彭紅霞，王懷東，高姝妹

(1.南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210008;2.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;3.西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系，四川成都 610031)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)越來(lái)越多地利用地下空間，而地下空間的開(kāi)發(fā)則經(jīng)常面臨地下障礙物的處理問(wèn)題。

上海軌道交通10號(hào)線溧陽(yáng)路站—曲陽(yáng)路站區(qū)間隧道下穿四平路沙涇港橋樁基工程［1］，由于地層軟弱，采用地基加固后擴(kuò)大板式基礎(chǔ)托換的方法。南京地鐵三號(hào)線下穿高架橋工程［2］，盾構(gòu)隧道與高架樁基沖突，由于地質(zhì)條件好、穿越樁基數(shù)量少，因此采用常規(guī)的樁基托換處理方法。周冠南等［3］對(duì)成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)近距離穿越某建筑樁基托換工程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果顯示托換達(dá)到理想效果。廣州地鐵五號(hào)線地下巖石強(qiáng)度高，并存在有少量地下障礙物(約40 m)，采用了礦山法開(kāi)挖，然后在隧道內(nèi)回填砂漿后盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)［4］。廣州大學(xué)城供熱供冷管道過(guò)江盾構(gòu)隧道通過(guò)160 m長(zhǎng)的礦山法隧道［5］、深圳地鐵2號(hào)線東角頭站—灣廈站盾構(gòu)區(qū)間通過(guò)孤石群礦山法隧道［6］，考慮到地層穩(wěn)定、透水性差和地下水匱乏，但巖石強(qiáng)度大或存在地下障礙物盾構(gòu)掘進(jìn)困難等因素，均采用了礦山法清除高強(qiáng)度巖石或障礙物后，盾構(gòu)再通過(guò)礦山法隧道的處理方法。

目前，在城市地下隧道的施工中遇樁基時(shí)多采用托換方法進(jìn)行處理，對(duì)硬巖等地下障礙物多采用礦山法破除后盾構(gòu)掘進(jìn)處理，而盾構(gòu)穿越軟流塑地層群樁基地下障礙物處理工程實(shí)例極少。本文以南京地鐵三號(hào)線大明區(qū)間下穿橋梁式夾崗過(guò)街涵工程為背景，針對(duì)富水軟流塑地層中的箱涵及其群樁基礎(chǔ)，提出了采用蓋挖施工矩形鋼筋混凝土箱涵托換原箱涵后，礦山法隧道內(nèi)截除樁基，然后礦山法隧道回填低強(qiáng)度材料、盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)的綜合處理措施。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

南京地鐵三號(hào)線大明路站—明發(fā)廣場(chǎng)站區(qū)間隧道為左右線分離式單洞單線隧道，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道外徑6 200 mm，選用海瑞克φ6 480 mm鉸接型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。區(qū)間隧道穿越夾崗過(guò)街涵段地層主要為②－3b3－4軟至流塑狀粉質(zhì)黏土、②－2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地層具有強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度中等的特點(diǎn);地下水主要為孔隙潛水，地層含水量豐富、滲透性弱。

區(qū)間穿越的寧溧路夾崗過(guò)街涵地段雨水管、自來(lái)水管、通信電纜、軍用光纜等地下管線分布較多，夾崗過(guò)街涵上方為市政高架，高架橋下方、盾構(gòu)隧道上方的綠化帶內(nèi)有一組10 kV環(huán)控柜及變壓器，此地段交通繁忙、地下管線分布復(fù)雜，地下管線遷改難度大、費(fèi)用高。

1.2 樁基概況

寧溧路夾崗過(guò)街涵按橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用支護(hù)樁作為新建涵洞(橋梁)擋土結(jié)構(gòu)，橋梁基礎(chǔ)樁作為承力結(jié)構(gòu)，道路路幅內(nèi)橋面為預(yù)制鋼筋混凝土行車(chē)道板，道路路幅以外按整體現(xiàn)澆頂板設(shè)計(jì)。其中道路路幅范圍內(nèi)基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)30 m，直徑1 000 mm，樁距3.6 m;道路路幅范圍外基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)23.5 m，直徑1 000 mm，樁距2.4 m;支護(hù)樁樁長(zhǎng) 17 m，直徑1 000 mm，樁距 1.2 m，與基礎(chǔ)樁間隔設(shè)置。

