地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基工程注漿加固控制及監(jiān)測(cè)管理研究*

楊 磊 朱富麗 張 浩

(1.河南信息統(tǒng)計(jì)職業(yè)學(xué)院建筑工程系， 450008， 鄭州； 2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息化辦公室， 450044， 鄭州；3.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 450001， 鄭州∥第一作者， 副教授)

城市軌道交通線路不可避免地穿越或鄰近既有市政建筑物。特別是在周邊環(huán)境與地質(zhì)條件等復(fù)雜的情況下，地上結(jié)構(gòu)荷載傳遞到既有樁基，加之施工引起的周圍地層應(yīng)力擾動(dòng)，極易誘發(fā)洞周收斂、拱頂沉陷、樁基偏斜或彎曲等穩(wěn)定與安全問題[1-2]。這應(yīng)當(dāng)在城市軌道交通施工與監(jiān)測(cè)過程中引起足夠的重視。

文獻(xiàn)[3]采用離心機(jī)開展了隧道鄰近樁基施工的模型試驗(yàn)，分析了隧道開挖導(dǎo)致的地層變形與臨近地表沉降規(guī)律；文獻(xiàn)[4]依托北京地鐵下穿花園橋的工程實(shí)踐，通過數(shù)值模擬方法分析了PBA(洞樁)法引起的圍巖及上部橋梁結(jié)構(gòu)變形特性；文獻(xiàn)[5]基于地鐵換乘通道穿越橋梁的工序，采用數(shù)值仿真技術(shù)研究了下穿作業(yè)的時(shí)空效應(yīng)，探討了超前小導(dǎo)管技術(shù)在CRD(雙側(cè)壁導(dǎo)坑)法施工中的加固效果；文獻(xiàn)[6]以青島M3號(hào)線下穿河流段橋梁為工程背景，提出了“復(fù)合錨桿樁+超前注漿”的聯(lián)合加固措施；文獻(xiàn)[7]分析了不同樁基加固措施影響下盾構(gòu)區(qū)間下穿橋梁的地表沉降及變形特征，研究了上部荷載、施工方法與支護(hù)參數(shù)等因素與樁身撓曲變形間的相互關(guān)系。

目前，對(duì)于城市地鐵下穿橋梁結(jié)構(gòu)施工和變形控制的相關(guān)研究已有較多應(yīng)用案例，其中復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地鐵隧道近距離側(cè)穿橋梁結(jié)構(gòu)的加固控制更為困難，因此必須重視加強(qiáng)保護(hù)措施與監(jiān)測(cè)管理[8]。在總結(jié)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文以北京某地鐵近距離側(cè)穿城市核心區(qū)橋梁樁基工程為依托，綜合考慮該橋梁的結(jié)構(gòu)型式和水文地質(zhì)條件，提出“橋梁樁基注漿加固+掌子面深孔注漿”的輔助施工方案。經(jīng)數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證，確保橋梁結(jié)構(gòu)及其側(cè)穿施工的安全狀態(tài)，為城市復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地鐵隧道近距離側(cè)穿橋梁結(jié)構(gòu)的變形控制與施工保護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

北京某地鐵隧道區(qū)間位于中心城區(qū)兩廣大街下方，該區(qū)間側(cè)穿廣安門橋區(qū)段(見圖1)的總長(zhǎng)度約320 m，側(cè)穿區(qū)段隧道埋深約10.6～11.3 m，采用單洞馬蹄形斷面型式，高度為6.0～6.4 m、跨度為5.7～5.9 m。隧道側(cè)穿主橋基礎(chǔ)為樁基，樁頂標(biāo)高為47.0～49.8 m，樁長(zhǎng)約19.0 m。

為了避免對(duì)上方橋梁產(chǎn)生過大的影響，采取地面深孔注漿及洞內(nèi)超前注漿加固的措施確保施工的順利進(jìn)行。由于橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度、隧道與橋梁樁基的距離、局部地質(zhì)條件等的差異，不同側(cè)穿部位采用的注漿方案、施工工藝及參數(shù)有一定差別。

