周志良 仇 歡 黃曉東 杜 平 楊 平 呂偉華

(1.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 210037；2.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210037)

0 引言

隨著大規(guī)模城市地下工程建設(shè)，不可避免出現(xiàn)建筑物樁基與地下隧道相交問題。緊鄰地鐵隧道樁基施工會引起周圍土體擾動(dòng)，繼而對鄰近隧道產(chǎn)生附加變形，使其發(fā)生環(huán)縫錯(cuò)臺、管片破損、滲透漏水等危害，影響地鐵長期正常運(yùn)營[1]。同時(shí)地鐵正常運(yùn)行對變形有嚴(yán)格的要求：隧道結(jié)構(gòu)最終絕對位移不能超過20 mm，變形曲率半徑不小于1/15000，相對彎曲不大于1/2500[2-3]。因此，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制各工況引起的地層位移和隧道結(jié)構(gòu)變形。

目前，新建隧道對既有樁基影響的研究成果較為豐富[4-8]，而有關(guān)樁基施工對隧道影響的研究也取得了一定進(jìn)展。呂寶偉[9]、馮龍飛等[10]采用數(shù)值模擬方法分析了橋梁樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移影響；張 超等[11]對鋼套管施工過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)鋼套管旋入隧道軸線以下時(shí)會使隧道產(chǎn)生上浮、偏移；Schroeder等[12-13]結(jié)合有限元模擬和現(xiàn)場實(shí)測，研究得出樁基施工和加載階段會對隧道產(chǎn)生較大影響；安建永等[14]采用模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，分析了不同位置(水平、豎向)樁基施工對近鄰隧道應(yīng)力重分布及地表沉降的影響；Yao等[15]采用離心機(jī)試驗(yàn)研究了樁基數(shù)量與樁徑比值對鄰近隧道變形的影響，得出樁基數(shù)量能夠?qū)е挛灰萍哟?，比值可以改變襯砌位移的方向。

上述研究大多采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，鮮有施工全過程的現(xiàn)場實(shí)測研究，特別是針對鉆孔灌注樁施工全過程各工況條件的實(shí)測分析，因此有必要針對該問題進(jìn)行實(shí)測研究，以驗(yàn)證或拓展現(xiàn)有理論研究成果。本文結(jié)合緊鄰運(yùn)營地鐵S8線的南京龍津橋改建工程，就不同工況下0#墩樁基和1#人行天橋梯道樁對周邊地層與既有隧道的影響展開現(xiàn)場實(shí)測，研究施工全過程各個(gè)工況條件下地層水平位移和沉降及隧道垂直位移與水平位移變化規(guī)律，可為今后在軌道交通區(qū)間隧道周邊進(jìn)行樁基施工和保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 工程概況

以南京龍津橋改建項(xiàng)目為背景進(jìn)行分析。工程基本情況為：新建橋梁北側(cè)橋臺0#墩距地鐵S8線左線結(jié)構(gòu)邊線最小凈距離為5.60 m，1#人行樓梯樁基距離地鐵外邊線最小凈距離為5.40 m及6.14 m(見圖1)。

圖1 樁基及隧道變形測點(diǎn)布置示意圖(單位：m)

地鐵S8線隧道內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，軸線埋深為19.4 m，管片環(huán)寬1.2 m、厚度0.35 m。場地地基土從上至下依次為①1雜填土、①2雜填土、②淤泥質(zhì)黏土、③1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3黏土、④中粗砂、⑤卵石、⑥1強(qiáng)風(fēng)化砂巖和⑥2中等風(fēng)化砂巖，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。施工樁型采用鉆孔灌注樁，其中0#墩、1#墩和2#墩共計(jì)26根樁，樁長45 m，樁徑1.2 m；1#人行樓梯墩共計(jì)3根樁，樁長25 m，樁徑0.8 m。0#墩和1#人行天橋樁基施工選擇全套管鉆機(jī)，鋼套筒護(hù)壁成孔工藝，1#墩和2#墩樁基選用反循環(huán)鉆機(jī)?？傮w施工順序?yàn)閮?yōu)先施工靠近地鐵的外排樁基，包括0#墩5#和10#樁，1#墩4#和8#樁以及2#墩4#和8#樁等，采用全套管旋壓跟進(jìn)，邊跟進(jìn)邊取土，且鋼套管不再拔出的施工方法。平行于隧道軸向橋墩外排樁基在施工時(shí)采取“間跳施工”，不得同時(shí)施工位于地鐵兩側(cè)的橋梁樁基，以減少施工過程中對土體的擾動(dòng)。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 現(xiàn)場實(shí)測方案