1.3 盾構(gòu)隧道與樁基關(guān)系

區(qū)間隧道與下穿夾崗過(guò)街涵樁平面圖和立面圖如圖1和圖2所示。受兩端車(chē)站埋深和行車(chē)縱坡影響，區(qū)間隧道最大埋深僅15.7 m，區(qū)間隧道平面范圍內(nèi)樁長(zhǎng)為17 m、樁基41根，樁長(zhǎng)為23.5 m、樁基16根，樁長(zhǎng)為30 m、樁基11根均不同程度侵入隧道范圍，為確保盾構(gòu)隧道的順利實(shí)施及運(yùn)營(yíng)階段安全，盾構(gòu)隧道施工前需對(duì)群樁障礙物進(jìn)行處理。

圖1 區(qū)間隧道下穿夾崗過(guò)街涵平面示意圖Fig.1 Sketch showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

圖2 區(qū)間隧道下穿夾崗過(guò)街涵樁立面圖Fig.2 Profile showing Metro tunnel crossing underneath Jia’gang street-crossing culvert

2 群樁障礙物處理關(guān)鍵技術(shù)

常用的樁基處理方案有樁基拔除和樁基托換2種，結(jié)合本工程過(guò)街涵橋面為市政道路、樁基密集且數(shù)量較大的特點(diǎn)，對(duì)樁基方案進(jìn)行比選，如表1所示。

1)方案1:拔樁、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)箱涵恢復(fù)、盾構(gòu)正常掘進(jìn)方案。即對(duì)地面交通進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)改、工程范圍內(nèi)管線臨時(shí)遷移，在地表將侵入隧道范圍內(nèi)樁基進(jìn)行拔除、破除現(xiàn)有箱涵結(jié)構(gòu)，對(duì)箱涵底進(jìn)行旋噴加固作為持力層，然后采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)恢復(fù)箱涵。

2)方案2:拔樁、樁基托換、恢復(fù)蓋梁箱涵、盾構(gòu)正常掘進(jìn)方案。即對(duì)地面交通進(jìn)行臨時(shí)導(dǎo)改、工程范圍內(nèi)管線臨時(shí)遷移，在地表將侵入隧道范圍內(nèi)樁基進(jìn)行拔除、隧道兩側(cè)新增托換樁基、隧道范圍新增托換梁，按現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)蓋梁箱涵。

3)方案3:礦山法隧道托換、盾構(gòu)過(guò)站方案。即利用礦山法隧道截除侵入隧道范圍內(nèi)的樁基，利用礦山法隧道二次襯砌作為托換體系與樁基相連接，盾構(gòu)隧道在礦山法隧道內(nèi)到達(dá)后過(guò)站、始發(fā)。

4)方案4:鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)箱涵托換、礦山法隧道內(nèi)截樁、隧道回填后盾構(gòu)掘進(jìn)方案。即利用蓋梁和圍護(hù)樁作為支撐體系，分段鑿除現(xiàn)狀箱涵結(jié)構(gòu)，利用旋噴樁進(jìn)行地基處理，采用蓋挖法施作鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為蓋梁托換體系，然后利用礦山法隧道截除侵入隧道范圍內(nèi)的樁基，最后對(duì)隧道進(jìn)行回填處理、盾構(gòu)在回填體內(nèi)掘進(jìn)的方案。

表1 樁基處理方案比較表Table 1 Comparison and contrast among different pile foundation treatment plans

工程所處的寧溧路為江寧通往主城的主干道，在南京地鐵三號(hào)線確保2014年青奧會(huì)前通車(chē)的緊張工期前提下，為減小對(duì)地面交通的影響，避免周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、協(xié)調(diào)難度大的管線遷改工作，本工程采用礦山法進(jìn)行樁基處理。其中方案3在礦山法隧道內(nèi)直接進(jìn)行樁基截除，施工期間夾崗過(guò)街涵的沉降控制難度大，樁基利用隧道二次襯砌作為托換體系，結(jié)構(gòu)受樁基傳遞的地表振動(dòng)影響較大，且盾構(gòu)需在礦山法隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)接收、過(guò)站、始發(fā)，施工工序多，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)高，因此方案3不適合本工程;方案4先行對(duì)夾崗過(guò)街涵進(jìn)行托換處理，利用加固后的地基作為托換箱涵基礎(chǔ)，礦山法施工期間箱涵沉降易實(shí)現(xiàn)控制(如圖3所示)。隧道回填后盾構(gòu)掘進(jìn)避免了盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)的接收、過(guò)站、始發(fā)工序，施工風(fēng)險(xiǎn)降低。

