盾构穿越桩基研究综述

2021-01-22张广展杨志松田忠喜张传帅

四川水泥 2021年1期

关键词：土仓盾构桩基

张广展杨志松田忠喜邢帅张传帅

Research 研究探讨

盾构穿越桩基研究综述

张广展1杨志松2田忠喜1邢帅1张传帅1

（1.聊城大学建筑工程学院，山东聊城 252000； 2.山东聊城第四建设有限公司，山东聊城 252000）

随着当代城市的不断发展，城市的规划与建设也逐渐受到人们广泛的关注，伴随着城市的建筑物越来越多，城市的用地面积也越来越紧张，高层建筑、高架公路、桥梁等建筑逐渐被人们采用，而这些建筑物大多会采用桩基础。由于受到地下空间位置以及选线等因素的影响，有些时候盾构隧道不可避免的会对既有桩基产生一定的影响，其中包括穿越桩基、桩下穿越与近距离侧穿桩基等情况，盾构法施工已经成为城市地铁区间隧道施工的一种重要的方法，在城市的建设中应用十分广泛，盾构路线自建筑物桩基穿越或近距离穿越，在盾构隧道开挖的过程中，很难避免地层在施工的过程中出现移动的现象，在桩身上发生同样的效应，进而就可能会使桩基的承载能力和它的上部建筑结构的稳定性受到一定程度的影响。盾构法施工在桩基的侧面穿过的时候，由于推进过程中对地层的挤压作用以及隧道从盾尾脱出的时候地层损失的作用，会使土体出现沉降和侧向位移的现象，进而造成既有桩基的变形。

盾构；桩基；隧道施工

0 引言

盾构法隧道施工是城市地下空间隧道开挖的常用方法，盾构法施工具有在施工过程中对周围环境影响较小，施工速度和其他传统方法相比较施工速度较快，并且通过盾构法开挖的隧道安全性得到了大大的提高，盾构法隧道施工已经成为城市地下空间隧道的主要修建方法之一[1]。盾构法施工在实践过程中得到了很大的进步，但是在施工过程中仍然会引起周围的土体发生变形，发生变形的土体作用在建筑物的地下的桩基上，就可能会引起桩基的附加变形以及桩基本身内力的改变，从而对于桩基产生不利的影响；另外，当盾构施工隧道从桩基的地下部位穿越的时候，可能会由于桩基超载现象的发生，从而引起隧道内管片衬砌结构发生比较大的变形以及内力的变化。盾构法隧道施工如何近距离的穿越建筑物的桩基，并且穿越后如何保证建筑物的安全稳定以及后续的正常使用是在施工过程中的重点问题[2]。

1 国内外研究现状

在盾构的施工过程中，可能会引起地层的移动与倾斜，其中对于地层移动变形现象的预测可以分为两种预测方式，第一种方式是在设计阶段的预测，这种方式通常需要在进行地层开挖之前预测；第二种方式是在盾构的施工阶段进行地层变形的预测，这种方式则需要在施工的过程中进行，并且这种方式一般都需要信息化的手段进行预测，通过信息仪器得到地层变形的预测结果。现阶段主要的预测方法有：经验法、模型试验法、理论法。另外，在盾构的施工过程中会对土体产生挤压以及松动的作用，增加荷载与减小荷载以及孔隙水压力的上升与下降，从而引起土体发生性质的改变等问题[3]。

2 盾构直接穿越桩基

目前来看，国内对于盾构隧道直接穿越桩基的研究基本上完成了高架桩基的准确穿越、房屋建筑以及侵入桩基的施工工艺和施工参数，并且可以通过研究钢筋的断裂形式、刀具配置的改进、建筑物的保护加固措施、施工监测的反馈、推力和转矩选择、桩基托换等方式进行研究拓展盾构掘进切削桩基的方法。寇卫锋[4]对于主动托换技术在地铁盾构施工中的应用进行了分析，提出了在主动托换的时候应当结合监测的数据及时的调节千斤顶油压作用力的观点。

