李幸發(fā)

(中國中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

在現(xiàn)代城市建設中，地下空間的開發(fā)利用已成為其重要的組成部分［1］。我國自1965年始建北京地鐵后，國內(nèi)很多城市已在規(guī)劃發(fā)展地鐵，用以緩解地面交通壓力，上海、廣州和深圳等各大城市先后修建地鐵，長沙、武漢和南昌等城市也在籌備和實驗之中。可以預見，越來越多的城市地下交通將規(guī)劃和建設。

地鐵線路規(guī)劃基本處于城市人口居住和商業(yè)密集區(qū)域，不可避免地會出現(xiàn)諸如穿越既有線、建筑物以及市政地下構筑物等復雜環(huán)境［2］。隨之而來的在復雜環(huán)境下修建地鐵對既有建(構)筑物的影響成為不可回避的重要課題［3］。地鐵線路不可避免地要下穿一些建構筑物，從而導致建構筑物的樁基侵入隧道，需要對其進行處理，盾構才能安全通過。目前有關樁基處理的文獻已有很多，其中:文獻［4］介紹了廣州地鐵五號線下穿五羊邨過街樓洞內(nèi)樁梁式托換法施工技術;文獻［5］研究了擴大板式基礎托換及除樁施工方法;文獻［6］介紹了成都地鐵二號線下穿東門大橋樁基采用托臺換樁法對侵入隧道樁基進行托換處理的施工方法;文獻［7］介紹了主動托換洞內(nèi)截樁的施工技術;文獻［8］闡述了洞內(nèi)樁梁式托換在設計和施工過程中的關鍵工序和工程措施。而本文論述則針對盾構區(qū)間隧道下穿既有橋梁段采用的礦山法，利用隧道二次襯砌環(huán)梁承擔被托換樁基的荷載，結構處理難度大，工程施工具有較大的風險。

1 工程概況

1.1 工程范圍及地理位置

在珠江三角洲城際快速軌道交通廣佛線沙涌站至沙園站盾構區(qū)間隧道的施工中，左線隧道出沙涌站17 m后隨即下穿芳村大道沙涌橋，并先后有9根沙涌橋樁基侵入隧道，需要進行處理。由于芳村大道為廣州市主要交通干道之一，交通繁忙且地位重要，不允許地面交通受到影響。同時，周邊居民住宅小區(qū)密集，施工空間有限，工程風險較高，難度較大。為了保證盾構掘進過程中沙涌橋的功能得到正常發(fā)揮，避免影響地面交通及對地下管線造成破壞，并去除影響盾構向前推進的障礙物，本工程考慮采取在洞內(nèi)對既有橋梁樁基進行處理的方法，社會影響小、施工周期短，可降低造價并達到優(yōu)質(zhì)工程的目的。

1.2 工程及水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

沙涌站至沙園站盾構區(qū)間下穿沙涌橋段礦山法隧道位于沙涌河及沙涌橋下方位置，河涌常年平均水位深度約2 m，水面距地面高差約3 m。在地貌單元上屬珠江三角河網(wǎng)交錯的海陸沖積平原區(qū)，微地貌上屬于河岸坡堤。

本區(qū)間地層主要由白堊系地層及新生界的第四系地層組成，按時代和地層層序由新至老分別為:第四系(Q)包括全新統(tǒng)(Q4)及殘積土層，缺失中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng);全新統(tǒng)包括人工填土(Qml4)、全新世海陸交互相沉積層(Qmc4)、上更新統(tǒng)沖積—洪積砂層、土層(Qal+pl3)?；鶐r為白堊系上統(tǒng)大朗山組黃花崗段(K2d2a)地層上部是紫紅色鈣質(zhì)泥巖和紅色細砂巖，富含微體古生物化石，夾薄層石膏;下部是暗紅色鈣質(zhì)粉砂巖夾薄層礫巖、砂礫巖。白堊系上統(tǒng)西濠段(K2S2b)由褐紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層含礫粗砂巖及砂礫巖。根據(jù)本次勘察成果，黃花崗段(K2S2b)與西濠段(K2S2b)二段地層的界線約在里程ZDK23+890。屬內(nèi)陸湖相為主的礫、砂泥質(zhì)巖建造。