綜上分析，盾構(gòu)穿越夾崗過(guò)街涵群樁采用方案4(鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)箱涵托換、礦山法隧道內(nèi)截除樁基、隧道回填后盾構(gòu)掘進(jìn)方案)最具優(yōu)勢(shì)。

3 軟流塑地層礦山法隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

軟流塑地層實(shí)施礦山法隧道施工在南京地鐵一號(hào)線鼓玄區(qū)間［7］、二號(hào)線上新區(qū)間［8］得到了實(shí)踐，劈裂注漿加固地層后采用大管棚超前支護(hù)，利用CRD工法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖地層。本工程需3次下穿夾崗過(guò)街涵，并在隧道內(nèi)完成過(guò)街涵樁基的截除工作。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，為確保礦山法隧道的實(shí)施并控制地表沉降，需解決群樁地段軟流塑地層礦山法隧道施工關(guān)鍵技術(shù)和確保樁基穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 過(guò)街箱涵托換立面圖(單位:mm)Fig.3 Profile showing underpinning of street-crossing box culvert(mm)

3.1 礦山法隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

該工程所處地層為軟流塑地層，在軟流塑地層進(jìn)行礦山法隧道的施工需進(jìn)行有效的地層預(yù)加固，采用合理的超前支護(hù)方案及選用適宜的施工工法。

1)本工程借鑒南京地區(qū)類似地層礦山法施工經(jīng)驗(yàn)，采用全斷面劈裂注漿加固地層技術(shù)。劈裂注漿采用HSC超細(xì)水泥－水玻璃雙液漿［9］，劈裂注漿加固技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 全斷面劈裂注漿加固參數(shù)表Table 2 Parameters for full-face splitting grouting

2)礦山法隧道超前支護(hù)有超前大管棚、超前中管棚和超前小導(dǎo)管3種形式。超前大管棚一次打設(shè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，支護(hù)體系剛度較大;超前小導(dǎo)管一次打設(shè)長(zhǎng)度3～3.5 m，支護(hù)體系剛度較小，需頻繁的循環(huán)打設(shè)以確保支護(hù)效果;超前中管棚一次打設(shè)長(zhǎng)度和支護(hù)剛度略次于大管棚。

由于本工程樁基在區(qū)間隧道分布不規(guī)則，管棚成孔穿越樁基時(shí)難度較大，且遇圓形樁基易偏位，因此本工程不適合采用超前管棚支護(hù)。為提高超前支護(hù)剛度，防止拱頂坍塌，采用雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)形式更具優(yōu)勢(shì)。

導(dǎo)洞法分CD法和CRD法，2種工法均是將隧道分4～6部進(jìn)行開(kāi)挖，但CRD工法設(shè)置臨時(shí)仰拱，開(kāi)挖期間對(duì)圍巖的變形約束能力大于CD工法。

結(jié)合工程地質(zhì)和周邊環(huán)境，為確保施工安全和控制地層沉降變形，采用4部開(kāi)挖設(shè)置臨時(shí)支撐和臨時(shí)仰拱的CRD工法開(kāi)挖隧道具有明顯優(yōu)勢(shì)。4部開(kāi)挖及支護(hù)導(dǎo)坑如圖4所示。

圖4 隧道支護(hù)及開(kāi)挖導(dǎo)坑示意圖Fig.4 Tunnel support and tunnel excavation sequence

3.2 確保樁基穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)

樁基截除在礦山法隧道支護(hù)前后2個(gè)階段需考慮其穩(wěn)定。第1階段為樁基截除、礦山法隧道支護(hù)前階段，樁基處于臨空狀態(tài);第2階段為樁基支撐與礦山法隧道邊墻和拱頂交接的斜向部位，樁基位于非均勻基礎(chǔ)，處于斜向偏移狀態(tài)。

由于樁基頂部為機(jī)動(dòng)車(chē)路面板，為防止樁基截除后樁基掉落和使用期間樁基側(cè)滑，采用如下幾項(xiàng)措施確保樁基穩(wěn)定。

