盾构穿越桥桩区施工技术研究

 路建民1，张  艳2

（1．郑州市第一建筑工程集团有限公司，河南郑州  450004：2．郑州市工程质量监督站，河南郑州  450016）

[摘要]城市轨道交通工程建设中，往往因线路与既有建（构）筑物的基础结构冲突或过近而绕行或改线，给工程建设带来一定的影响。以郑州市某地铁线路中穿越既有桥梁桩基区域为背景，介绍了灌注桩拔除施工工艺，对新建桩基在盾构近距离穿越期间的性状变化进行了分析，并提出了盾构在类似地层情况下近接施工的建议。

[关键词]盾构；桩基；拔除；变形；监测；数值模拟分析

[中图分类号]U455. 43 [文章编号]1002-8498(2016)10-0108-05

 在地铁施工中，拟建地铁施工环境日趋复杂，地铁新线与旧线的交叉、新规划线路之间的交叉越来越多，施工中穿越桥梁、建筑物等诸多地下结构物的情况增多，因此，开展拟建地铁隧道穿越既有结构物的施工技术研究，不仅对现代城市的市政工程建设具有重要的指导作用，而且还具有重要的社会意义。

 本文针对郑州市某地铁线路盾构穿越老丈八沟桥这一工程案例，结合现场调研，确定拔桩方案并建立盾构穿越结构物的模拟分析，在盾构整个穿越施工过程中，对新建桥桩、桥梁、盾构隧道及周边环境的深层水平位移、沉降和土压力等进行了监测，根据监测数据对施工工序和参数进行调整，确保盾构机在穿越拔桩区域时不对地表、周边构筑物和新建桩基造成影响或破坏。

1  工程概况

 老丈八沟桥位于郑州航空港区郑港六路郑港四街交叉口北50m处，为东西两幅3跨预应力混凝土简支空心板梁，采用五柱式墩与重力式桥台，钻孔灌注桩式桥墩基础，全桥长44. 04m。某地铁线路盾构区间需穿越东幅桥梁的灌注桩基础，盾构穿越前对该幅桥梁进行拆除，影响盾构区间的3排共计12根钻孔灌注桩予以拔除，西幅桥梁保持正常通行，钻孔灌注桩桩径1. 3m，桩长39m，拔除长度16~18m。其相互关系如图1所示。

 根据设计及勘察资料，地下水类型为潜水，其稳定水位埋深为9. 540~12. 590m，稳定水位标高为123. 340~124. 970m，含水层主要为粉土⑤1层、粉砂⑤2层、粉质黏土⑤7层、粉土⑥2层及粉质黏土⑥1层。隧道范围及以上土层主要为粉砂、粉土和粉砂层。拔桩和盾构施工期间河水深度约2. 0m。

2施工工艺

 本工程的总体施工工序为：东幅桥梁破除→桩基拔除→新建桥桩打设→监测元件埋设→盾构机穿越→桥梁上部施工。

3桩基拔除

 为保证盾构机如期顺利穿越该区域，对拔桩方法进行了多次讨论分析，最终选用了2种拔桩方案：静力沉管加水力切割拔桩和全套管无损拔桩施工技术。

3.1  静力沉管加水力切割拔桩技术

 静力沉管加水力切割拔桩技术，其原理是利用液压千斤顶及反力装置分节压入护筒，护筒沉入1m后，以外侧套管作为护壁，内侧采用高压水幕，将旧桩周围的土体及障碍物实施土体分离减摩，在旧桩拔出时只需考虑桩的自重，无需再考虑桩周围的摩阻力。先用钢丝绳送到离桩顶下3m左右位置锁牢后用大吨位起重机将旧桩拔出预吊紧，然后安装金刚石链锯机装置、设备在反力架平台上操作切断旧桩体，然后平稳起吊（见图2）。使用该方法拔桩施工，外侧减摩和整体吊桩是施工关键。由于该施工方法拔桩是用金刚石链条切断旧桩体后用钢丝绳起吊拔桩，能将整桩拔出，具有一定的安全性。同时该工法施工对地基土不会出现扰动，在回填土的性状接近或稍强于原状土时，可以满足盾构穿越的各项要求，确保盾构机平稳通过此段落施工。

