盾構穿越橋樁區(qū)施工技術研究
路建民1，張 艷2
（1．鄭州市第一建筑工程集團有限公司，河南鄭州 450004：2．鄭州市工程質量監(jiān)督站，河南鄭州 450016）
[摘要]城市軌道交通工程建設中，往往因線路與既有建（構）筑物的基礎結構沖突或過近而繞行或改線，給工程建設帶來一定的影響。以鄭州市某地鐵線路中穿越既有橋梁樁基區(qū)域為背景，介紹了灌注樁拔除施工工藝，對新建樁基在盾構近距離穿越期間的性狀變化進行了分析，并提出了盾構在類似地層情況下近接施工的建議。
[關鍵詞]盾構；樁基；拔除；變形；監(jiān)測；數(shù)值模擬分析
[中圖分類號]U455. 43 [文章編號]1002-8498(2016)10-0108-05
在地鐵施工中，擬建地鐵施工環(huán)境日趨復雜，地鐵新線與舊線的交叉、新規(guī)劃線路之間的交叉越來越多，施工中穿越橋梁、建筑物等諸多地下結構物的情況增多，因此，開展擬建地鐵隧道穿越既有結構物的施工技術研究，不僅對現(xiàn)代城市的市政工程建設具有重要的指導作用，而且還具有重要的社會意義。
本文針對鄭州市某地鐵線路盾構穿越老丈八溝橋這一工程案例，結合現(xiàn)場調研，確定拔樁方案并建立盾構穿越結構物的模擬分析，在盾構整個穿越施工過程中，對新建橋樁、橋梁、盾構隧道及周邊環(huán)境的深層水平位移、沉降和土壓力等進行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工工序和參數(shù)進行調整，確保盾構機在穿越拔樁區(qū)域時不對地表、周邊構筑物和新建樁基造成影響或破壞。
1 工程概況
老丈八溝橋位于鄭州航空港區(qū)鄭港六路鄭港四街交叉口北50m處，為東西兩幅3跨預應力混凝土簡支空心板梁，采用五柱式墩與重力式橋臺，鉆孔灌注樁式橋墩基礎，全橋長44. 04m。某地鐵線路盾構區(qū)間需穿越東幅橋梁的灌注樁基礎，盾構穿越前對該幅橋梁進行拆除，影響盾構區(qū)間的3排共計12根鉆孔灌注樁予以拔除，西幅橋梁保持正常通行，鉆孔灌注樁樁徑1. 3m，樁長39m，拔除長度16~18m。其相互關系如圖1所示。
根據(jù)設計及勘察資料，地下水類型為潛水，其穩(wěn)定水位埋深為9. 540~12. 590m，穩(wěn)定水位標高為123. 340~124. 970m，含水層主要為粉土⑤1層、粉砂⑤2層、粉質黏土⑤7層、粉土⑥2層及粉質黏土⑥1層。隧道范圍及以上土層主要為粉砂、粉土和粉砂層。拔樁和盾構施工期間河水深度約2. 0m。
2施工工藝
本工程的總體施工工序為：東幅橋梁破除→樁基拔除→新建橋樁打設→監(jiān)測元件埋設→盾構機穿越→橋梁上部施工。
3樁基拔除
為保證盾構機如期順利穿越該區(qū)域，對拔樁方法進行了多次討論分析，最終選用了2種拔樁方案：靜力沉管加水力切割拔樁和全套管無損拔樁施工技術。
3.1 靜力沉管加水力切割拔樁技術
靜力沉管加水力切割拔樁技術，其原理是利用液壓千斤頂及反力裝置分節(jié)壓入護筒，護筒沉入1m后，以外側套管作為護壁，內側采用高壓水幕，將舊樁周圍的土體及障礙物實施土體分離減摩，在舊樁拔出時只需考慮樁的自重，無需再考慮樁周圍的摩阻力。先用鋼絲繩送到離樁頂下3m左右位置鎖牢后用大噸位起重機將舊樁拔出預吊緊，然后安裝金剛石鏈鋸機裝置、設備在反力架平臺上操作切斷舊樁體，然后平穩(wěn)起吊（見圖2）。使用該方法拔樁施工，外側減摩和整體吊樁是施工關鍵。由于該施工方法拔樁是用金剛石鏈條切斷舊樁體后用鋼絲繩起吊拔樁，能將整樁拔出，具有一定的安全性。同時該工法施工對地基土不會出現(xiàn)擾動，在回填土的性狀接近或稍強于原狀土時，可以滿足盾構穿越的各項要求，確保盾構機平穩(wěn)通過此段落施工。
鋼護筒采用PLC同步頂升力分節(jié)壓入，千斤頂頂部設置反力架，千斤頂反力必須克服最大節(jié)段的摩阻力，壓入到位后，高壓水沖洗切土，壓入深度為設計截樁位置以下1m。壓入過程中，采用高壓空氣輔助下沉，特殊情況下還可利用振動錘輔助壓入。
鋼護筒壓入到設計深度，將護筒內泥水清理干凈后，采用金剛石鏈條鋸將灌注樁截斷并固定牢固后吊出，切割過程中應做好操作人員的防護工作。