1)樁基不得一次破除完成，采取邊破除邊架設(shè)鋼格柵支護(hù)樁基的措施，樁基破除一半、架設(shè)鋼格柵后再破除剩余部分，鋼格柵采用縱向連接筋形成整體，確保樁基安全;

2)樁底格柵鋼架密排布置，提高隧道支護(hù)承載能力;

3)隧道采用CRD法開(kāi)挖，在鋼格柵未封閉成環(huán)前，先在樁基礎(chǔ)下方增設(shè)豎向臨時(shí)型鋼支撐約束鋼架變形，確保樁基穩(wěn)定;

4)樁基鋼筋伸入鋼格柵內(nèi)與格柵鋼架幫條焊，防止樁基基礎(chǔ)側(cè)滑。樁基臨時(shí)支撐示意圖如圖5所示。

圖5 樁基臨時(shí)支撐示意圖Fig.5 Temporary support of pile foundation

4 盾構(gòu)過(guò)礦山法隧道關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)通過(guò)礦山法隧道需解決盾構(gòu)到達(dá)礦山法、盾構(gòu)通過(guò)礦山法和盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)始發(fā)3個(gè)技術(shù)問(wèn)題。目前盾構(gòu)過(guò)礦山法隧道主要用于隧道穿越高強(qiáng)度巖層、溶洞、障礙物工程實(shí)例中，該類工程地層穩(wěn)定性好、地下水相對(duì)匱乏，能夠在不需端頭加固或僅需注漿加固的條件下在礦山法隧道內(nèi)安全到達(dá)、始發(fā)，盾構(gòu)通過(guò)礦山法隧道采用空推+拼裝管片方式進(jìn)行，管片背后多充填碎石，注漿填充［10］。

南京地鐵三號(hào)線盾構(gòu)穿越夾崗過(guò)街涵工程穿越地層主要為軟流塑地層，地下管線較多，地表實(shí)施盾構(gòu)端頭加固較為困難;同時(shí)盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)到達(dá)和始發(fā)，到達(dá)和始發(fā)端礦山法隧道每側(cè)需加寬處理，加寬后斷面寬度達(dá)11 m，無(wú)疑增加了軟流塑地層礦山法隧道的施工難度和工程造價(jià)。綜合周邊環(huán)境、工期、工程風(fēng)險(xiǎn)和造價(jià)等多方面考慮，采用盾構(gòu)在回填后的礦山法隧道內(nèi)掘進(jìn)通過(guò)方案。礦山法隧道斷面需滿足盾構(gòu)通過(guò)條件、礦山法隧道堵頭的拆除、回填材料的選取幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1)礦山法隧道斷面除滿足地鐵建筑限界要求外，尚需保證盾構(gòu)通過(guò)。A型車(chē)建筑限界寬度為5 180 mm，區(qū)間采用盾構(gòu)最大開(kāi)挖直徑6 480 mm，考慮到礦山法隧道的變形、施工誤差和盾構(gòu)推進(jìn)偏差等因數(shù)，礦山法隧道結(jié)構(gòu)凈空擬在盾構(gòu)最大開(kāi)挖輪廓基礎(chǔ)上外放310 mm。外放后礦山法隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空寬7 100 mm、高7 200 mm。

2)軟土盾構(gòu)刀盤(pán)配置以刮刀和貝殼刀為主，其切削鋼筋混凝土堵頭墻能力較差，為確保盾構(gòu)順利進(jìn)出礦山法隧道，隧道回填前需安全拆除堵頭墻。安全拆除堵頭墻需保證端頭土體的穩(wěn)定，為此提出了如下幾項(xiàng)措施:①礦山法施工階段，對(duì)端頭地層采取全斷面劈裂注漿加固地層，提高地層的穩(wěn)定性和降低滲透性;②端頭堵頭自下而上分段拆除，邊拆除邊采用模袋砂漿進(jìn)行回填。端頭加固及堵頭拆除示意圖如圖6所示。

圖6 端頭加固及堵頭拆除示意圖Fig.6 End reinforcement and plug removal

3)為確保盾構(gòu)順利推進(jìn)、掌子面的穩(wěn)定以及回填施工可操作性強(qiáng)，回填體需具備強(qiáng)度低、流動(dòng)性好、密封性好的特點(diǎn)。由此確定可采用的回填體主要有低強(qiáng)度等級(jí)砂漿、盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)同步注漿采用的可硬性漿液、豆礫石和黏性土等。各回填材料比較如表3所示。