 钢护筒采用PLC同步顶升力分节压入，千斤顶顶部设置反力架，千斤顶反力必须克服最大节段的摩阻力，压入到位后，高压水冲洗切土，压入深度为设计截桩位置以下1m。压入过程中，采用高压空气辅助下沉，特殊情况下还可利用振动锤辅助压入。

 钢护筒压入到设计深度，将护筒内泥水清理干净后，采用金刚石链条锯将灌注桩截断并固定牢固后吊出，切割过程中应做好操作人员的防护工作。

 钢护筒拔除期间同样采用分节拔除方案，拔除时为了有效地减小拔除力，必须在钢护筒外侧辅助高压空气减摩，旧桩基拔除后在反力桁架跨中间部位安装1条直径0. 5m、厚度12mm的无缝钢管与待拔除桩基锚固在一起，并和定位钢管桩连接形成整体的反力系统，钢护筒拔除时利用反力系统为钢护筒分节拔除提供压力。为确保桩孔内的回填土填充密实，回填土与拔除同步，每拔除1m随即回填水泥土并夯实处理。

3.2  全套管无损拔桩技术

 桩基拔除的第2种方案采用全钢套筒沉入，将桩身与土体分离减摩后将旧桩拔除或彻底清除的方法，该设备是能够驱动钢套管做周回转以将钢套管压入和拔除的施工机械，该设备在作业时产生的下压力和扭矩驱动钢套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物的切削作用，将套管钻人地下至桩底，然后利用液压起拔设备将桩拔除。最后向套管内回填黏土并压实，在回填的同时逐节拔除钢套管。在整个过程中套管钻进及液压起拔设备对钻孔桩的起拔是施工关键。该工法最大的特点是可将套管钻人有岩层或高强障碍物的土层，利用套管的护壁作用，在套管内拔桩，施工安全，工效高，对周围环境影响极少。

 全套管无损拔桩设备的选型应根据桩基直径、埋深和地质情况综合考虑，本工程中我们选用套管直径2. 5m，最大压缩强度206MPa，最大起拔力3 050kN的3600套管机，完全能够满足设计要求和施工要求。

 考虑到本工程桩基直径较大、整桩抗拔力较大等因素，整个拔桩过程拟采用分段截除、分段吊离、多次重复的方式。钢套管沉入预定深度后，实现了桩周分离减摩，然后下放专用设备到套管内将桩身上部约10m内截断，再使用起重设备下放钢丝绳将已被截断并与整个桩身脱离的部分桩锁扣牢固，一次性拔出；实施完成上部桩体拔除后，用抓斗清除施工过程中掉入套管内的泥土再次暴露出桩头，然后重复上次工艺直至将桩身拔除到预定深度或全

部拔除。拔桩过程中起拔速度不宜过快，一边用起重设备缓慢用力，一边用全回转套管机驱动钢套管旋转减少桩体摩擦应力。拔除的旧桩整齐堆放于现场，待累计一定数量后即时清理或外运。桩体拔出后应重视桩孔回填土质量，保证盾构穿越期间桩孔处不发生较大沉降或冒浆和土仓压力变化。

4  盾构穿越新建桥桩区监测方案及数据分析

4.1  新建桥桩与盾构穿越

 老丈八沟桥东幅拆除后还需在原位进行新建修复（避开盾构隧道），且在盾构机到达前完成新建桥的桩基施工；新建桥桥跨布置为3 x13m简支预应力混凝土空心板，上部为13m跨预应力空心板，下部桥墩采用柱接盖梁桥墩，柱径1. 2m，墩高5m;桩接承台基础，桩径1. 3m，桩长43m;桥台采用柱接盖梁桥台，柱径1. 2m，墩高1.5m;桩接承台基础，桩径1. 3m，桩长39m;桩基共计24根。其位置关系如图3所示。

 盾构机在穿越拔桩区前应完成新建桥梁的桩基施工，区间隧道于右线里程：K54+825-K54+875处下穿老丈八沟及老丈八沟桥，对应管片环数为400~ 430环。右线盾构于2015年5月20日-2015年5月22日顺利穿越；左线盾构于2015年6月15日-2015年6月17日顺利穿越。右线盾构穿越前1～8号承台对应的桩基施工完成，左线盾构通过前9~12号承台对应的桩基施工完成。