鋼護筒拔除期間同樣采用分節(jié)拔除方案，拔除時為了有效地減小拔除力，必須在鋼護筒外側輔助高壓空氣減摩，舊樁基拔除后在反力桁架跨中間部位安裝1條直徑0. 5m、厚度12mm的無縫鋼管與待拔除樁基錨固在一起，并和定位鋼管樁連接形成整體的反力系統(tǒng)，鋼護筒拔除時利用反力系統(tǒng)為鋼護筒分節(jié)拔除提供壓力。為確保樁孔內的回填土填充密實，回填土與拔除同步，每拔除1m隨即回填水泥土并夯實處理。
3.2 全套管無損拔樁技術
樁基拔除的第2種方案采用全鋼套筒沉入，將樁身與土體分離減摩后將舊樁拔除或徹底清除的方法，該設備是能夠驅動鋼套管做周回轉以將鋼套管壓入和拔除的施工機械，該設備在作業(yè)時產(chǎn)生的下壓力和扭矩驅動鋼套管轉動，利用管口的高強刀頭對土體、巖層及鋼筋混凝土等障礙物的切削作用，將套管鉆人地下至樁底，然后利用液壓起拔設備將樁拔除。最后向套管內回填黏土并壓實，在回填的同時逐節(jié)拔除鋼套管。在整個過程中套管鉆進及液壓起拔設備對鉆孔樁的起拔是施工關鍵。該工法最大的特點是可將套管鉆人有巖層或高強障礙物的土層，利用套管的護壁作用，在套管內拔樁，施工安全，工效高，對周圍環(huán)境影響極少。
全套管無損拔樁設備的選型應根據(jù)樁基直徑、埋深和地質情況綜合考慮，本工程中我們選用套管直徑2. 5m，最大壓縮強度206MPa，最大起拔力3 050kN的3600套管機，完全能夠滿足設計要求和施工要求。
考慮到本工程樁基直徑較大、整樁抗拔力較大等因素，整個拔樁過程擬采用分段截除、分段吊離、多次重復的方式。鋼套管沉入預定深度后，實現(xiàn)了樁周分離減摩，然后下放專用設備到套管內將樁身上部約10m內截斷，再使用起重設備下放鋼絲繩將已被截斷并與整個樁身脫離的部分樁鎖扣牢固，一次性拔出；實施完成上部樁體拔除后，用抓斗清除施工過程中掉入套管內的泥土再次暴露出樁頭，然后重復上次工藝直至將樁身拔除到預定深度或全
部拔除。拔樁過程中起拔速度不宜過快，一邊用起重設備緩慢用力，一邊用全回轉套管機驅動鋼套管旋轉減少樁體摩擦應力。拔除的舊樁整齊堆放于現(xiàn)場，待累計一定數(shù)量后即時清理或外運。樁體拔出后應重視樁孔回填土質量，保證盾構穿越期間樁孔處不發(fā)生較大沉降或冒漿和土倉壓力變化。
4 盾構穿越新建橋樁區(qū)監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析
4.1 新建橋樁與盾構穿越
老丈八溝橋東幅拆除后還需在原位進行新建修復（避開盾構隧道），且在盾構機到達前完成新建橋的樁基施工；新建橋橋跨布置為3 x13m簡支預應力混凝土空心板，上部為13m跨預應力空心板，下部橋墩采用柱接蓋梁橋墩，柱徑1. 2m，墩高5m;樁接承臺基礎，樁徑1. 3m，樁長43m;橋臺采用柱接蓋梁橋臺，柱徑1. 2m，墩高1.5m;樁接承臺基礎，樁徑1. 3m，樁長39m;樁基共計24根。其位置關系如圖3所示。
盾構機在穿越拔樁區(qū)前應完成新建橋梁的樁基施工，區(qū)間隧道于右線里程：K54+825-K54+875處下穿老丈八溝及老丈八溝橋，對應管片環(huán)數(shù)為400~ 430環(huán)。右線盾構于2015年5月20日-2015年5月22日順利穿越；左線盾構于2015年6月15日-2015年6月17日順利穿越。右線盾構穿越前1～8號承臺對應的樁基施工完成，左線盾構通過前9~12號承臺對應的樁基施工完成。
4.2監(jiān)測項目及監(jiān)測布置
根據(jù)本工程的周圍環(huán)境、地鐵本身的安全等級及施工特點，在施工過程中主要開展如下監(jiān)測項目：①樁體水平位移監(jiān)測；②樁周土壓力；③地表（含西幅橋）沉降；④隧道豎向位移。
在新建橋樁內布置樁體深層水平位移觀測點，共布置9個測點，編號為ZQT-0-1，ZQT-0-3，ZQT-0-5, ZQT-1-1, ZQT-1-3,ZQT-1-5,ZQT-3-1,ZQT-3-3,ZQT-3-5。同時為觀察盾構機穿越過程中新建橋樁周邊土壓力的變化，在布置了測斜管的灌注樁周布置了9個土壓力點位，編號為TYL-0-1，TYL-0-3，TYL-O.5,TYL-1-1,TYL-1-3,TYL-1-5,TYL-3-1,TYL-34，TYL-3.6，每個監(jiān)測點埋設3個土壓力盒，分別埋設在對應地鐵輪廓線的上、中、下部（見圖4）。