本區(qū)間土、巖層從上到下主要有:〈1〉人工填土層;〈2－1A〉為海陸交互沉積的淤泥層;〈2－2〉粉細砂層;〈4－1〉沖洪積粉質(zhì)黏土(或粉土)層;〈5－2〉殘積硬塑狀粉質(zhì)黏土層;〈6〉褐紅色泥質(zhì)粉砂巖全風化帶;〈7〉褐紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖強風化帶;〈8〉褐紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖中風化帶;〈9〉褐紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、砂礫巖微風化帶。洞身主要位于〈7〉強風化帶;〈8〉中風化帶，局部位于〈9〉微風化帶。各巖土分層及其特征如下:端頭隧道拱頂以上主要由〈1〉人工填土層、〈2－1B〉淤泥質(zhì)土、〈2－3〉中粗砂層、〈5－1〉可塑狀粉質(zhì)黏土層、〈6〉全風化泥質(zhì)粉砂巖層、〈7〉強風化泥質(zhì)粉砂巖層及〈8〉中風化泥質(zhì)粉砂巖層構成。地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 盾構空推段礦山法隧道地質(zhì)剖面圖(單位:m)Fig.1 Geological profile of the tunnel section(m)

1.2.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)間內(nèi)地下水的類型按其賦存方式可分為第四系松散層孔隙潛水和白堊系碎屑巖層狀(K2d2a、K2S2b)基巖裂隙微承壓水，其中隧道開挖范圍及其周邊的地下水類型為基巖裂隙微承壓水，其主要特征分述如下:主要分布在風化裂隙發(fā)育的巖石強風化帶〈7〉和中風化帶〈8〉，為承壓型或微承壓型裂隙含水層。地下水埋深隨基巖面起伏而不同，由于巖性及裂隙發(fā)育程度的差異，其富水程度與滲透性也不盡相同，其滲透性受基巖裂隙發(fā)育程度影響，具有一定的隨機性，局部裂隙發(fā)育，裂隙連通性較好，滲透性較強，致使地下水的滲透性在空間分布上的差異較大。巖性為泥質(zhì)粉砂巖的主要以泥巖為主，裂隙多為泥質(zhì)充填，滲透性較弱，富水性不強。巖性主為砂巖、砂礫巖，巖質(zhì)較硬，局部地下水的滲透性較強。

2 總體實施方案

沙涌站至沙園站盾構區(qū)間左線隧道出沙涌站17 m后采用礦山法開挖，礦山法完成并對侵入隧道樁基進行處理后，采用盾構空推［9］、拼裝管片最終完成本段隧道施工?？傮w施工方案示意圖如圖2。

圖2 總體施工方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of tunnel construction process

3 洞內(nèi)樁基托換

樁基托換是采用新增加基礎工程的方法，對既有的建構筑物某一部位的基礎結構進行部分或者完全替換，并與原有基礎共同承擔上部荷載，以取得預期的沉降和沉降差控制效果［10－11］。

沙涌橋樁基采用洞內(nèi)樁基托換，其施工貫穿于隧道施工的整個過程中。施工內(nèi)容主要包括:隧道開挖過程中樁底基巖的預留處理，隧道二次襯砌施工過程中橋樁與二次襯砌的連接處理，隧道施工完成后洞內(nèi)橋樁的截除。

3.1 橋梁樁基與隧道的關系

下穿沙涌橋段礦山法隧道施工范圍內(nèi)共有9根橋樁侵入隧道，其中φ 800 mm橋樁4根分別為3號橋墩1#，2#，3#，4#橋樁，φ1 000 mm 橋樁5 根分別為4 號橋墩5#，6#，7#，8#，9#橋墩，各橋樁與隧道平面位置關系見圖3。各橋樁與隧道斷面詳細位置關系見圖4和圖5。