4.2监测项目及监测布置

 根据本工程的周围环境、地铁本身的安全等级及施工特点，在施工过程中主要开展如下监测项目：①桩体水平位移监测；②桩周土压力；③地表（含西幅桥）沉降；④隧道竖向位移。

 在新建桥桩内布置桩体深层水平位移观测点，共布置9个测点，编号为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。同时为观察盾构机穿越过程中新建桥桩周边土压力的变化，在布置了测斜管的灌注桩周布置了9个土压力点位，编号为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，每个监测点埋设3个土压力盒，分别埋设在对应地铁轮廓线的上、中、下部（见图4）。

4.3变形监测及分析

4. 3.1穿越期间的工程概况

 盾构隧道在穿越老丈八沟桥区域覆土厚度4.2~ 11m，在河底处12m范围内覆土深度为4.2m，为超浅覆土。为保证盾构掘进质量，盾构穿越前对该范围进行了回填土压载，回填厚度约4m。地下水类型为潜水，水位深度约8m，河流河水深度约1.0m。

 新建桥桩位置对应盾构区间管片编号为第400环~第430环，因此当盾构机掘进至相应管片位置时，对新建桥桩开展对应的监测项目。监测过程中，实时保持对盾构机掘进进度的掌握，适时调整监测对象和监测频率。根据监测成果，及时调整及优化盾构推进参数，将盾构施工的影响区域内的变形控制至合理范围内，以确保新建桥桩的安全和稳定。

4.3.2穿越期间的参数设定

 参数如下：①土仓压力  上部0.8~1. 0bar(1bar=0.1MPa)；中部1.2~1.5bar；下部1.6~

1.8 bar；②推进速度  30~50mm/min；③总推力≤12 000kN；④排土量管理如表1所示，当每环排土达到预警值，或者每斗土的千斤顶行程不在控制范围内时，盾构操作手必须上报，不得隐瞒，不得掘进，等待指令；⑤刀盘转速  1.0~1. 2r/min；⑥扭矩  ≤2. 5MN .m；⑦注浆压力  2.0~3.0bar;⑧注浆量5～6m3；⑨管片防水材料  过河段需要在EPDM橡胶密封垫及迎水面一侧粘贴2mm厚遇水膨胀橡胶片，用以在管片张开时加强防泥、防水。过河段范围为河床及河床两侧各10环，即右线第390环~

439环；左线第389环~ 438环。

4.3.3  桥桩深层水平位移监测

 桥桩施工时在24根桩基上选择了9根桩布置了测斜管，在桩基施工后测得了初始值，盾构机穿越前、穿越过程中和穿越后分别进行了深层土体位移的测量工作，通过对监测数据的采集和分析，9组数据变形规律基本一致，因盾构穿越期间未施工承台、墩柱和桥跨结构，盾构隧道位于桩基上部，桩基位移上端大、下端小，同时每个监测点分别采集了南北和东西方向的桩体深层水平位移，垂直隧道方向的位移较盾构推进方向的位移大。

 以ZQT-1-5监测数据为例，本点在盾构机穿越前、中、后共进行了6次监测，变形曲线如图5所示。

 由监测点的变形曲线进行分析可以看出：

 1)盾构通过对钻孔灌注桩的水平位移影响不大。总体规律为隧道上部变形大于下部，因隧道施工期间新建桥梁承台未施工，桩顶没有承台对变形形成约束，所以桩顶位移相对较大，最大位移达7. 16mm。

 2)隧道底部埋深约14m，在盾构推进过程中从桩体水平位移曲线可以看出，隧道埋深以下桩体水平位移较小。

 3)从新建桩基平面布置图可知，盾构隧道从3排桩间通过，桩体东西方向变形以面向隧道为负，背离隧道为正，桩体东西方向以负为主。即桥桩均向隧道方向发生位移为主。主要原因为盾构掘进造成隧道周围土层损失，隧道周围土体向隧道方向移动，桩侧受到桩后（背离隧道方向）主动土压力影响产生向隧道内的位移；盾构机盾尾脱离管片后位移最大，12~ 24h后土体变形趋于稳定，个别桥桩变形发生回弹。