為確保施工期間南京地鐵S8線安全運(yùn)營，在距隧道最近的龍津橋0#墩10#樁和1#人行天橋梯道樁基施工前后，持續(xù)進(jìn)行如下實(shí)測：周邊深層土體水平位移、地表沉降、地層分層沉降、既有地鐵隧道變形，并根據(jù)實(shí)測分析樁基施工對南京地鐵S8線運(yùn)營隧道的影響。

1.2.1 測點(diǎn)布置

(1)地層水平位移和沉降測點(diǎn)布置

在0#墩10#樁和1#梯道樁與左線隧道結(jié)構(gòu)之間各布置1個(gè)測斜兼分層沉降孔，編號分別為 CX-1和 CX-2。CX-1測斜點(diǎn)孔深度為45 m，CX-2測斜點(diǎn)孔深度為35 m，均從埋深5 m處開始，每隔5 m布設(shè)一個(gè)分層沉降環(huán)，直至孔底，具體測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖(單位：m)

(2)隧道變形測點(diǎn)布置

沿隧道軸線方向布置8個(gè)管片斷面進(jìn)行隧道變形實(shí)測，包括隧道垂直位移、水平位移。以正對10#樁的隧道斷面Z27為起點(diǎn)，左側(cè)沿線布設(shè)2個(gè)隧道斷面Z25、Z26，右側(cè)沿線布設(shè)5個(gè)隧道斷面Z28—Z32。Z25—Z32斷面相鄰斷面間距均為12 m，每個(gè)斷面于隧道管片兩側(cè)壁上各布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)(見圖1)。

1.2.2 實(shí)測方案

(1)監(jiān)測儀器

①深層水平位移采用測斜管+JTM-U6000E系列活動(dòng)式水平測斜儀，精度0.01°；②分層沉降采用沉降磁環(huán)+JTM-8000型鋼尺沉降儀，精度1 mm；③地表沉降采用地表沉降版+精密水準(zhǔn)儀，精度0.2 mm；④隧道結(jié)構(gòu)變形采用徠卡全站儀TS30，精度為(1+2 ppm×D)mm。

(2)實(shí)測方案

①待0#橋墩10#橋樁與1#人行天橋橋樁開始施工前5 d進(jìn)行預(yù)埋孔及測點(diǎn)埋設(shè)作業(yè)，并做好測點(diǎn)保護(hù)；②隨后每隔1 d實(shí)測1次，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，開始鉆孔灌注樁施工，鉆孔灌注樁鉆進(jìn)時(shí)按時(shí)間間隔1 h或鉆孔深度每3 m記錄數(shù)據(jù)；③鉆孔灌注樁作業(yè)期間，同時(shí)觀測地鐵隧道機(jī)車過境車次，觀測時(shí)如遇列車經(jīng)過測試元件反應(yīng)異常明顯等情況需作好記錄，同時(shí)監(jiān)控樁基鉆孔過程中有無塌孔等異常出現(xiàn)，并作好記錄；④在鉆孔灌注樁施作時(shí)如遇工序環(huán)節(jié)變換，須做好測試記錄，成樁完成后按30 min、1 h、2 h、4 h、24 h時(shí)間間隔實(shí)測，以后每天實(shí)測一次；⑤在0#橋墩處，待10#橋樁施工完成后，進(jìn)行9#、8#……橋樁施工時(shí)，按照上述實(shí)測流程實(shí)施，至所有墩臺下的橋樁施工完成；⑥在1#人行天橋處，待人行天橋最鄰近隧道1#橋樁施工實(shí)測完成后，再進(jìn)行2#、3#天橋樁施工時(shí)，仍按照上述實(shí)測流程實(shí)施，直至所有人行天橋橋樁施工完成。

2 實(shí)測結(jié)果與分析

2.1 深層土體水平位移分析

圖3為CX-1測斜點(diǎn)和CX-2測斜點(diǎn)周邊深層土體水平位移隨時(shí)間的變化曲線。從中可見：成孔階段，CX-1、CX-2測斜點(diǎn)均出現(xiàn)了明顯的深層水平位移，說明0#墩10#樁和梯道樁成孔期間對樁周土體造成了較大的擾動(dòng)，而后位移增量隨工序推進(jìn)不斷減小直至施工結(jié)束，變形基本穩(wěn)定；混凝土硬化后，距0#墩10#樁2.8 m的測斜點(diǎn)深層水平位移達(dá)到4.5 mm，最終深層水平位最大值為4.9 mm，樁基施工期間樁周土體穩(wěn)定；CX-2測斜點(diǎn)深度30 m處位移變化量很小，且與深度15 m處的位移差較CX-1測斜點(diǎn)大，這是由于10#樁埋深更深，對地層的影響范圍更大；CX-1測斜點(diǎn)位移值略高于CX-2測斜點(diǎn)值，說明施工的樁徑越大，樁長越長，對地層變形影響越大。