圖3 沙涌橋橋樁與隧道平面位置關系圖Fig.3 Sketch showing positions of the pile foundations of Shayong Bridge and the tunnel

圖4 3號橋墩各橋樁與隧道斷面關系(單位:mm)Fig 4 . Relationship between existing piles of No.3 bridge pier and the tunnel(mm)

圖5 4號橋墩各橋樁與隧道斷面位置關系(單位:mm)Fig.5 Relationship between existing piles of No.4 bridge pier and the tunnel(mm)

3.2 樁底基巖處理

在隧道開挖過程中，對侵入隧道內(nèi)的橋樁必須予以保留，并盡量減少開挖對橋樁的擾動。對于樁底位于隧道斷面以內(nèi)的部分橋樁，開挖過程中樁底基巖即距樁中心半徑1.0 m范圍內(nèi)的基巖暫不開挖，用作支承橋樁，待截樁后再挖除預留基巖。須預留樁底基巖的橋樁分別為:3號橋墩4#橋樁(ZDK22+958.337)、4 號橋墩 5#橋樁(ZDK22+953.589)、4 號橋墩 6#橋樁(ZDK22+950.281)和4號橋墩7#橋樁(ZDK22+945.381)，樁底基巖預留見圖6。

對于樁底位于隧道開挖輪廓以內(nèi)的橋樁，在探孔探明樁底標高后，沿隧道縱向于每根橋樁底部打設2根注漿孔，詳見圖7，灌注水泥漿(水灰質(zhì)量比1∶1)加固樁底地層，以保證樁端持力層滿足橋梁樁基承載力需要。樁底注漿所用注漿管采用φ 50 mm，壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，管長4 m，注漿管尾端加工絲扣并安裝閥門;注漿管安裝過程中包裹棉布用于填充注漿管與鉆孔之間的空隙，安裝完成后使用快干水泥封堵鉆孔口部與注漿管之間的空隙。橋樁底部注漿過程中，應嚴格控制注漿壓力，并對橋梁樁基進行監(jiān)測，防止因為注漿壓力過大而將橋樁頂起。

圖6 樁底基巖預留情況(單位:mm)Fig.6 Reserved bedrock at pile base(mm)

樁底基巖預留過程中應盡量減少巖石暴露時間避免巖石風化，應盡量做到一次開挖成型，其開挖方法采用人工手持風鎬開挖，成型后立即采用φ 8鋼筋網(wǎng)(250 mm×250 mm)加5 cm噴射混凝土封閉巖面。樁底預留基巖處理見圖8。

3.3 樁基與二次襯砌的連接

樁基托換中最關鍵的部分是托換梁與原樁的連接，只有托換梁與原樁進行了可靠的連接，才能保證原樁受力狀態(tài)逐步轉換到新樁上。

隧道開挖初期支護施工完成后，立刻封閉掌子面并調(diào)頭反方向施工隧道二次襯砌，二次襯砌施工過程中遇橋樁時，使用水鉆在橋樁上二次襯砌鋼筋對應位置鉆孔，以使二次襯砌鋼筋穿孔通過。其中拱頂位置橋樁鉆孔內(nèi)排φ 70，外排φ 50;拱墻位置橋樁鉆孔為φ 80。根據(jù)侵入隧道的樁基與隧道斷面的位置關系，分為樁基與拱頂二次襯砌鋼筋連接和樁基與拱墻二次襯砌鋼筋連接兩種情況的施工處理。

