地鐵隧道側穿橋梁樁基工程注漿加固控制及監測管理研究*

楊 磊 朱富麗 張 浩

(1.河南信息統計職業學院建筑工程系， 450008， 鄭州； 2.河南牧業經濟學院信息化辦公室， 450044， 鄭州；3.鄭州大學土木工程學院， 450001， 鄭州∥第一作者， 副教授)

城市軌道交通線路不可避免地穿越或鄰近既有市政建筑物。特別是在周邊環境與地質條件等復雜的情況下，地上結構荷載傳遞到既有樁基，加之施工引起的周圍地層應力擾動，極易誘發洞周收斂、拱頂沉陷、樁基偏斜或彎曲等穩定與安全問題[1-2]。這應當在城市軌道交通施工與監測過程中引起足夠的重視。

文獻[3]采用離心機開展了隧道鄰近樁基施工的模型試驗，分析了隧道開挖導致的地層變形與臨近地表沉降規律；文獻[4]依托北京地鐵下穿花園橋的工程實踐，通過數值模擬方法分析了PBA(洞樁)法引起的圍巖及上部橋梁結構變形特性；文獻[5]基于地鐵換乘通道穿越橋梁的工序，采用數值仿真技術研究了下穿作業的時空效應，探討了超前小導管技術在CRD(雙側壁導坑)法施工中的加固效果；文獻[6]以青島M3號線下穿河流段橋梁為工程背景，提出了“復合錨桿樁+超前注漿”的聯合加固措施；文獻[7]分析了不同樁基加固措施影響下盾構區間下穿橋梁的地表沉降及變形特征，研究了上部荷載、施工方法與支護參數等因素與樁身撓曲變形間的相互關系。

目前，對于城市地鐵下穿橋梁結構施工和變形控制的相關研究已有較多應用案例，其中復雜地質環境下地鐵隧道近距離側穿橋梁結構的加固控制更為困難，因此必須重視加強保護措施與監測管理[8]。在總結現有工程經驗基礎上，本文以北京某地鐵近距離側穿城市核心區橋梁樁基工程為依托，綜合考慮該橋梁的結構型式和水文地質條件，提出“橋梁樁基注漿加固+掌子面深孔注漿”的輔助施工方案。經數值分析及現場監測效果驗證，確保橋梁結構及其側穿施工的安全狀態，為城市復雜地質環境下地鐵隧道近距離側穿橋梁結構的變形控制與施工保護提供借鑒。

1 工程概況

北京某地鐵隧道區間位于中心城區兩廣大街下方，該區間側穿廣安門橋區段(見圖1)的總長度約320 m，側穿區段隧道埋深約10.6～11.3 m，采用單洞馬蹄形斷面型式，高度為6.0～6.4 m、跨度為5.7～5.9 m。隧道側穿主橋基礎為樁基，樁頂標高為47.0～49.8 m，樁長約19.0 m。

為了避免對上方橋梁產生過大的影響，采取地面深孔注漿及洞內超前注漿加固的措施確保施工的順利進行。由于橋梁結構的穩定程度、隧道與橋梁樁基的距離、局部地質條件等的差異，不同側穿部位采用的注漿方案、施工工藝及參數有一定差別。

以隧道在K3+105處近距離側穿的廣安門西異形板橋樁基為研究對象。該橋梁為三跨預應力連續異形板結構，樁底高程為30.6 m。其中，地鐵隧道側穿西異形板橋區段距樁基的最近距離僅4.0 m，變形敏感性較高，施工安全控制等級亦較高。

側穿區段地層由上至下分別為壓實填土、粉質黏土、粉細砂、卵礫石層，屬于北京平原常見的層狀沉積的地質特征。地鐵隧道斷面穿越黏性土、砂類土和卵石層，地質狀況較為復雜；地下水為孔隙潛水，在隧道底板以上，施工風險較高。廣安門西異形板橋地質條件，以及地鐵隧道與橋梁樁基的剖面，詳見圖2。

2 地鐵隧道側穿橋梁樁基的注漿加固技術

通過地層資料可知，隧道拱頂位于軟弱黏性土層、底部位于富水粗粒土層；同一斷面內黏性土強度低、變形大，而粗粒土膠結和抗剪性能差，受橋梁荷載及施工擾動易引起裂隙擴展及拱頂軟弱土層下沉、坍塌。因此，根據地鐵隧道側穿施工對橋梁樁基的影響范圍，提出采用多種注漿方法綜合控制的輔助措施，從而達到確保橋梁結構穩固與側穿施工安全的目的。