以隧道在K3+105處近距離側(cè)穿的廣安門西異形板橋樁基為研究對(duì)象。該橋梁為三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)異形板結(jié)構(gòu)，樁底高程為30.6 m。其中，地鐵隧道側(cè)穿西異形板橋區(qū)段距樁基的最近距離僅4.0 m，變形敏感性較高，施工安全控制等級(jí)亦較高。

側(cè)穿區(qū)段地層由上至下分別為壓實(shí)填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵礫石層，屬于北京平原常見的層狀沉積的地質(zhì)特征。地鐵隧道斷面穿越黏性土、砂類土和卵石層，地質(zhì)狀況較為復(fù)雜；地下水為孔隙潛水，在隧道底板以上，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。廣安門西異形板橋地質(zhì)條件，以及地鐵隧道與橋梁樁基的剖面，詳見圖2。

2 地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基的注漿加固技術(shù)

通過地層資料可知，隧道拱頂位于軟弱黏性土層、底部位于富水粗粒土層；同一斷面內(nèi)黏性土強(qiáng)度低、變形大，而粗粒土膠結(jié)和抗剪性能差，受橋梁荷載及施工擾動(dòng)易引起裂隙擴(kuò)展及拱頂軟弱土層下沉、坍塌。因此，根據(jù)地鐵隧道側(cè)穿施工對(duì)橋梁樁基的影響范圍，提出采用多種注漿方法綜合控制的輔助措施，從而達(dá)到確保橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固與側(cè)穿施工安全的目的。

2.1 地面鉆孔注漿加固

為避免后續(xù)隧洞內(nèi)開挖作業(yè)使拱頂?shù)貙影l(fā)生過大的擾動(dòng)，引起土層松動(dòng)開裂、橋梁樁基差異性沉降，施工進(jìn)入橋梁樁基區(qū)段前，采用橋梁下方地面鉆孔注漿的方法對(duì)西異形板橋樁基周圍土體進(jìn)行擠密加固，以減小上部地層的變形。橋梁樁基周邊地層加固區(qū)的平面范圍，詳見圖3。

2.1.1 注漿范圍

注漿方式采用地面雙重管后退式注漿，常規(guī)跟管鉆進(jìn)成孔；設(shè)計(jì)孔深為19.5 m，孔徑為102 mm；采用正方形陣列排布，排距為0.75 m×0.75 m。根據(jù)樁基類型，注漿平面范圍分為9.0 m×12.0 m與12.0 m×12.0 m兩類。

在樁基承臺(tái)范圍或鉆探設(shè)備無法就位的區(qū)域，安置具有特定斜度的注漿管，確保設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的注漿區(qū)域均能得到加固，同時(shí)防止對(duì)現(xiàn)有基樁的損壞。注漿管長(zhǎng)度根據(jù)點(diǎn)位及斜度確定，不低于3.2 m。

2.1.2 注漿施工及注漿材料

注漿過程嚴(yán)格遵循先外后內(nèi)、隔孔施作的灌注程序，不得先后進(jìn)行相鄰兩孔的注漿；且需先對(duì)橋梁樁基外圍土體進(jìn)行加固，待外側(cè)土體區(qū)域封閉后再進(jìn)行內(nèi)部土體的注漿作業(yè)。

注漿采用全孔主動(dòng)單液漿壓灌，凝膠材料選用P.P 32.5火山灰水泥，水灰比選取0.9∶1.0，擴(kuò)散半徑為0.6 m，有效注漿段長(zhǎng)19.0 m。橋梁樁基外圍地層的注漿終壓為900 kPa，內(nèi)側(cè)地層的注漿終壓為1 950 kPa。注漿完成后，根據(jù)取芯驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)不符合加固要求的區(qū)域進(jìn)行多次補(bǔ)充注漿。

2.2 掌子面超前深孔注漿

為增強(qiáng)周圍土層的強(qiáng)度，防止掌子面作業(yè)導(dǎo)致的劇烈變形與突涌水風(fēng)險(xiǎn)，通過洞內(nèi)超前預(yù)注漿對(duì)拱頂?shù)能浫躔ね翆蛹肮把母凰皩舆M(jìn)行控制。

2.2.1 注漿范圍

考慮到隧道拱頂?shù)能浫跬翆蛹肮把幐缓缑嫠?，確定加固范圍如下：

1) 對(duì)隧道拱頂外輪廓1.25 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿，以形成壁后注漿帶。注漿范圍為拱頂中線兩側(cè)各75°環(huán)向區(qū)域。