圖7 橋樁底部注漿加固示意圖Fig.7 Schematic diagram of grouting reinforcement at pile base

圖8 樁底預留基巖處理示圖Fig.8 Diagram of treatment of bedrock at pile base

3.3.1 樁基與拱頂二次襯砌鋼筋連接

1#，2#和3#與隧道拱頂二次襯砌連接的橋樁分別為3號橋墩樁及4號橋墩6#，7#，8#樁共6根橋樁，其與隧道斷面的詳細位置關系見圖4和圖5。二次襯砌施工過程中使用水鉆在橋樁上二次襯砌內(nèi)排鋼筋對應位置鉆φ 70 mm孔洞，外排鋼筋對應位置鉆φ 50 mm孔洞，鉆孔數(shù)量分別為 φ 800 mm橋樁鉆孔4個，φ 1 000 mm橋樁鉆孔5個。鉆孔布置及鉆孔順序見圖9和圖10所示。迎土側每個鉆孔供1根二次襯砌主筋穿過，背土側每個鉆孔供2根二次襯砌主筋穿過。每處鉆孔完成后立即將鋼筋穿過鉆孔，并使用高壓空氣將鉆孔內(nèi)吹干后填充M15微膨脹水泥砂漿。鋼筋穿過鉆孔處理見圖11。

圖9 φ 800橋樁與二次襯砌連接鉆孔布置圖Fig.9 Layout of boreholes to connect φ 800 pile and secondary lining

圖11 鋼筋(拱頂)穿過鉆孔處理示意圖Fig.11 Treatment of reinforcing bars(at the crown)penetrating through the borehole

3.3.2 樁基與拱墻二次襯砌鋼筋連接

與隧道拱墻二次襯砌連接的橋樁分別為3號橋墩4#樁及4號橋墩5#，9#樁共3根橋樁，其與隧道斷面的詳細位置關系參見圖4和圖5。在二次襯砌施工過程中此3根橋樁與拱墻二次襯砌的接觸面積相對較大，其連接處理亦較上述橋樁與拱頂二次襯砌的連接處理更為復雜，但其基本處理方式相同。二次襯砌施工過程中使用水鉆在橋樁上相應位置鉆φ 80 mm孔洞，鉆孔數(shù)量分別為3號橋墩4#樁和4號橋墩9#樁各8個鉆孔，4號橋墩5#樁11個鉆孔。鉆孔布置及鉆孔順序見圖12。每個鉆孔供3根φ 32鋼筋穿過，每處鉆孔完成后立即將鋼筋穿過鉆孔，并使用高壓空氣將鉆孔內(nèi)吹干后填充M15微膨脹水泥砂漿，鋼筋穿過橋樁后鋼筋前后兩端錨入二次襯砌鋼筋內(nèi)長度不小于35d(1 120 mm)見圖13。鋼筋穿過鉆孔處理見圖14。

圖12 橋樁與拱墻二次襯砌連接鉆孔布置圖Fig.12 Layout of boreholes to connect the existing bridge pile and the arch and side wall of secondary lining

3.3.3 樁基與二次襯砌混凝土連接

上述二次襯砌鋼筋與橋樁連接處理完成后，將與二次襯砌連接區(qū)段內(nèi)的橋樁表面做鑿毛處理，然后完成其余二次襯砌鋼筋制作安裝后，再支設模板并澆筑混凝土，將既有橋梁樁基與隧道二次襯砌形成整體，新舊混凝土之間通過界面處理保證兩者之間的黏結力［12］?；炷潦┕袷貒椰F(xiàn)行標準GB 50204—2011《混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》［13］的規(guī)定。對于3號橋墩4#樁及4號橋墩5#樁樁底預留基巖處，二次襯砌鋼筋斷開，二次襯砌混凝土在此處預留孔洞，待樁基托換完成后，鑿除樁底預留的基巖，將加工成型的鋼筋籠安裝于橋樁之下，并確保鋼筋籠與橋樁軸心重合，然后支設模板澆筑與二次襯砌同等級的補償收縮混凝土封堵孔洞。鋼筋籠配筋見圖15。

圖13 鋼筋(拱墻)穿過橋樁鉆孔布置示意圖Fig.13 Layout of boreholes for reinforcing bars(at the arch and side wall)to penetrate through the existing bridge pile

