摘  要：在上海轨道交通 9 号线盾构隧道的近距离钻孔灌注桩微扰动施工中，预先将护钢套管旋压至超出隧道底部约 3 m 后，再用泥浆循环方法进行取土成孔。实测结果表明，由于钢套管的护壁作用，钻孔灌注桩成孔时在钢套管位置几乎不存在地层损失；随着钢套管旋入深度的增加，管内土体的堵塞程度越来越严重，当钢套管旋压至隧道轴线以下位置时发生相对较严重的土体挤压，导致隧道上浮，并发生竖椭圆收敛变形。为减小护壁套管旋压过程中对既有地铁隧道的影响，建议在钢套管旋入过程中同时取出套管内部分土体。

关 键 词：护壁钢套管；钻孔灌注桩；微扰动；挤土效应

 

      随着城市轨道交通线网的加密，地铁运营期间周围建筑拆除重建以及铁路、公路上跨地铁隧道的情况也越来越多，在既有地铁隧道旁边采用钻孔灌桩加固地基也将越来越常见^[1－3]。地铁隧道近距离进行钻孔灌注桩施工时，孔壁坍塌或缩径极易导致地铁隧道发生位移与变形，进而影响行车安全，并增加地铁养护和维修费用。因此，地铁隧道近距离进行钻孔灌注桩微扰动施工已成为地铁城市进一步开发建设所面临的问题。

      本文给合沪杭城际铁路上跨上海轨道交通 9 号线的桩板梁路基工程，对既有地铁隧道近距离护壁套管钻孔灌注桩微扰动施工进行分析。

 

      新建沪杭城际铁路在 DK5+344.8～DK5+374.8从上海轨道交通 9 号线的中春路站至九亭站区间盾构隧道上部通过，工程平面图如图 1 所示。由于虹桥机场净空要求及线路纵坡限制等，设计时采用桩板梁路基跨越方案，桩的形式为钻孔灌注桩，桩长约 40 m，桩径为 800 mm，钻孔灌注桩与地铁隧道的净距为 1.5 m，地铁隧道的顶部埋深约为 8.2 m。工程剖面图如图 2 所示，施工范围内的地质情况见表 1。钻孔灌注桩施工对地铁隧道的影响控制是本次施工的重点与难点。

      已有研究表明，为了防止钻孔灌注桩成孔时孔壁坍塌与缩径对近距离地铁隧道造成影响^[4－6]，可采用预钻孔与埋设钢套管进行护壁，钢套管深度为超出隧道底部约为 2 m^[7]。但采用预钻孔再埋设钢套管进行钻孔灌注桩施工，尤其在钻孔灌注桩与地铁隧道间设置搅拌隔离桩时，施工效率低，成本高。另外，预钻孔孔径应稍大于钢套管外径，会导致一定的地层损失，加大对既有地铁隧道的影响。钻孔灌注桩成孔时，可以用钢套管护壁，也可以采用钢套管边跟进边取土的工法施工，如贝诺特工法^[8]、旋挖套管工法及双动力头套管长螺旋钻工法^[9]，这3 种工法的钢套管在钻孔灌注桩的混凝土浇筑时若再次拔出，用于既有地铁隧道近距离钻孔灌注桩施工时将对地铁隧道造成二次影响；若钢套管不再拔出，施工成本将大幅度增加。以上 3 种工法的钢套管跟进深度与钻孔灌注桩深度相同，相比隧道底部一定深度以下采用泥浆护壁正循环工法进行钻孔灌注桩施工方案而言，施工成本更高。此外，贝诺特工法与旋挖套管工法用冲抓法取出钢套管内的土体，用于既有地铁隧道近距离钻孔灌注桩施工时冲击力振动对地铁隧道影响很大。

      综合已有施工工法的研究与应用成果，本次钻孔灌注桩施工时预先将护壁钢套管旋压进入土体，再进行取土成孔，且钢套管不再拔出。为了防止取出护壁钢套管内土体时振动对隧道造成影响，达到微扰动施工的目的，施工采用泥浆循环的方式取出钢套管内的土体。在钢套管旋压过程中不方便取土，只能在钢套管旋压到位后再取土。钢套管旋入深度较大时，有可能出现钢套管内土体堵塞管口的现象^[10－12]，造成对近距离地铁隧道的影响。为了尽量避免钢套管底口发生堵塞，钢套管的旋入深度不宜过大。

      由已有施工案例可知^[7]，护壁钢套的跟进深度只需超出隧道底部一定距离，可采用常规的泥浆护壁钻孔灌注桩工法。为了确定护壁钢套管的合理跟进深度，本文分析时建立了长度与宽度均为 70 m的有限元模型进行分析，各土层参数参照表 1 取值。在钢套管护壁部分采用固定约束，取土成孔的其他部分采用泥浆压力。泥浆压力的计算公式为

P =ƿgh（1）

式中：P 为泥浆液面以下深度 h 处的泥浆压力； 为泥浆的密度，取为 1.18 g/cm³；g 为重力加速度，取为 10 m/s²。

      图 3 为钢套管旋入深度分析模型，图 4 为取土孔成孔后的位移矢量图。从图中可以看出，钢套管护壁范围内未发生地层损失，在采用泥浆护壁部分，土体向取土方向发生的位移，同时地铁隧道也向成孔方向及向下发生了位移。