2) 對(duì)隧道拱腰外輪廓1.25 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行注漿，以形成封閉止水帶。注漿部位為拱腰中線19°～44°范圍，兩側(cè)對(duì)稱環(huán)向設(shè)置。

3) 隧道拱頂及拱腰位置的注漿管端部均設(shè)置于初襯內(nèi)部0.4～0.6 m范圍內(nèi)。注漿管長(zhǎng)度為20 m，拱頂注漿孔環(huán)距為600 mm、拱腰注漿孔環(huán)距為750 mm。

2.2.2 注漿施工及注漿材料

1) 為了確保注漿施工不影響地下管線及橋梁樁基的安全，對(duì)于隧洞內(nèi)頂部的超前深孔注漿，采用滲透性良好的超細(xì)水泥漿液進(jìn)行預(yù)加固。設(shè)計(jì)注漿終壓不超過2.2 MPa，并根據(jù)實(shí)際鉆遇地層性狀及滲透性能及時(shí)調(diào)整。

2) 對(duì)于隧洞內(nèi)拱腰部位的深孔注漿，壓注磷酸鹽與水玻璃進(jìn)行快速封閉，以避免漿液流失；并在滿足預(yù)期止水效果后，灌注超細(xì)水泥漿液對(duì)其進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑為0.6 m，注漿終壓控制在1.2～1.6 MPa，確保漿液固結(jié)后不收縮。

2.3 初支背后補(bǔ)償注漿

掌子面超前深孔注漿完成，且隧道開挖結(jié)束后，對(duì)不同地層界面與隧底等易滲水部位，視加固情況進(jìn)行后期補(bǔ)償注漿，以預(yù)防或減輕裂隙水發(fā)育并提升支護(hù)強(qiáng)度。

隧道內(nèi)的局部補(bǔ)償注漿采用小導(dǎo)管注漿技術(shù)，小導(dǎo)管間排距采用0.9 m×0.9 m梅花形布置。注入材料選用硬化時(shí)間易調(diào)整的水泥-水玻璃雙液漿，漿液強(qiáng)度及固結(jié)時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況測(cè)定。為確保隧道和橋梁樁基的安全穩(wěn)定，達(dá)到拱腰和拱底圍巖的加固止水效果，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及鉆孔取樣測(cè)試選定為1.5～2.5 MPa。

3 地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基數(shù)值模擬分析

通過數(shù)值仿真技術(shù)開展鄰近樁基的地鐵隧道側(cè)穿橋梁結(jié)構(gòu)施工模擬，研究不良地質(zhì)條件下地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基的注漿控制效果，分析橋梁下方地表土層及隧道結(jié)構(gòu)的變形特征。

3.1 計(jì)算模型

以地鐵隧道側(cè)穿西異形板橋樁基工程為研究對(duì)象，建立三維仿真模型，其中隧道結(jié)構(gòu)、橋梁樁基及承臺(tái)均采用實(shí)體模型。計(jì)算過程中，隧道結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，樁周土體采用摩爾-庫侖模型；注漿體被視為隧道襯砌外的環(huán)狀加固區(qū)，并在該加固區(qū)施加環(huán)向的膨脹力模擬注漿對(duì)地層的擠密效應(yīng)。

模型中地層及注漿區(qū)力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

表1 模型地層及注漿體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形是判斷其施工能否可靠通過的直觀表現(xiàn)[9]。地鐵隧道側(cè)穿完成后橋梁中線下方圍巖及襯砌的豎向位移分布，詳見圖4。

為防止左、右兩線隧道同時(shí)施工導(dǎo)致拱頂圍巖發(fā)生變形疊加，采用左線隧道先行施工的作業(yè)程序。由圖4可見，左、右兩線隧道側(cè)穿橋梁樁基并通過后，圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形表現(xiàn)為總體對(duì)稱的特征；拱頂沉降量大于其他部位的位移量，左線和右線拱頂?shù)淖畲笞冃畏謩e為7.1 mm、7.7 mm。由此可見，后開挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形稍大于先開挖隧道。