圖14 鋼筋(拱墻)穿過鉆孔處理示意圖Fig.14 Treatment of reinforcing bars(at the arch and side wall)penetrating through the borehole

圖15 橋樁底部托換樁配筋圖Fig.15 Arrangement of reinforcing bars of underpinning pile underneath of the existing bridge pile

3.4 隧道內(nèi)截樁

下穿沙涌橋段礦山法隧道二次襯砌施工完成，且結構混凝土達到設計強度后，隨即對侵入隧道凈空內(nèi)的橋樁進行截除。截樁施工順序為由洞口向洞內(nèi)方向進行，截樁必須遵循“先截斷、再外運、后破碎”的原則。即首先采用人工手持風鎬沿二次襯砌內(nèi)輪廓將橋樁切斷與二次襯砌分離，然后再截斷成1.5 m左右的小段，以便出渣運輸車水平運輸出隧道，最后通過龍門吊垂直運輸至地面后采用油壓炮機進行破碎，見圖16。

圖16 隧道內(nèi)截樁示意圖Fig.16 Pile cutting inside the tunnel

因截樁施工順序為由洞口向洞內(nèi)方向進行，所以二次襯砌混凝土澆筑完成后靠近橋樁附近的2～3排腳手架暫時不拆除，并進行必要的加固，如加設剪刀撐、連接件、腳手板等，然后用作截樁施工的作業(yè)平臺。

截樁作業(yè)平臺搭設完成后，首先采用人工手持風鎬沿二次襯砌內(nèi)輪廓將橋樁的鋼筋保護層混凝土鑿除;再使用氧氣－乙炔焰按“割三留一”的方式割斷橋樁75%的主筋，剩余主筋暫不割斷，以免部分樁底在隧道開挖輪廓內(nèi)的橋樁在截斷過程中倒塌;鋼筋割斷后沿剩余鋼筋之間的空隙鑿除橋樁核心混凝土;最后采用相同的方法自上而下將橋樁按1.5 m左右長度分段截斷并裝車外運出隧道。

橋樁截斷后二次襯砌內(nèi)的樁體斷口必須及時沿二次襯砌內(nèi)輪廓打鑿平整，然后使用原漿找平，避免此部位托換橋樁的二次襯砌鋼筋以及橋樁主筋長時間暴露而銹蝕。

4 應急預案

4.1 地表、周邊建構筑物及橋樁沉降異常應急處理預案

1)出現(xiàn)沉降異常立即停止開挖，查明原因，確定控制沉降措施。

2)查明沉降無危害后，施工照常進行，但采取控制進度和加強防護的辦法渡過此段，施工中嚴格控制沉降速率并將沉降值控制在標準范圍內(nèi)，采用儀器監(jiān)測進行施工。

3)發(fā)現(xiàn)建筑物沉降速率過快或沉降值超出規(guī)定范圍立即停止施工，及時采取支護措施或補救措施。

4)橋樁出現(xiàn)異常沉降，事故救援組使用準備好的2～4個I18鋼三腳架斜撐通過膨脹螺絲固定至下沉橋樁上，穩(wěn)定橋樁防止橋樁繼續(xù)下沉;立即在橋面系下方使用鋼管支撐或腳手架加固橋面，避免橋面因橋樁下沉而進一步破壞。

4.2 地下管線斷裂或破損應急預案

1)及時查明管道線路性質(zhì)，了解結構，并聯(lián)系相關管線部門。

2)組織應急人員進行管道清淤，引排污水，然后進行支護。

3)用事先準備好的管道及時將破損的管道更換。

4)安裝后認真檢查確認無漏水處后進行回填。

4.3 隧道塌方應急預案

1)先加固連接未坍塌地段的結構物，防止坍方發(fā)展擴大。

2)小坍方(縱向不長，坍穴不高)時，可利用坍塌間隙時間，首先加固坍體兩端洞身，并抓緊噴射混凝土或錨噴聯(lián)合支護，封閉坍穴頂部。也可在坍方上架設臨時支撐，待支穩(wěn)頂部，再邊清碴邊換正式支撐。