圖3 深層水平位移-時(shí)間曲線

CX-1測斜點(diǎn)和CX-2測斜點(diǎn)各工況下深層水平位移沿深度變化曲線如圖4所示，可以看出，最大位移發(fā)生在地表孔口處，且越接近地表位移變化越大，這反映了樁基施工對淺層干擾較大，隨深度增加，干擾逐漸減弱這一特點(diǎn)。兩測孔各階段位移曲線規(guī)律相似，差異主要體現(xiàn)在，CX-2測斜點(diǎn)位移變化量是隨深度從下往上平穩(wěn)增加，而CX-1測斜點(diǎn)位移有一定突變量，主要發(fā)生在孔深 13～15 m與29～32 m處，這是由于該處地質(zhì)條件相對較差，地層為③1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土，樁基施工使土層應(yīng)力重分布，因此引起的水平位移也會有所不同。

圖4 各工況下深層水平位移沿深度變化

2.2 地層沉降變形分析

圖5、圖6分別為CX-1測斜點(diǎn)不同工況分層沉降隨深度和時(shí)間變化曲線。由圖5可見，CX-1測斜點(diǎn)最大分層沉降為9.1 mm，發(fā)生在地表處。各工況分層沉降均隨深度增加而減小，深度越深，沉降變化量越小。這與隧道開挖引起的分層沉降相反，淺埋暗挖隧道時(shí)，拱頂正上方地層滿足應(yīng)力松弛規(guī)律,分層沉降量從地表到拱頂逐漸變大；隧道邊墻以外地層，其分層沉降量沿深度呈現(xiàn)先快后慢減小趨勢，且拱頂以下部分的沉降量相對較小[16]。

圖5 CX-1測斜點(diǎn)分層沉降沿深度變化

圖6表明：成孔和澆筑混凝土階段沉降量較大，而混凝土凝固過程沉降相對較小。深度越淺，沉降量越大，深度超過35 m后，沉降變形不足1 mm，說明打樁超過隧道位置以下一定深度后，對地層的擾動(dòng)很微小。

圖6 CX-1測斜點(diǎn)分層沉降隨時(shí)間變化

由于深度40 m以下為堅(jiān)硬地層，測孔發(fā)生偏斜，加之后續(xù)施工不當(dāng)導(dǎo)致測孔局部破壞等原因，深度40 m以下未測得數(shù)據(jù)。

2.3 隧道變形分析

0#墩10#樁施工期間引起的隧道垂直位移隨時(shí)間和隧道軸線方向的變化規(guī)律分別如圖7(a)、圖7(b)所示。從圖7(a)可見，成孔時(shí)，隧道出現(xiàn)快速下沉，位移量很大，這說明10#樁的施工對樁周土造成了較大擾動(dòng)。隨著樁基施工工序推進(jìn)，隧道垂直位移不斷增大。成孔階段引起的隧道垂直位移最大，其次是澆混凝土階段，而混凝土硬化后趨于穩(wěn)定。圖7(b)表明，隧道最大垂直位移發(fā)生在正對10#樁的Z27斷面處，最大值為2.2 mm。隨著隧道與0#墩10#樁中軸線的距離增大，隧道垂直位移減小。

圖7 隧道垂直位移變化曲線

0#墩10#樁施工期間引起的隧道水平位移隨時(shí)間和隧道軸線方向的變化規(guī)律分別如圖8(a)、圖8(b)所示。圖8(a)表明：同垂直位移變化規(guī)律一樣，隧道水平位移隨樁基工序推進(jìn)呈現(xiàn)先快后慢增長趨勢，成孔階段引起的隧道水平位移最大，其次是澆混凝土階段，而混凝土硬化后趨于穩(wěn)定。分析圖8(b)可發(fā)現(xiàn)，隧道最大水平位移發(fā)生在正對10#樁的Z27斷面處，最大值為2.2 mm，其他斷面隨著與樁中軸線距離增大，水平位移逐漸減小，但反映的規(guī)律與Z27斷面相同。這是由于距離越大，施工對隧道的影響越小。