当盾构隧道直接穿越桩基的时候，现有阶段，工程上一般采用以下的施工方案，对原有的建筑物的桩基进行托换以及加固，其中，当区间隧道与桥梁桩基发生冲突的时候，通常采用主动托换的设计与施工的方法，另外，在这种情况下，也可以采用对桥梁的承台进行扩大的处理，并且结合使用钢管桩进行脱换的施工方案。桩基托换技术一般适用于盾构的线路没有办法避让，上部的建筑结构正在使用，岩层的地质条件良好，在软土的地质条件下需要首先进行加固再进行托换的施工[5]。这种工程方法受地质条件及地下水的影响较大。

托换加固一般需要进行隧道洞内拱顶的预注浆加固，其中进行预注浆加固的范围通常是在开挖轮廓线内侧的1m到外侧的2m的范围内进行[6]，然后需要进行盾构隧道的桩基脱换的部分初期的支护加强，之后进行地面的支顶以及进行桩基的截桩工序，在截桩的工序完成以后，及时的对二次衬砌钢筋混凝土结构进行施工，在二次衬砌的施工工艺完成以后，需要组织进行施工混凝土的盾构导台，在盾构空推的时候，拼装加强管片。在管片的背后填充豆砾石以及回填注浆[7]。以上施工方案既保证了盾构隧道顺利的穿越了桩基，又使得上层建筑物的正常使用。

3 盾构近距离侧穿桩基

盾构隧道近距离侧穿已有建构筑物桩基，会对周围的桩基产生一系列的影响与扰动。在盾构隧道施工近距离侧向穿越桩基之前，应当对桩基周围的土体进行注浆加固的措施，从而能够改善土体的力学性能，是桩基的摩阻力得到了显著地提高[8]，另外，在施工的时候，应该采用适当的措施调整施工的参数，减少在盾构施工过程中的推力，并且推进的速度应当保持均匀，及时的做好同步注浆以及二次注浆的工作，加强施工的监测[9]。

在盾构隧道近距离侧穿桩基的时候，桩基会或多或少的产生一定距离的位移。在横向的方向上，在盾构的掘进过程中，桩基的下半部分将会发生背离隧道方向的位移[10]，然而，桩基的上半部分将会发生与下半部分相反方向的位移，总的来说，在盾构施工过程中桩基会发生一定程度的倾斜，并且桩基倾斜的程度与位移将会随着盾构机的逐步掘进越来越大，直到当隧道完全贯通的时候，该倾斜的位移将会达到最大值[11]。另外，在盾构的轴向方向上，桩基还将会在盾构机推进的方向上产生一定程度的倾斜值，一般情况下，当盾构机掘进到桩基正右方的时候，那么桩基的倾斜将会达到最大值，然而当盾构机完全通过的时候，桩基的倾斜值将会降低。在盾构的掘进过程中，盾构机的推力是影响桩基发生倾斜的最主要因素，从而增大掘削面的推力将会增加盾构机通过的时候桩基的倾斜值[12]。

4 盾构桩下穿越桩基

在盾构施工的过程中，盾构隧道有时候会在桩基的底部穿过，从而对土体可能会产生一定程度的扰动，会改变原有的土体平衡，对桩基的承载力会产生一定程度的影响，由于桩基与土体之间的沉降差的存在和两者之间相对的运动趋势，盾构隧道从桩基底部穿过的时候，桩基的下半部分的摩阻力可能会有很大程度的增大[13]，然而，桩基的上半部分会减小，直到桩基底部的位置，桩基底部由于承载力的存在，那么，桩身的摩阻力会大幅度的减小，通常情况下还可能会出现负摩阻力，负摩阻力的存在会使桩基本身处于受拉的状态，从而会使桩基的承载力大幅度削弱[14]。