3)大坍方(坍穴高、坍渣量大)時，在加固兩端洞身后暫不處理頂部，不清渣，可采用先護后挖法。當坍方仍有發(fā)展，先將頂部情況摸清并處理妥當，再進行下部施工。

4.4 隧道涌水應急預案

1)停止隧道開挖施工。

2)采用快速水泥迅速將涌水口部進行封堵。

3)掌子面迅速用工字鋼、方木、鋼筋、鋼筋網(wǎng)進行加固、封堵，并焊接雙層鋼筋網(wǎng)。

4)立即采用混凝土噴射機對封閉部位進行噴射混凝土封閉，封閉厚度根據(jù)現(xiàn)場情況而定。

5)針對涌水部位迅速打設注漿鋼管，并對其進行注漿，以改善或加固周圍地層。

6)加強隧道周圍降水能力，將地下水位降至開挖面以下。

7)將隧道內(nèi)積水清理干凈，并加強觀測，防止二次涌水事故發(fā)生。

5 施工監(jiān)控量測

為了及時收集、反饋、分析周圍環(huán)境要素及橋梁結構在施工中的變形信息，確保隧道開挖、托換施工安全，對周邊環(huán)境、橋臺傾斜、基礎下沉等進行了全面監(jiān)測［14］。特別是，在施工過程中加強洞內(nèi)和地面橋梁的監(jiān)控量測，作好記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施并反饋給各個單位，做到信息化施工［15］。

1)監(jiān)測項目。被托換樁基及相鄰樁基的沉降、傾斜，橋面板裂縫觀測，地面沉降及裂縫，地下水位監(jiān)測等。

2)測點布置。見圖17。

3)監(jiān)測結果。樁基托換完成和盾構空推通過后，被托換樁基最大累計沉降為7.89 mm，相鄰樁基沉降梁均較小。各階段最大沉降點沉降曲線見圖18。

以信息化施工、動態(tài)管理為目的，通過監(jiān)控量測了解施工方法和施工手段的科學性和合理性，以便及時調(diào)整施工方法，保證施工安全及地面建(構)筑物和地下管線的安全。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理掌握隧道和圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律、修改或確認設計及施工參數(shù)，確保建(構)物的安全，并為今后類似工程的建設提供經(jīng)驗。

圖17 測點布置Fig.17 Layout of monitoring points

圖18 各階段最大沉降點沉降曲線Fig.18 Maximum settlement measured at different monitoring points during different stages

6 結論與討論

1)根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測結果可以看出，被托換樁基最大累計沉降為7.89 mm，最大差異沉降為2.78 mm，未出現(xiàn)異常沉降，充分說明此次樁基托換是可靠的，施工是成功的。

2)橋梁樁基與二次襯砌連接部位存在滲漏水情況，應重點解決新舊混凝土界面連接處理及防水問題。

3)傳統(tǒng)的樁基托換都是在地面進行，具有施工進度快、經(jīng)濟性高的優(yōu)點，但對于周邊環(huán)境條件復雜的樁基托換工程，其適應性也受到了很大影響。本工程采用的洞內(nèi)樁基托換，并利用隧道二次襯砌環(huán)梁承擔被托換樁基的荷載。

4)實踐證明，此次盾構隧道穿越既有橋梁樁基，在洞內(nèi)進行樁基托換，對保持既有橋梁在正常運營下進行托換施工，具有一定的參考及借鑒價值，可以在類似的工程中推廣應用。

5)與地鐵隧道施工相關的許多樁基處理施工技術已經(jīng)很成熟，在不同的限制條件下，應該結合施工現(xiàn)場具體情況，科學合理地選擇處理方法，將更多的新工藝新技術應用到地鐵隧道建設中來。

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