綜合分析圖7、圖8可知，樁基施工期間，隧道垂直位移與水平位移變化規(guī)律表現(xiàn)出一致性。盾構(gòu)隧道離施工樁位中軸線越遠(yuǎn)，其產(chǎn)生的沉降和水平位移越小，且兩者與距離并非呈現(xiàn)線性關(guān)系，這是由于受到場地荷載、地鐵運(yùn)營等因素的影響。

圖8 隧道水平位移變化曲線

2.4 討論

CX-1、CX-2測斜點(diǎn)各工況不同深度的地層最大水平位移如圖9所示。對比10#樁和梯道樁各階段引起的土體水平位移，前者各階段位移量更大，其原因是10#樁樁徑大，樁長更長，施工對地層擾動(dòng)更明顯；而在深10 m處10#樁水平位移出現(xiàn)比梯道樁數(shù)值小的情況，是受到粉質(zhì)黏土與淤泥粉質(zhì)黏土互層的影響，局部地區(qū)存在土質(zhì)分布不均勻；10#樁在深40 m處與梯道樁在深30 m處均出現(xiàn)水平位移陡降，且位移值相近，這是由于埋深接近樁底，樁的影響力減弱，位移變化量不大。

圖9 不同深度地層水平位移--工況曲線

隧道最大垂直位移和水平位移在隧道軸線方向的變化規(guī)律見圖10(a)，分析Z25—Z29斷面數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)混凝土硬化后期，隧道最大垂直位移和最大水平位移相近，最大位移差發(fā)生于離樁最近的Z27斷面，且位移差隨隧道與0#墩10#樁中軸線距離增加而減小。

圖10 各監(jiān)測項(xiàng)目位移最大值

各監(jiān)測項(xiàng)目最大值隨工況變化曲線如圖10(b)所示，可看出各變形最大值隨施工工序推進(jìn)逐漸增大，樁周土變化量最大，變化速率最快，其次是深層水平位移，隧道變形最小。成孔階段開挖土體使地層應(yīng)力重分布，因此產(chǎn)生的變形最大；樁周土在澆混凝土階段的變形小于成孔階段，這是因?yàn)殇撎淄哺綦x筒內(nèi)混凝土和筒外土，穩(wěn)定孔壁，并有效減小混凝土自重對地層影響；地層沉降位移最大值始終高于水平位移值，說明樁基施工對樁周土體影響以沉降變形為主；各工況隧道最大垂直位移和水平位移值相近，說明隧道最大變形由垂直位移和水平位移共同主導(dǎo)。

從數(shù)據(jù)分析可以看出，樁基施工對樁周土及鄰近既有隧道產(chǎn)生了一定程度影響。成孔階段鋼套管的設(shè)置有效地抑制了周圍土體的擾動(dòng)，可以確保既有隧道的安全營運(yùn)。結(jié)合實(shí)測結(jié)果以及施工方案，為有效控制變形，提出如下建議與對策：成樁階段采用鋼套筒，合理的成樁工藝、間跳施工、有條件時(shí)考慮縮小樁徑等。

3 結(jié)論

(1)地層位移和隧道位移變化經(jīng)歷“快速-緩慢-平穩(wěn)”三階段，隧道軸向兩側(cè)垂直位移與水平位移均隨著隧道與施工樁中軸線距離增加而減小。樁周土變形以沉降為主，隧道最大變形由垂直位移與水平位移共同主導(dǎo)。

(2)近隧樁基施工對既有地鐵隧道的影響主要集中于成孔階段，鋼套筒的使用能有效減少樁基施工對既有隧道的影響。

(3)灌注混凝土階段引起的地層位移和隧道結(jié)構(gòu)變形也較大，可同成孔階段一同作為鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)的控制工況。

(4)混凝土硬化過程對既有隧道的影響并不大，既有隧道只會發(fā)生少量變形。

(5)由于鋼套管的護(hù)壁作用，地層位移及隧道變形均較小，說明該工程施工方案效果良好，建議可在類似工程中采用“鋼套管邊旋壓邊取土”、“群樁間跳施工”、“延遲拔出護(hù)筒”等工藝。

(6)對于近隧鉆孔灌注樁施工，為避免其對既有隧道造成不利影響，建議樁基礎(chǔ)應(yīng)采用全套管灌注樁的施工方法。