4.3變形監(jiān)測及分析
4. 3.1穿越期間的工程概況
盾構隧道在穿越老丈八溝橋區(qū)域覆土厚度4.2~ 11m，在河底處12m范圍內覆土深度為4.2m，為超淺覆土。為保證盾構掘進質量，盾構穿越前對該范圍進行了回填土壓載，回填厚度約4m。地下水類型為潛水，水位深度約8m，河流河水深度約1.0m。
新建橋樁位置對應盾構區(qū)間管片編號為第400環(huán)~第430環(huán)，因此當盾構機掘進至相應管片位置時，對新建橋樁開展對應的監(jiān)測項目。監(jiān)測過程中，實時保持對盾構機掘進進度的掌握，適時調整監(jiān)測對象和監(jiān)測頻率。根據(jù)監(jiān)測成果，及時調整及優(yōu)化盾構推進參數(shù)，將盾構施工的影響區(qū)域內的變形控制至合理范圍內，以確保新建橋樁的安全和穩(wěn)定。
4.3.2穿越期間的參數(shù)設定
參數(shù)如下：①土倉壓力 上部0.8~1. 0bar(1bar=0.1MPa)；中部1.2~1.5bar；下部1.6~
1.8 bar；②推進速度 30~50mm/min；③總推力≤12 000kN；④排土量管理如表1所示，當每環(huán)排土達到預警值，或者每斗土的千斤頂行程不在控制范圍內時，盾構操作手必須上報，不得隱瞞，不得掘進，等待指令；⑤刀盤轉速 1.0~1. 2r/min；⑥扭矩 ≤2. 5MN .m；⑦注漿壓力 2.0~3.0bar;⑧注漿量5～6m3；⑨管片防水材料 過河段需要在EPDM橡膠密封墊及迎水面一側粘貼2mm厚遇水膨脹橡膠片，用以在管片張開時加強防泥、防水。過河段范圍為河床及河床兩側各10環(huán)，即右線第390環(huán)~
439環(huán)；左線第389環(huán)~ 438環(huán)。
4.3.3 橋樁深層水平位移監(jiān)測
橋樁施工時在24根樁基上選擇了9根樁布置了測斜管，在樁基施工后測得了初始值，盾構機穿越前、穿越過程中和穿越后分別進行了深層土體位移的測量工作，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和分析，9組數(shù)據(jù)變形規(guī)律基本一致，因盾構穿越期間未施工承臺、墩柱和橋跨結構，盾構隧道位于樁基上部，樁基位移上端大、下端小，同時每個監(jiān)測點分別采集了南北和東西方向的樁體深層水平位移，垂直隧道方向的位移較盾構推進方向的位移大。
以ZQT-1-5監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，本點在盾構機穿越前、中、后共進行了6次監(jiān)測，變形曲線如圖5所示。
由監(jiān)測點的變形曲線進行分析可以看出：
1)盾構通過對鉆孔灌注樁的水平位移影響不大。總體規(guī)律為隧道上部變形大于下部，因隧道施工期間新建橋梁承臺未施工，樁頂沒有承臺對變形形成約束，所以樁頂位移相對較大，最大位移達7. 16mm。
2)隧道底部埋深約14m，在盾構推進過程中從樁體水平位移曲線可以看出，隧道埋深以下樁體水平位移較小。
3)從新建樁基平面布置圖可知，盾構隧道從3排樁間通過，樁體東西方向變形以面向隧道為負，背離隧道為正，樁體東西方向以負為主。即橋樁均向隧道方向發(fā)生位移為主。主要原因為盾構掘進造成隧道周圍土層損失，隧道周圍土體向隧道方向移動，樁側受到樁后（背離隧道方向）主動土壓力影響產(chǎn)生向隧道內的位移；盾構機盾尾脫離管片后位移最大，12~ 24h后土體變形趨于穩(wěn)定，個別橋樁變形發(fā)生回彈。
4)左右線盾構機均由北向南推進，樁體南北方向位移以向北方向為主，最大位移5. 7mm，盾構機到達前開始發(fā)生位移，變形朝向隧道開挖方向。