由于本區(qū)間以軟流塑地層為主，結(jié)合盾構(gòu)的配置，擬選取造價(jià)低、施工便利的可硬性漿液作為回填材料。

表3 回填材料比較表Table 3 Comparison and contrast among different backfilling materials

為確保盾構(gòu)安全穿越回填后的隧道，隧道需回填密實(shí)，因此，提出了洞內(nèi)機(jī)械回填和地表回灌相結(jié)合的措施。先采用小型翻斗車(chē)運(yùn)輸回填材料分段回填隧道;對(duì)于隧道上部機(jī)械無(wú)法實(shí)施區(qū)域，利用隧道拱頂預(yù)埋的PVC泵送管和地表回灌孔進(jìn)行二次回填。

5 施工監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，為確保施工安全，此工程針對(duì)礦山法隧道斷面拱頂沉降變形、箱涵沉降變形等進(jìn)行了第三方獨(dú)立監(jiān)測(cè)，拱頂沉降和箱涵沉降設(shè)置在相同豎向平面內(nèi)，從西向東沿箱涵軸線方向共布置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目累計(jì)變化量如圖7和圖8所示。

圖7 礦山法隧道拱頂沉降變化圖Fig.7 Crown settlement of mined tunnel

圖8 托換箱涵沉降變化圖Fig.8 Settlement of underpinned street-crossing box culvert

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和施工過(guò)程中的變化曲線，可以得出以下結(jié)論:

1)整個(gè)施工過(guò)程中，現(xiàn)狀道路正下方隧道拱頂沉降略高于其他位置，隧道拱頂變形累計(jì)量均不超過(guò)20 mm，滿足規(guī)范要求。說(shuō)明在此類軟流塑地層中，采用礦山法進(jìn)行隧道施工能夠控制地層變形，確保環(huán)境安全。

2)各監(jiān)測(cè)斷面的箱涵累計(jì)沉降值均不超過(guò)10 mm，表明箱涵采用矩形框架結(jié)構(gòu)托換后適應(yīng)地層變形能力強(qiáng)，能夠確保地面交通的正常通行。

6 結(jié)論與體會(huì)

目前，南京地鐵三號(hào)線大明路站—明發(fā)廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間已順利實(shí)現(xiàn)貫通，通過(guò)采取過(guò)街涵蓋挖順筑托換、軟流塑地層劈裂注漿加固后CRD法施工礦山法隧道、礦山法隧道內(nèi)樁基截除、礦山法隧道回填后盾構(gòu)掘進(jìn)等綜合技術(shù)措施，盾構(gòu)順利通過(guò)夾崗過(guò)街涵群樁，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)在軟流塑地層采用礦山法隧道技術(shù)處理障礙物和盾構(gòu)通過(guò)回填后的礦山法隧道2項(xiàng)先例。通過(guò)本工程的研究和實(shí)踐，有如下幾點(diǎn)體會(huì)。

1)在復(fù)雜環(huán)境和軟弱地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越地下障礙物，應(yīng)綜合考慮周?chē)h(huán)境、水文地質(zhì)特征、施工條件及安全、經(jīng)濟(jì)等因素，選取安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的綜合處理方法;

2)軟土地層礦山法隧道施工中掌子面穩(wěn)定性控制、地層沉降控制是工程重點(diǎn)也是難點(diǎn)，采用劈裂注漿加固地層后CRD工法4部開(kāi)挖實(shí)施效果良好;

3)在礦山法隧道中對(duì)樁基的處理應(yīng)盡量使樁基和隧道工程相互獨(dú)立，避免樁基直接作用于永久隧道工程;

4)礦山法隧道內(nèi)采用可硬性漿液進(jìn)行回填，掘進(jìn)阻力小，但盾構(gòu)在凝固后的可硬性漿液中掘進(jìn)時(shí)軸線偏差控制難度大，而采用低強(qiáng)度等級(jí)砂漿回填時(shí)易出現(xiàn)軟土盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重、推進(jìn)速度慢的問(wèn)題。希望在今后類似工程中進(jìn)一步對(duì)回填材料進(jìn)行研究和優(yōu)化調(diào)整。

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