筋合理。

環梁彎矩最大值為1 080 kN·m，位于第一道連接加強環梁四角與第二道連接梁中部，隧道頂短圍護樁范圍彎矩較小。

7 管片抗浮驗算

7.1 浮力計算

為了限制管片上浮，在管片頂部采取了板錨抗浮裝置。隧道受到的上浮力極限狀態為隧道整體侵入水中所受到的浮力。隧道外徑6 m，管片環寬1.5 m。每環管片上均設置1 道板錨抗浮。故而驗算時取一環管片與一道板錨進行驗算，分別驗算錨桿與壓板的穩定情況。

一環管片所用C50 混凝土8.05 m3，鋼筋與管片螺栓等總計1.5 t。混凝土重度取20 kN/m3，所以，一環管片自重為8.05×20÷10+1.5=17.6 t。由于管片全部浸入水中，由阿基米德定律求得管片受到得浮力為3.14×32×1.5=42.39 t。則管片所受到的上浮力為42.39-17.6=24.79 t。

7.2 錨桿驗算

1 個板錨抗浮裝置設置有4 根錨桿，則每根板錨的所承擔的荷載為 24.79÷4=6.2 t，即 62 kN。參照 GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》（以下簡稱《設計規范》）中9.6.5，9.6.6 中的相關要求對錨桿進行計算。

1）錨桿鋼筋拉斷驗算

板錨裝置錨桿采用φ22 mmHRB400 級鋼筋，強度設計值為 360 N/mm2，φ22 mm 鋼筋界面面積為 380.1 mm2。由《設計規范》公式9.6.5 計算錨桿鋼筋截面面積A ≥1.35×62×1 000（/1×360）=232.5 mm2，即錨桿鋼筋截面面積必須大于或等于232.5 mm2，φ22 mm 鋼筋截面面積 380.1 mm2，安全系數 1.6，滿足要求。

2）錨固體拉出破壞（錨桿錨固長度）驗算

抗浮錨桿錨固段處于中風化泥質粉砂巖層中，鉆孔直徑120 mm，錨固長度8 m。由地勘報告給出的參數可知中風化泥質粉砂巖與錨固體極限摩擦阻力標準值為250 kPa。

由《設計規范》公式9.6.6 計算錨桿錨固長度Ln≥1.6×62/(3.14×0.12×250)=1.05 m，即錨桿錨固段長度大于或等于1.05 m即可，方案采用的8 m 長錨桿安全系數7.6，滿足要求。

3）錨桿鋼筋拉出破壞驗算

本工程采用的藥包砂漿強度等級C25，其鋼筋與砂漿界面的黏結強度標準值按經驗取2.1 MPa，依照公式Tx=πDLBτg驗算錨桿鋼筋會不會發生拉出破壞（其中，D 為鋼筋直徑；τg為鋼筋與砂漿界面的黏結強度標準值；Tx為錨桿鋼筋與土層相交的受拉力），帶入數據：LB=1.35×62 kN/(3.14×22 mm×2.1 N/mm2)=576.45 mm，即錨固長度LB大于0.576 45 m 時，錨桿不會發生拉出破壞，實際施工采取的錨桿錨固長度8 m，安全系數13，滿足要求。

8 具體施工措施

8.1 圍護樁施工

8.1.1 橋下樁施工

橋下范圍內的樁采用SWDM15HL 履帶式旋挖鉆機，具有5 997 mm 超低工作凈空施工的能力，180 kN·m 的超大動力頭扭矩。其外形尺寸滿足橋下凈空9 m 的施工凈空作業條件，其動力頭扭矩可在強風化、中風化泥質粉砂巖層中進行施工。滿足圍護樁樁徑800 mm，樁深14.8 m 的施工需要。

8.1.2 隧道上方短樁及兩側樁施工

盾構隧道成型穩定以后，確定節點范圍內每一環管片的實際中線位置、邊線位置、隧道外徑頂標高等數據。保證相關數據的真實性與準確性。

在施工前在鉆桿上標示出長度，在施工過程中采取一鏟一測量的原則。孔深的測量以丈量鉆桿長度為主，測繩輔助驗證。

洞門兩側樁在定位時適當外放，保證圍護樁與管片的凈空距離。每完成一鏟挖掘測一次垂直度，軟硬巖層交界面時控制速度及壓力等保證管片安全。

8.2 止水帷幕施工

止水帷幕施工中，應采取以下措施：（1）旋噴樁施工前進行試樁，尋求最佳施工參數；（2）在旋噴樁施工過程中，隨著地層的加深適當提高旋噴壓力增加漿液噴射量以及調整速度；（3）旋噴樁施工完成到達齡期以后，及時對成樁效果進行檢驗，對成樁效果不佳處進行深孔補注漿，保證止水帷幕的止水效果；（4）提前在隧道上方短樁處打設注漿管，后期基坑開挖時進行注漿堵水作業。

8.3 滿堂袖閥管注漿

滿堂袖閥管注漿應采取以下措施：（1）區分盾構隧道區域與正常區域，防止打孔深度超標，破壞管片；（2）在施工盾構區域袖閥管時降低鉆進速度，勤量鉆桿長度，嚴防鉆孔過深；（3）隧道區域袖閥管施工時適當減小注漿壓力，防止漿壓對成型隧道的影響；（4）注漿效果檢測：加固體抗壓強度不小于0.8 MPa，滲透系數 1×10-5cm/s。

9 實施效果

通過采取“1234 法”，成功地完成了人民路節點的施工作業，使盾構隧道按期完成洞通節點。并在節點基坑開挖過程中隧道上浮可控，也未對后期軌道鋪設產生影響，極大地節約了人力、機械及工期，得到了業主及各方的一致好評。

“1234”法在先隧后井施工中能起到了良好的效果，能有效解決基坑圍護結構穩定性、止水帷幕漏水等難題。為以后類似工程提供了寶貴的成功經驗。