南京軟土地區(qū)近距離樁基施工擾動(dòng)下鄰近既有地鐵盾構(gòu)隧道保護(hù)研究

張斌，蔡乾廣，賀磊

(1.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012； 2.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

1 前 言

隨著城市軌道運(yùn)營(yíng)線(xiàn)網(wǎng)不斷擴(kuò)大，地鐵沿線(xiàn)各類(lèi)工程建設(shè)也日漸增多。各類(lèi)地鐵沿線(xiàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)極易引發(fā)地鐵結(jié)構(gòu)變形，變形超過(guò)一定限值指標(biāo)，將嚴(yán)重威脅地鐵隧道安全運(yùn)營(yíng)。其中近距離插樁施工極易打穿隧道，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形超標(biāo)，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重病害，比如2021年1月22日南寧地鐵現(xiàn)場(chǎng)勘察施工，直徑為 9 cm的鉆頭擊穿了隧道，侵入隧道 98 cm，與當(dāng)時(shí)正常運(yùn)營(yíng)的列車(chē)發(fā)生擦碰[1]。南京河西地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)單元差異性大，沿線(xiàn)方向穿越了流塑～軟塑狀地層，同時(shí)該片區(qū)巖土體地下水含量豐富，經(jīng)浸泡后土體呈流塑～軟塑狀，如此條件下，既有線(xiàn)鄰近側(cè)插樁施工更易引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題[2]。本文以南京河西地區(qū)軟土夾砂地區(qū)的某橋梁工程為例，研究該類(lèi)施工對(duì)隧道的影響及保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)類(lèi)似工程對(duì)地鐵保護(hù)積累經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

該橋梁集中跨越地鐵2號(hào)線(xiàn)、地鐵10號(hào)線(xiàn)和2號(hào)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)以及規(guī)劃地鐵8號(hào)線(xiàn)。其中HL主線(xiàn)橋4#墩距離2號(hào)線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)外邊線(xiàn)最近，約為 5.3 m，橋梁樁基與地鐵隧道平面位置關(guān)系如圖1所示，橋梁樁基與地鐵隧道剖面關(guān)系如圖2所示。項(xiàng)目施工前，該施工影響段盾構(gòu)隧道在沉降、隧道收斂、結(jié)構(gòu)表觀病害等綜合指標(biāo)均已表現(xiàn)不良。在沉降方面，項(xiàng)目影響段已經(jīng)形成了沉降槽，且沉降槽底位于HL段，最大沉降量已過(guò)百毫米；在隧道收斂方面，項(xiàng)目影響段已經(jīng)于2015年～2016年實(shí)施了39環(huán)鋼環(huán)加固；在結(jié)構(gòu)表觀病害方面，上、下行線(xiàn)隧道環(huán)病害較多，病害主要表現(xiàn)為管片裂縫與破損、環(huán)縱縫滲漏。

圖1 橋梁樁基與地鐵隧道平面關(guān)系圖

圖2 橋梁樁基與地鐵隧道剖面關(guān)系圖

該段既有地鐵區(qū)間隧道為錯(cuò)縫拼接的圓形盾構(gòu)隧道，外徑 6.2 m，內(nèi)徑 5.5 m，隧道埋深約 9 m；隧道洞身位于②-1層粉質(zhì)黏土、②-2層粉質(zhì)黏土、③-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③-1A層粉土、粉砂、③-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂。

3 地鐵運(yùn)營(yíng)單位對(duì)涉地鐵施工管理措施

3.1 涉地鐵施工前保障措施

(1)既有結(jié)構(gòu)狀態(tài)調(diào)查：三維激光掃描又稱(chēng)實(shí)景復(fù)制技術(shù)，在項(xiàng)目施工前利用該技術(shù)獲取隧道既有病害狀態(tài)，通過(guò)調(diào)查既有狀況，明確保護(hù)對(duì)象的監(jiān)測(cè)范圍、內(nèi)容、允許變形范圍和變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)安全風(fēng)險(xiǎn)前評(píng)估：通過(guò)建模分析，提前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估各階段工序，提出應(yīng)對(duì)措施，以減少隧道變形。

(3)介入設(shè)計(jì)、施工方案審查：本項(xiàng)目跨地鐵橋梁樁基施工時(shí)應(yīng)選擇合理的施工機(jī)械、工藝及參數(shù)，并有相應(yīng)的保護(hù)措施，減小施工對(duì)地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，地鐵運(yùn)營(yíng)單位應(yīng)及時(shí)介入設(shè)計(jì)、施工方案評(píng)審，主張權(quán)益，強(qiáng)化地鐵保護(hù)措施。