2.1 地面鉆孔注漿加固

為避免后續隧洞內開挖作業使拱頂地層發生過大的擾動，引起土層松動開裂、橋梁樁基差異性沉降，施工進入橋梁樁基區段前，采用橋梁下方地面鉆孔注漿的方法對西異形板橋樁基周圍土體進行擠密加固，以減小上部地層的變形。橋梁樁基周邊地層加固區的平面范圍，詳見圖3。

2.1.1 注漿范圍

注漿方式采用地面雙重管后退式注漿，常規跟管鉆進成孔；設計孔深為19.5 m，孔徑為102 mm；采用正方形陣列排布，排距為0.75 m×0.75 m。根據樁基類型，注漿平面范圍分為9.0 m×12.0 m與12.0 m×12.0 m兩類。

在樁基承臺范圍或鉆探設備無法就位的區域，安置具有特定斜度的注漿管，確保設計范圍內的注漿區域均能得到加固，同時防止對現有基樁的損壞。注漿管長度根據點位及斜度確定，不低于3.2 m。

2.1.2 注漿施工及注漿材料

注漿過程嚴格遵循先外后內、隔孔施作的灌注程序，不得先后進行相鄰兩孔的注漿；且需先對橋梁樁基外圍土體進行加固，待外側土體區域封閉后再進行內部土體的注漿作業。

注漿采用全孔主動單液漿壓灌，凝膠材料選用P.P 32.5火山灰水泥，水灰比選取0.9∶1.0，擴散半徑為0.6 m，有效注漿段長19.0 m。橋梁樁基外圍地層的注漿終壓為900 kPa，內側地層的注漿終壓為1 950 kPa。注漿完成后，根據取芯驗證結果，對不符合加固要求的區域進行多次補充注漿。

2.2 掌子面超前深孔注漿

為增強周圍土層的強度，防止掌子面作業導致的劇烈變形與突涌水風險，通過洞內超前預注漿對拱頂的軟弱黏土層及拱腰的富水砂層進行控制。

2.2.1 注漿范圍

考慮到隧道拱頂的軟弱土層及拱腰處富含界面水，確定加固范圍如下：

1) 對隧道拱頂外輪廓1.25 m范圍內土體進行注漿，以形成壁后注漿帶。注漿范圍為拱頂中線兩側各75°環向區域。

2) 對隧道拱腰外輪廓1.25 m范圍內土體進行注漿，以形成封閉止水帶。注漿部位為拱腰中線19°～44°范圍，兩側對稱環向設置。

3) 隧道拱頂及拱腰位置的注漿管端部均設置于初襯內部0.4～0.6 m范圍內。注漿管長度為20 m，拱頂注漿孔環距為600 mm、拱腰注漿孔環距為750 mm。

2.2.2 注漿施工及注漿材料

1) 為了確保注漿施工不影響地下管線及橋梁樁基的安全，對于隧洞內頂部的超前深孔注漿，采用滲透性良好的超細水泥漿液進行預加固。設計注漿終壓不超過2.2 MPa，并根據實際鉆遇地層性狀及滲透性能及時調整。

2) 對于隧洞內拱腰部位的深孔注漿，壓注磷酸鹽與水玻璃進行快速封閉，以避免漿液流失；并在滿足預期止水效果后，灌注超細水泥漿液對其進行加固。設計漿液擴散半徑為0.6 m，注漿終壓控制在1.2～1.6 MPa，確保漿液固結后不收縮。

2.3 初支背后補償注漿

掌子面超前深孔注漿完成，且隧道開挖結束后，對不同地層界面與隧底等易滲水部位，視加固情況進行后期補償注漿，以預防或減輕裂隙水發育并提升支護強度。

隧道內的局部補償注漿采用小導管注漿技術，小導管間排距采用0.9 m×0.9 m梅花形布置。注入材料選用硬化時間易調整的水泥-水玻璃雙液漿，漿液強度及固結時間根據現場實際情況測定。為確保隧道和橋梁樁基的安全穩定，達到拱腰和拱底圍巖的加固止水效果，注漿壓力根據現場試驗及鉆孔取樣測試選定為1.5～2.5 MPa。