 4)左右线盾构机均由北向南推进，桩体南北方向位移以向北方向为主，最大位移5. 7mm，盾构机到达前开始发生位移，变形朝向隧道开挖方向。

 5)桩体水平位移和距离隧道远近有关，从监测数据可知，距离隧道较近的西侧桥桩(1. 95m)大于东侧桥桩(2. 74m)。

4.3.4桩侧土压力数据分析

 盾构掘进过程中对埋设的9组27个土压力盒数据进行了采集和处理，盾构通过期间，土压力整体呈减小趋势，盾构通过后，土压力基本稳定或有上升，最终土压力值比通过前略小或相同。盾构机掘进初期，土压力减小最快。

 从整体监测数据来看，盾构隧道施工过程中桩侧土压力变化趋势基本相同，每个监测点位-共布置了3个土压力盒，埋设深度分别对应隧道的上部、中部和下部，以TYL-1.1进行分析，其土压力盒布置方向垂直于隧道方向，土压力变化曲线如图6所示。

1)土压力盒随桩基施工同步埋设，混凝土浇筑后3～7d测得了初始值，盾构推进过程中，在刀盘到达前、侧穿和穿越后定时进行数据监测。

 2)盾构机未到达前桩侧土压力稍微减小，穿越时土压力变化幅度增大，变化值10~ 40kPa，盾构机通过后土压力趋于稳定。

 3)土压力变化和土压力盒埋设位置和受力方向不同而不同，垂直于隧道掘进方向的土压力盒会出现先增大后减小的趋势；盾构机通过后基本稳定。

 4)土压力盒测得土压力略小于计算得到的静止侧向土压力值；盾构机土仓压力根据计算值设定，上部土仓压力原设定为0.8~1. 0bar，后根据实际测得土压力进行了调整，调整为0.6~0. 8bar，因此在推进过程中未对桩基和土体造成挤压和隆起，顺利通过拔桩区域。

4.3.5地表沉降

 在盾构隧道施工过程中还对地表沉降和西幅桥沉降进行了监测，在盾构通过期间，西幅桥（东端桥桩长39m，距离右线隧道6.25m）未发生沉降和倾斜变形。

 地表沉降在该区域最大值为18. 6mm，发生在右线隧道中间部位，左右线盾构机通过期间沉降速率和累计变形均小于规范和设计限值。

5  盾构穿越新建桥桩区数值模拟分析

 在现场监测的基础上，应用ANSYS软件对盾构在新建桥桩区的掘进过程进行了模拟分析，在进行开挖计算时，一个开挖步包含两个计算步，第1个计算步模拟开挖，施加盾尾注浆压力，第2个计算步模拟上管片衬砌和注浆硬化。文中计算以2片管片为一个开挖步进行模拟计算。

 以ZQT-3_4监测点为例，桩在东西方向（垂直隧道掘进方向）位移如图7所示。桩基受到盾构掘进开挖时在水平方向所受到的位移呈非线性变化。最大值出现在桩的上端。随着深度的增加，桩在水平方向的位移变化趋势呈收敛趋势。

 模型在掘进过程中土体的沉降位移变化如图8所示，由位移云图可知，盾构隧道的开挖、建筑环境对地层的影响范围大体呈V形，在该土层下地表1倍洞径以外沉降量较小，模拟数值地表最大沉降12mm略小于实测值；沉降变化的最大值出现在隧道孔的上下两侧，在上下衬砌顶面沉降曲线呈现出了2个波峰，在沉降较大部位应适当增大监控布点的密度。

6结语

 目前，盾构法是地铁及其他市政工程中应用较为广泛的施工工艺，施工过程中遇到穿越既有建筑物和市政桥梁或接近施工也在所难免，本文基于郑州市南四环至郑州南站城郊铁路工程中区间隧道穿越既有老丈八沟桥为实例，介绍了拔桩施工工艺和盾构穿越拔桩和新建桥桩区对新建桩基及周边环境的影响，以期为今后类似工程提供借鉴和参考。