(4)提前簽訂施工應(yīng)急搶險(xiǎn)協(xié)議：鑒于調(diào)查的項(xiàng)目段地鐵隧道既有結(jié)構(gòu)變形及形變不良，項(xiàng)目施工擾動(dòng)影響，為了確保地鐵結(jié)構(gòu)安全以及項(xiàng)目施工過(guò)程不間斷，應(yīng)由項(xiàng)目建設(shè)單位提前委托地鐵結(jié)構(gòu)搶險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)豐富的單位，跨越地鐵隧道施工前，提前制定應(yīng)急加固方案，并與應(yīng)急搶修單位簽訂框架協(xié)議，以備應(yīng)急情況下地鐵結(jié)構(gòu)的搶險(xiǎn)加固。

(5)提前隧道預(yù)加固：考慮該區(qū)段既有狀態(tài)不好，提前微擾動(dòng)預(yù)加固，增加施工變形冗余度，同時(shí)在預(yù)加固結(jié)束后，項(xiàng)目建設(shè)單位會(huì)同施工單位及時(shí)接管地鐵結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

(6)隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)：該類(lèi)施工明顯針對(duì)地鐵風(fēng)險(xiǎn)較大的工程，應(yīng)明確隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，以實(shí)時(shí)獲取隧道結(jié)構(gòu)變形情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整外部工程工藝及參數(shù)。

(7)施工準(zhǔn)許條件：地鐵運(yùn)營(yíng)單位與建設(shè)單位明確施工前既有結(jié)構(gòu)病害狀態(tài)確認(rèn)交接；在施工前務(wù)必確認(rèn)隧道內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)上線(xiàn)，且運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)誤；確認(rèn)施工參數(shù)合理；建設(shè)單位施工前應(yīng)編制應(yīng)急預(yù)案，與地鐵運(yùn)營(yíng)單位議定應(yīng)急治理的工作原則、流程與標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)應(yīng)急隊(duì)伍和搶險(xiǎn)物資，報(bào)備地鐵運(yùn)營(yíng)管理單位。

3.2 涉地鐵施工中過(guò)程保障措施

(1)安全監(jiān)控：施工中隧道內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與隧道巡檢應(yīng)同步進(jìn)行，隨時(shí)預(yù)警；隧道外應(yīng)做好外部施工現(xiàn)場(chǎng)巡查與管控。

(2)應(yīng)急搶險(xiǎn)：確保地鐵應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍隨時(shí)待命，以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，如隧道內(nèi)涌水涌砂等破壞性結(jié)構(gòu)病害。

3.3 涉地鐵施工結(jié)束工作

竣工后地鐵結(jié)構(gòu)安全評(píng)估：項(xiàng)目結(jié)題后，全面評(píng)估隧道各項(xiàng)指標(biāo)，評(píng)估隧道運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)超治理標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)環(huán)開(kāi)展治理。

4 隧道邊線(xiàn)放樣

隧道近距離插樁極易擊穿隧道，所以放樣出隧道邊線(xiàn)非常重要。市場(chǎng)上很多監(jiān)測(cè)單位僅依據(jù)地鐵竣工圖紙坐標(biāo)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)放樣，而地鐵竣工圖紙可能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在偏差，甚至有的區(qū)段偏差超過(guò) 20 m以上。本項(xiàng)目擬建樁基距離隧道邊線(xiàn)最近距離為 5.3 m，為避免造成安全事故，應(yīng)制定嚴(yán)密的放樣流程，具體步驟如下：在待測(cè)區(qū)間測(cè)設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)，首級(jí)控制網(wǎng)包括GNSS平面控制網(wǎng)；在首級(jí)控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地面和隧道的聯(lián)系測(cè)量；測(cè)設(shè)隧道地下導(dǎo)線(xiàn)；根據(jù)地下導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)，測(cè)量隧道邊線(xiàn)，并將隧道實(shí)測(cè)邊線(xiàn)與隧道竣工邊線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比；在地面進(jìn)行隧道邊線(xiàn)放樣，測(cè)量流程如圖3所示[3，4]。