3 地鐵隧道側穿橋梁樁基數值模擬分析

通過數值仿真技術開展鄰近樁基的地鐵隧道側穿橋梁結構施工模擬，研究不良地質條件下地鐵隧道側穿橋梁樁基的注漿控制效果，分析橋梁下方地表土層及隧道結構的變形特征。

3.1 計算模型

以地鐵隧道側穿西異形板橋樁基工程為研究對象，建立三維仿真模型，其中隧道結構、橋梁樁基及承臺均采用實體模型。計算過程中，隧道結構采用彈性本構模型，樁周土體采用摩爾-庫侖模型；注漿體被視為隧道襯砌外的環狀加固區，并在該加固區施加環向的膨脹力模擬注漿對地層的擠密效應。

模型中地層及注漿區力學參數，詳見表1。

表1 模型地層及注漿體物理力學參數

3.2 隧道結構變形分析

隧道圍巖及支護結構的變形是判斷其施工能否可靠通過的直觀表現[9]。地鐵隧道側穿完成后橋梁中線下方圍巖及襯砌的豎向位移分布，詳見圖4。

為防止左、右兩線隧道同時施工導致拱頂圍巖發生變形疊加，采用左線隧道先行施工的作業程序。由圖4可見，左、右兩線隧道側穿橋梁樁基并通過后，圍巖及支護結構的變形表現為總體對稱的特征；拱頂沉降量大于其他部位的位移量，左線和右線拱頂的最大變形分別為7.1 mm、7.7 mm。由此可見，后開挖隧道支護結構的變形稍大于先開挖隧道。

3.3 地表土層變形分析

地鐵隧道側穿掘進完成后，西異形板橋下方對應位置的地表沉降，如圖5所示。由圖5可見：

1) 由于注漿膨脹應力的作用，地表變形總體表現為左、右雙線隧道拱頂部位的輕微抬升。其中，先行施工的左線隧道上方土體最大隆起僅4.3 mm，隆起不明顯。此后右線隧道的注漿與掘進引發地表豎向變形疊加，右線隧道拱頂處對應的最大地表隆起達到4.8 mm，比左線隧道大約11.6%。由此說明，先開挖的隧道受注漿膨脹效應的作用略小于后開挖的隧道。

2) 地表變形寬度約為其注漿加固區寬度的3倍，隆起最大的位置處于左、右兩線隧道拱頂的正上方，使橋梁下方地表土層呈現“M”型的抬升形態；超前注漿引起的地層變形將導致橋梁樁基發生相應的協調變形，直接表現為不同基樁隨地層發生不同程度的抬升，引起橋梁面層結構出現撓曲現象。

3) 地表變形量總體較小，左、右兩線隧道拱頂最大變形不超過控制預警標準(20 mm)的25%；相鄰樁基的沉降差值約0.9 mm，傾斜值約0.18‰，符合規范對橋梁結構變形的相關規定(0.3‰)。由此表明，通過“橋梁樁基鉆孔注漿+掌子面超前深孔注漿+初支背后補償注漿”的協同治理措施，可以較好地解決軟弱土層的差異性沉降問題。

4 地鐵隧道側穿橋梁樁基現場監測管理

4.1 現場監測管理技術

地鐵隧道區間側穿橋梁樁基施工的風險控制必須著眼于現場的風險監控與管理，即通過一定的監控手段將施工過程的風險信息進行動態反饋與調整[10]。

地鐵隧道區間側穿的橋梁屬于繁忙的市中心交通干道，施工過程中不能封閉交通，因此，不適合選擇人工監測的方法進行橋梁穩定的系統監測。為了獲取現場的有效作業記錄，選擇在穿越重點部位進行自動化監測，以便將采集的數據反饋至現場指導施工，盡早分析預兆、解除事故。側穿橋梁樁基施工期間，在橋梁承臺部位設置了沉降和傾斜監測點，如圖6所示。

側穿區段施工前即開始對各監測點進行觀測，通過對前期試驗段施工參數及監測資料的系統分析，獲得各項注漿參數指標，并根據監控量測結果加以分析和反饋，以指導和修正現場施工。此外，地鐵隧道側穿掘進過程中，通過橋梁樁基的沉降、傾斜等數據，可直接判斷隧道加固設計方案的有效性。