5)樁體水平位移和距離隧道遠近有關，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，距離隧道較近的西側橋樁(1. 95m)大于東側橋樁(2. 74m)。
4.3.4樁側土壓力數(shù)據(jù)分析
盾構掘進過程中對埋設的9組27個土壓力盒數(shù)據(jù)進行了采集和處理，盾構通過期間，土壓力整體呈減小趨勢，盾構通過后，土壓力基本穩(wěn)定或有上升，最終土壓力值比通過前略小或相同。盾構機掘進初期，土壓力減小最快。
從整體監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，盾構隧道施工過程中樁側土壓力變化趨勢基本相同，每個監(jiān)測點位-共布置了3個土壓力盒，埋設深度分別對應隧道的上部、中部和下部，以TYL-1.1進行分析，其土壓力盒布置方向垂直于隧道方向，土壓力變化曲線如圖6所示。
1)土壓力盒隨樁基施工同步埋設，混凝土澆筑后3～7d測得了初始值，盾構推進過程中，在刀盤到達前、側穿和穿越后定時進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。
2)盾構機未到達前樁側土壓力稍微減小，穿越時土壓力變化幅度增大，變化值10~ 40kPa，盾構機通過后土壓力趨于穩(wěn)定。
3)土壓力變化和土壓力盒埋設位置和受力方向不同而不同，垂直于隧道掘進方向的土壓力盒會出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；盾構機通過后基本穩(wěn)定。
4)土壓力盒測得土壓力略小于計算得到的靜止側向土壓力值；盾構機土倉壓力根據(jù)計算值設定，上部土倉壓力原設定為0.8~1. 0bar，后根據(jù)實際測得土壓力進行了調整，調整為0.6~0. 8bar，因此在推進過程中未對樁基和土體造成擠壓和隆起，順利通過拔樁區(qū)域。
4.3.5地表沉降
在盾構隧道施工過程中還對地表沉降和西幅橋沉降進行了監(jiān)測，在盾構通過期間，西幅橋（東端橋樁長39m，距離右線隧道6.25m）未發(fā)生沉降和傾斜變形。
地表沉降在該區(qū)域最大值為18. 6mm，發(fā)生在右線隧道中間部位，左右線盾構機通過期間沉降速率和累計變形均小于規(guī)范和設計限值。
5 盾構穿越新建橋樁區(qū)數(shù)值模擬分析
在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎上，應用ANSYS軟件對盾構在新建橋樁區(qū)的掘進過程進行了模擬分析，在進行開挖計算時，一個開挖步包含兩個計算步，第1個計算步模擬開挖，施加盾尾注漿壓力，第2個計算步模擬上管片襯砌和注漿硬化。文中計算以2片管片為一個開挖步進行模擬計算。
以ZQT-3_4監(jiān)測點為例，樁在東西方向（垂直隧道掘進方向）位移如圖7所示。樁基受到盾構掘進開挖時在水平方向所受到的位移呈非線性變化。最大值出現(xiàn)在樁的上端。隨著深度的增加，樁在水平方向的位移變化趨勢呈收斂趨勢。
模型在掘進過程中土體的沉降位移變化如圖8所示，由位移云圖可知，盾構隧道的開挖、建筑環(huán)境對地層的影響范圍大體呈V形，在該土層下地表1倍洞徑以外沉降量較小，模擬數(shù)值地表最大沉降12mm略小于實測值；沉降變化的最大值出現(xiàn)在隧道孔的上下兩側，在上下襯砌頂面沉降曲線呈現(xiàn)出了2個波峰，在沉降較大部位應適當增大監(jiān)控布點的密度。
6結語
目前，盾構法是地鐵及其他市政工程中應用較為廣泛的施工工藝，施工過程中遇到穿越既有建筑物和市政橋梁或接近施工也在所難免，本文基于鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程中區(qū)間隧道穿越既有老丈八溝橋為實例，介紹了拔樁施工工藝和盾構穿越拔樁和新建橋樁區(qū)對新建樁基及周邊環(huán)境的影響，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。
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