3.3 地表土層變形分析

地鐵隧道側(cè)穿掘進(jìn)完成后，西異形板橋下方對(duì)應(yīng)位置的地表沉降，如圖5所示。由圖5可見：

1) 由于注漿膨脹應(yīng)力的作用，地表變形總體表現(xiàn)為左、右雙線隧道拱頂部位的輕微抬升。其中，先行施工的左線隧道上方土體最大隆起僅4.3 mm，隆起不明顯。此后右線隧道的注漿與掘進(jìn)引發(fā)地表豎向變形疊加，右線隧道拱頂處對(duì)應(yīng)的最大地表隆起達(dá)到4.8 mm，比左線隧道大約11.6%。由此說明，先開挖的隧道受注漿膨脹效應(yīng)的作用略小于后開挖的隧道。

2) 地表變形寬度約為其注漿加固區(qū)寬度的3倍，隆起最大的位置處于左、右兩線隧道拱頂?shù)恼戏剑箻蛄合路降乇硗翆映尸F(xiàn)“M”型的抬升形態(tài)；超前注漿引起的地層變形將導(dǎo)致橋梁樁基發(fā)生相應(yīng)的協(xié)調(diào)變形，直接表現(xiàn)為不同基樁隨地層發(fā)生不同程度的抬升，引起橋梁面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)撓曲現(xiàn)象。

3) 地表變形量總體較小，左、右兩線隧道拱頂最大變形不超過控制預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(20 mm)的25%；相鄰樁基的沉降差值約0.9 mm，傾斜值約0.18‰，符合規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)規(guī)定(0.3‰)。由此表明，通過“橋梁樁基鉆孔注漿+掌子面超前深孔注漿+初支背后補(bǔ)償注漿”的協(xié)同治理措施，可以較好地解決軟弱土層的差異性沉降問題。

4 地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理技術(shù)

地鐵隧道區(qū)間側(cè)穿橋梁樁基施工的風(fēng)險(xiǎn)控制必須著眼于現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控與管理，即通過一定的監(jiān)控手段將施工過程的風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋與調(diào)整[10]。

地鐵隧道區(qū)間側(cè)穿的橋梁屬于繁忙的市中心交通干道，施工過程中不能封閉交通，因此，不適合選擇人工監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行橋梁穩(wěn)定的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。為了獲取現(xiàn)場(chǎng)的有效作業(yè)記錄，選擇在穿越重點(diǎn)部位進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以便將采集的數(shù)據(jù)反饋至現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，盡早分析預(yù)兆、解除事故。側(cè)穿橋梁樁基施工期間，在橋梁承臺(tái)部位設(shè)置了沉降和傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

側(cè)穿區(qū)段施工前即開始對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，通過對(duì)前期試驗(yàn)段施工參數(shù)及監(jiān)測(cè)資料的系統(tǒng)分析，獲得各項(xiàng)注漿參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果加以分析和反饋，以指導(dǎo)和修正現(xiàn)場(chǎng)施工。此外，地鐵隧道側(cè)穿掘進(jìn)過程中，通過橋梁樁基的沉降、傾斜等數(shù)據(jù)，可直接判斷隧道加固設(shè)計(jì)方案的有效性。

4.2 監(jiān)測(cè)管理效果分析

橋梁承臺(tái)典型測(cè)點(diǎn)部分時(shí)段的沉降時(shí)程曲線，如圖7所示。由圖7可見：

1) 掌子面深孔注漿前，承臺(tái)顯示出輕微下沉與抬升并存的變形特征，且變形量極??；左線隧道注漿開始之后，靠近該隧道的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC02和JC03)瞬時(shí)發(fā)生較大的波動(dòng)，表現(xiàn)出以陡升為關(guān)鍵特征的位移，最大瞬時(shí)抬升量達(dá)到4.3 mm；右線隧道注漿開始之后，臨近監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC06和JC07)表現(xiàn)為低幅的局部抬升，短期變化程度低于左線隧道，且深孔注漿完成后，大部分測(cè)點(diǎn)抬升量略有降低。

2) 橋梁沉降主要發(fā)生在深孔注漿開始后的3 d內(nèi)，其后沉降變形上下輕微浮動(dòng)并逐漸趨于穩(wěn)定，可見深孔注漿是導(dǎo)致地層抬升的關(guān)鍵因素。正式注漿實(shí)施時(shí)，地表隆起速率和變形量均不大，且現(xiàn)場(chǎng)巡視也未發(fā)現(xiàn)異常情況。由此表明，通過監(jiān)測(cè)得到的橋梁變形安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