4.2 監測管理效果分析

橋梁承臺典型測點部分時段的沉降時程曲線，如圖7所示。由圖7可見：

1) 掌子面深孔注漿前，承臺顯示出輕微下沉與抬升并存的變形特征，且變形量極??；左線隧道注漿開始之后，靠近該隧道的部分監測點(JC02和JC03)瞬時發生較大的波動，表現出以陡升為關鍵特征的位移，最大瞬時抬升量達到4.3 mm；右線隧道注漿開始之后，臨近監測點(JC06和JC07)表現為低幅的局部抬升，短期變化程度低于左線隧道，且深孔注漿完成后，大部分測點抬升量略有降低。

2) 橋梁沉降主要發生在深孔注漿開始后的3 d內，其后沉降變形上下輕微浮動并逐漸趨于穩定，可見深孔注漿是導致地層抬升的關鍵因素。正式注漿實施時，地表隆起速率和變形量均不大，且現場巡視也未發現異常情況。由此表明，通過監測得到的橋梁變形安全風險可控。

施工穿越前后，廣安門西異形板橋主要測點位置的沉降及傾斜程度，如圖8所示。由圖8可見：

1) 掌子面深孔注漿與側穿橋梁樁基施工結束后，橋梁樁基在變形特征上呈現出“M”型抬升的特點，橋梁樁基監測點變形峰值位于距地鐵隧道左、右線最近的位置。隧道側穿完成后，各監測點的隆起量較注漿施工階段有所降低。這是由于淺埋暗挖施工對上部地層產生擾動，出現上部覆土下沉的現象，這與注漿覆土抬升有所抵消，但總體上開挖引起的沉降量不大。拱頂下沉僅2 mm左右，橋梁樁基變形仍以深孔注漿誘發的抬升為主。

2) 穿越施工完成后，西異形板橋各部位累計沉降和傾斜值均較小，未超過規定的控制指標，橋梁結構的變形特點與數值分析結果相似。

5 結論

1) 地鐵隧道在不良地質條件下側穿橋梁樁基施工中，由于隧道結構上部土體荷載傳遞到既有樁基，加之施工引起的周圍地層應力擾動，極易誘發洞周收斂、拱頂沉陷、樁基偏斜等穩定與安全問題。為確保橋梁及隧道側穿施工的安全狀態，綜合考慮橋體的結構型式和水文地質條件，提出“橋梁樁基注漿加固與掌子面深孔注漿”等措施的綜合控制方案，為復雜地質條件下地鐵隧道側穿橋梁樁基的變形控制與施工保護提供借鑒。

2) 掌子面超前深孔注漿是地鐵隧道側穿橋梁施工的關鍵控制手段，能夠有效防止掌子面作業導致的圍巖劇烈變形與突涌水事故。但不良地質區間的高壓注漿作業仍可能引起一定程度的地層變形，主要表現為注漿開始之后，靠近左、右兩線隧道的區域發生以陡升為關鍵特征的瞬時位移。這使得橋梁下方地表及橋梁承臺呈現出“M”型的抬升特點，以及橋梁基樁發生的相應協調變形，從而引起橋梁面層結構出現輕微撓曲現象，且地表變形寬度約為注漿加固區的3倍。

3) 經數值分析及現場監測效果驗證，“橋梁樁基鉆孔注漿+掌子面超前深孔注漿+初支背后補償注漿”等協同保護措施，能夠較好地解決軟弱土層的不均勻沉降。盡管受注漿膨脹應力作用，地表出現局部的輕微抬升，但橋梁樁基的累計沉降和傾斜值均未超過規定指標。由此表明，施工過程中注漿加固工藝及注漿參數較為合理，施工監測管理及質量控制較為到位。

4) 地鐵隧道側穿橋梁樁基施工時，注漿工藝及注漿參數對地層變形及樁基傾斜影響較大。因此，若要預防和排除地下開挖中可能發生的安全問題，必須著眼于現場的風險監控與管理，即：選擇在敏感部位進行自動化監測，通過前期試驗段施工參數及監測資料的系統分析，獲得各項注漿參數指標；并根據監控量測結果加以分析和反饋，以便將監測資料反饋至現場指導施工，盡早分析預兆、解除事故。