圖3 隧道邊線(xiàn)地面放樣測(cè)量流程圖

5 地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)儀器及方法

根據(jù)本工程特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在施工過(guò)程中，采用人工與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段。人工監(jiān)測(cè)主要測(cè)項(xiàng)目包括道床垂直位移、隧道拱頂沉降、隧道直徑收斂、軌道幾何形位、裂縫及滲漏，外部施工工況巡查?？紤]到地鐵鄰近側(cè)近距離樁基施工，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)可能造成很大的擾動(dòng)，為確保隧道結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一定程度彌補(bǔ)地鐵運(yùn)營(yíng)期無(wú)法開(kāi)展人工監(jiān)測(cè)的不足[5，6]。

5.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容、頻率及控制指標(biāo)

本工程地鐵監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及控制指標(biāo)如表1所示。

工程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表 表1

6 隧道監(jiān)測(cè)主要成果及分析

6.1 隧道結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)

選取距離既有隧道僅5.5 m的4#墩4-1#～4-8#內(nèi)插樁、距離內(nèi)插樁最近的隧道上行線(xiàn)為研究對(duì)象，樁基成孔順序采用跳樁方式，其中4-2#內(nèi)插樁施工期間隧道結(jié)構(gòu)階段變形量最大，具體位置如圖1所示。4#內(nèi)插樁鋼護(hù)筒下壓過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)詳見(jiàn)圖及現(xiàn)場(chǎng)工藝照片如圖4、圖5所示，4-2#樁基施工歷時(shí)曲線(xiàn)如圖6所示。

4#墩(內(nèi)插4-1#～4-8#樁)工況及對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 表2

圖4 內(nèi)插樁基部位監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

圖5 鋼護(hù)桶工藝現(xiàn)場(chǎng)照

圖6 4-2#樁基施工期間隧道變形曲線(xiàn)圖

6.2 隧道結(jié)構(gòu)變形原因分析

4-2#樁基施工過(guò)程隧道變形原因可以從表2及圖6中分析出：①4-2#樁在第3、4節(jié)焊接時(shí)停機(jī)2小時(shí)，鋼護(hù)桶停止下壓時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致鋼護(hù)桶周邊土地固結(jié)，后開(kāi)機(jī)，當(dāng)重新啟動(dòng)旋挖鉆時(shí)需要加大扭矩才能繼續(xù)下壓，從而帶動(dòng)周邊土體與隧道下沉；②4#墩所處地質(zhì)條件非常差，且4#墩正投影段上行線(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)不良(該區(qū)域共計(jì)24環(huán)，其中鋼環(huán)加固13環(huán))，而4-2#樁對(duì)應(yīng)段恰好處于鋼化加固的薄弱區(qū)域，而前面已施工樁處于鋼環(huán)加固密集區(qū)域，鋼環(huán)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)沉降有一定約束作用；③同時(shí)軟土地區(qū)沉降存在滯后效應(yīng)，一旦發(fā)生隧道沉降，即會(huì)持續(xù)下沉，所以在3、4節(jié)焊接時(shí)隧道已產(chǎn)生沉降，應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整鋼護(hù)筒施工參數(shù)，如全套管回旋鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、套管壓力等，圖6正顯示第四節(jié)套管下壓未合理調(diào)整施工參數(shù)造成了隧道繼續(xù)持續(xù)下沉[7]。

7 優(yōu)化工藝成效

總結(jié)4-2#樁施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，優(yōu)化施工參數(shù)，在后續(xù)4-6#、4-4#、4-1#、4-3#樁基施工過(guò)程中采取了措施，根據(jù)表2可發(fā)現(xiàn)4-2#后續(xù)施工隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具體總結(jié)如表3所示：

工藝參數(shù)總結(jié) 表3

8 結(jié)論及建議

(1)軟土含砂地層中的盾構(gòu)隧道周邊施工近距離樁基施工時(shí)，應(yīng)明確隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化流程，正如本文敘述的，總結(jié)出有效的管理措施手段，才能更好地保護(hù)地鐵隧道。

(2)實(shí)踐證明隧道鄰近側(cè)樁基施工時(shí)，為避免隧道擊穿，隧道邊線(xiàn)放樣流程務(wù)必科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、合理。

(3)軟土地區(qū)隧道易受近距離樁基施工擾動(dòng)，必須采用科學(xué)合理的人工與自動(dòng)化相結(jié)合的安全監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)，有效指導(dǎo)外部施工，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，類(lèi)似工程應(yīng)總結(jié)各類(lèi)施工參數(shù)。

(4)采用鋼護(hù)筒施工工藝，應(yīng)避免套管焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，減少因鉆機(jī)抱死重啟帶來(lái)的隧道沉降。