下穿的盾构隧道对于桩基底部分布的承载力影响相对比较大，在正常的情况下，用来承担桩基的上部荷载的摩擦桩主要是依靠桩基侧面的侧摩阻力来实现的，因为在盾构隧道的施工过程中使原有的土体平衡得到了改变，那么就会造成桩基的端部承担的荷载值变大[15]。随着盾构开挖隧道的动态施工，桩基的竖向极限承载的能力会降低，在盾构刀盘的开挖面经过桩体和盾壳脱离桩基端部的时候，承载力会发生降低的现象，桩基顶部的沉降量与其变形相吻合。

盾构隧道开挖下穿桩基的时候，下穿构造的土仓的压力对桩基发生沉降的影响相对比较大，当土仓的压力越大的时候，桩基发生的沉降就会越小，那么土仓的压力越大，桩基的端部需要承担的承载力就越大，进而会造成对于桩基端部附近的桩侧摩阻力的影响会比较大，土仓的压力对于桩体的承载能力存在一定的调节作用，在盾构机的刀盘还没有通过桩体的时候，土仓的压力是能够减小桩基的承载能力的降低程度；当刀盘已经通过了桩体的时候，土仓的压力则会反过来加大桩体的承载能力降低的程度。但是后者的影响程度比在没有通过桩体的时候影响相对较小。由土仓的压力对盾构隧道施工过程中的影响可以得出，在施工的过程中我们应该选择合理的土仓压力，避免土仓的压力出现过大或者过小的现象，防止对工程造成不利的影响，另外，还应该对于土体以及桩基在施工过程中的沉降量进行及时的监测[16]。

5 结论

盾构在施工的过程中会对周围的土体产生一定的影响，引起土层的变形，从而对邻近的桩基造成影响，其影响的原因相对比较复杂。在施工的过程中必须注意施工的参数，以达到减小对周围土体的扰动的效果，通过实时数据分析结构应变和受力状态，并进行适当的调整，可确保关键结构在整个施工的过程中处于安全可控的范围。通过研究可以得出控制壁后注浆减小盾构机穿越的时候的地层损失率，可以明显地降低地表的沉降位移，同时也能够改善承台的沉降值。另外，在穿越的过程中，桩基还会发生变形、桩身内力的变化以及承载力的改变。当盾构隧道穿越城市桩基群的时候，施工对于桩基群的影响以及保护措施应进行进一步的研究，正在施工的隧道对于已建好的隧道的影响也应该进行充分的考虑。在盾构隧道的施工过程中，我们应该根据当地的地质情况来选择比较合理的盾构的类型，同时需要做好桩基的保护措施以及施工的监测，控制好地面的沉降距离，从而保证盾构隧道顺利的穿越桩基，并且保证原有构筑物的正常使用。

[1]张志勇.盾构施工对周围环境影响研究综述[J].现代隧道技术,2002(02):7-11.

[2]高亚丽.地铁隧道盾构法施工综述[J].科技信息,2012(22):365.

[3]何茂周.地铁盾构隧道穿越桩基综合处理技术[J].隧道建设,2014,34(10):981-989.

[4]寇卫锋.主动托换技术在郑州地铁盾构穿越桥梁桩基中的应用[J].铁道建筑,2018,58(11):87-90.

[5]姚燕明,曹伟飚,沈张勇.盾构穿越高架对其桩基变形和内力影响分析[J].地下空间与工程学报,2005(06):972-975+982.

[6]朱逢斌,杨平,ONG C W.盾构隧道开挖对邻近桩基影响数值分析[J].岩土工程学报,2008,30(2):298-302.

[7]刘枫,年廷凯,杨庆, 等.隧道开挖对邻近桩基工作性能的影响研究[J].岩土力学,2008,29(z1):615-620.

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[11]刘建军,张爽.盾构下穿高铁高架桥关键措施及参数分析[J].建材与装饰,2019(03):262-263.

[12]王伟,钟启凯,陈益,吴慧林,关章磊.地铁盾构施工对隧道间大直径桩基变形的影响研究[J].建筑施工,2018,40(08):1458-1461.