      图 5 为护壁钢套管超出隧道底部不同距离时的隧道位移。从图中可以看出，在护壁钢套管旋入深度超出隧道底部小于 3 m 时，随着护壁钢套管旋入深度的增加，隧道影响减小明显；当护壁钢套管旋入深度超出隧道底部大于 3 m 后，继续增加钢套管的旋入深度对减小地铁隧道影响的效果较差，旋入深度超出隧道底部 3 m 时隧道的水平与垂直位移都小于 2 mm，因此，本次施工中钢套管旋入深度为超出隧道底部约 3 m。

      从图 5 还可以看出，护壁钢套管跟进深度只到达隧道底部且只考虑单桩施工对隧道影响时，隧道最大位移就已达到了约 5.5 mm，因此，不设置钢套管进行护壁时，由于地层损失导致地铁隧道的位移明显不能满足微扰动施工的要求。

      护壁钢套管采用一次旋压到位方案，钢套管进行全长加工。考虑到钢套管为一次性使用，且施工地区为软土地质，为了节约施工成本，本次所用的护壁钢套管为普通工厂订制。钢套管的壁厚为 14 mm，图 6 为工厂订制的钢套管。

      为了监测套管钻孔灌注桩施工时周围土体的挤压情况，在隧道与钢套管之间距钢套管边缘约0.5 m 处埋设了测斜管，图 7 为套管钻孔灌注桩施工完后测斜管不同深度处的位移（钢套管的旋入深度约为 17.4 m），图中的隧道为示意其埋深所设。从图中可以看出，约 13 m 以上测斜管的位移较小（测斜管以远离钢套管移动为正，向钢套管方向移动为负），该部分土体挤压主要由钢套管旋压时其自身体积及管壁外侧黏结土体向下运移对周围土体挤压所至。10～14 m 之间测斜管位移曲线出现凹曲，从隧道的埋深可以看出，凹曲主要与该位置盾构隧道存在有关，盾构隧道阻挡了钢套管侧面土体向远离钢套管的方向发生位移；13～17 m 之间，测斜管的水平位移迅速增大，可见在该段钢套管旋入过程中，产生了较严重的土体挤压，出现管内土体堵塞管口的现象，如果仅是钢套管本身体积对土体的挤压，则测斜管的位移应与上部接近。

      在钢套管护壁的范围内，套管钻孔灌注桩取土过程中测斜管的位移几乎不变，可见采用预先旋入钢套管再取土成孔方案时，几乎不存在地层损失，而从 1 号桩钢套管以下的测斜管的位移还可以看出，采用泥浆护壁正循环工法取土成孔时，测斜管向钻孔方向发生了位移，造成了地层损失，这也说明采用钢套管护壁减小地层损失具有良好的效果。由图 7 还可以看出，在钢套管旋压过程中，随着套管内土柱高度的增长，管内土柱堵塞越来越严重，当钢套管底部土体不能顺利进入钢套管内时，底部土体被挤出。为了减小钢套管旋入过程中对周围土体挤压，造成对既有地铁隧道的影响，在钢套管压入深度较大且条件允许，建议必要时在钢套管旋压同时取出钢套管内土体。

      图 8～10 为钻孔灌注桩施工完毕前后隧道的位移与变形监测结果（最后一根钻孔灌注桩在 3 月 20日完成施工）。隧道的垂直位移与水平位移测点在道床中心，垂直位移以隧道向上移动为正，向下移动为负；横向收敛变形以隧道横径增大为正，减小为负，其中测点 6～11 位于拟建的桩板梁路基正下方，测点间距为 2 m，其他测点间距为 5 m。隧道累积位移与变形的报警值为 5 mm，限值为 10 mm。

      从图 8 可以看出，三线的垂直位移都为正，即在套管钻孔灌注桩施工范围内隧道产生了向上位移。从现场监测来看，隧道的位移与变形主要发生在钢套管旋入过程中，套管以下采用泥浆护壁正循环工法成孔及混凝土灌注时隧道的位移与变形都很小。由此可见，在钢套管旋入过程中，土体挤压主要发生在隧道轴线以下部分，导致隧道向上发生位移。但从垂直位移的最大值来看，所有垂直位移均未超过限值（10 mm）。上行线隧道的垂直位移较小，主要与施工过程中隧道旁设置了应力释放孔有关，因设置应力释放  孔造成地层损失，操作不当会适得其反，因此其他隧道旁均未设置应力释放孔。

      从图 9、10 可以看出，隧道的水平位移与收敛变形都在限值（10 mm）以内。3 个隧道的横径收敛变形值基本都为负值，即隧道横径变小，隧道发生了“竖鸭蛋”变形，在隧道受到了侧面土体的挤压，但上行线隧道中也出现的横径反而增大的现象，主要与上行线隧道旁设置应力释放孔有关。

      现场实测结果表明，预先旋入护壁钢套管至隧道底部一定距离后，再采泥浆循环方式进行取土成孔的钻孔灌注桩施工工法，具有良好的微扰动效果。

      （1）预先将护壁钢套管一次旋压到位，钢套管经济合理的跟进深度为超出隧道底部约 3 m。用泥浆循环的方式取出钢套管内的土体，施工监测结果表明，以此方案进行钻孔灌注桩微扰动施工效果良好。

      （2）钢套管本身体积对土体有一定的挤压，设计钢套管时，壁厚不宜过大。随着钢套管旋入深度的增加，管内土体的堵塞程度越来越严重，为减小对既有地铁隧道的影响，在条件允许时建议在钢套管旋入过程中边旋压边取土。

      （3）从测斜管的水平位移、隧道的垂直位移及横径收敛变形来看，在钢套管旋压至隧道轴线以下部分时发生了较大程度的土体挤压，隧道产生了“上浮”位移与“竖鸭蛋”变形。

 

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