施工穿越前后，廣安門西異形板橋主要測(cè)點(diǎn)位置的沉降及傾斜程度，如圖8所示。由圖8可見：

1) 掌子面深孔注漿與側(cè)穿橋梁樁基施工結(jié)束后，橋梁樁基在變形特征上呈現(xiàn)出“M”型抬升的特點(diǎn)，橋梁樁基監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形峰值位于距地鐵隧道左、右線最近的位置。隧道側(cè)穿完成后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隆起量較注漿施工階段有所降低。這是由于淺埋暗挖施工對(duì)上部地層產(chǎn)生擾動(dòng)，出現(xiàn)上部覆土下沉的現(xiàn)象，這與注漿覆土抬升有所抵消，但總體上開挖引起的沉降量不大。拱頂下沉僅2 mm左右，橋梁樁基變形仍以深孔注漿誘發(fā)的抬升為主。

2) 穿越施工完成后，西異形板橋各部位累計(jì)沉降和傾斜值均較小，未超過規(guī)定的控制指標(biāo)，橋梁結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)與數(shù)值分析結(jié)果相似。

5 結(jié)論

1) 地鐵隧道在不良地質(zhì)條件下側(cè)穿橋梁樁基施工中，由于隧道結(jié)構(gòu)上部土體荷載傳遞到既有樁基，加之施工引起的周圍地層應(yīng)力擾動(dòng)，極易誘發(fā)洞周收斂、拱頂沉陷、樁基偏斜等穩(wěn)定與安全問題。為確保橋梁及隧道側(cè)穿施工的安全狀態(tài)，綜合考慮橋體的結(jié)構(gòu)型式和水文地質(zhì)條件，提出“橋梁樁基注漿加固與掌子面深孔注漿”等措施的綜合控制方案，為復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基的變形控制與施工保護(hù)提供借鑒。

2) 掌子面超前深孔注漿是地鐵隧道側(cè)穿橋梁施工的關(guān)鍵控制手段，能夠有效防止掌子面作業(yè)導(dǎo)致的圍巖劇烈變形與突涌水事故。但不良地質(zhì)區(qū)間的高壓注漿作業(yè)仍可能引起一定程度的地層變形，主要表現(xiàn)為注漿開始之后，靠近左、右兩線隧道的區(qū)域發(fā)生以陡升為關(guān)鍵特征的瞬時(shí)位移。這使得橋梁下方地表及橋梁承臺(tái)呈現(xiàn)出“M”型的抬升特點(diǎn)，以及橋梁基樁發(fā)生的相應(yīng)協(xié)調(diào)變形，從而引起橋梁面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微撓曲現(xiàn)象，且地表變形寬度約為注漿加固區(qū)的3倍。

3) 經(jīng)數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證，“橋梁樁基鉆孔注漿+掌子面超前深孔注漿+初支背后補(bǔ)償注漿”等協(xié)同保護(hù)措施，能夠較好地解決軟弱土層的不均勻沉降。盡管受注漿膨脹應(yīng)力作用，地表出現(xiàn)局部的輕微抬升，但橋梁樁基的累計(jì)沉降和傾斜值均未超過規(guī)定指標(biāo)。由此表明，施工過程中注漿加固工藝及注漿參數(shù)較為合理，施工監(jiān)測(cè)管理及質(zhì)量控制較為到位。

4) 地鐵隧道側(cè)穿橋梁樁基施工時(shí)，注漿工藝及注漿參數(shù)對(duì)地層變形及樁基傾斜影響較大。因此，若要預(yù)防和排除地下開挖中可能發(fā)生的安全問題，必須著眼于現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控與管理，即：選擇在敏感部位進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過前期試驗(yàn)段施工參數(shù)及監(jiān)測(cè)資料的系統(tǒng)分析，獲得各項(xiàng)注漿參數(shù)指標(biāo)；并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果加以分析和反饋，以便將監(jiān)測(cè)資料反饋至現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，盡早分析預(yù)兆、解除事故。