桩基施工对既有地铁隧道的影响及保护措施

贾保正 陈俊俊 汪定国 刘磊磊 颜春生 杨飞

武汉钟鑫市政建设工程有限公司，湖北 武汉 430050

摘 要：大多数采用桩基作为承力构件的高层建筑、桥梁等大型工程的施工必然会对邻近的既有地铁隧道产生影响。针对该问题，本文将桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的研究现状进行了概括、总结，分析了该研究领域的不足。基于此，对常见监测方案进行了简要介绍，提出了保护地铁隧道、减小桩基影响作用的措施，主要包括：桩基施工采用全套管护壁施工不易塌孔现象，避免采用大功率机械设备施工；邀请专业的监测单位进行地铁隧道结构监测，并严格执行规范、监测方案；从源头控制工程的施工速度、范围对地铁隧道的扰动风险。

关键词：地铁隧道；变形；桩基础；施工监测；保护措施

中图分类号：TU398+.9 文献标志码：A 文章编号：

Influence of pile foundation construction on existing subway tunnel and protection measures

JIA Bao-zheng, CHEN Jun-jun, WANG Ding-guo, LIU Lei-lei, YAN Chun-sheng, YANG Fei

(Wuhan Zhongxin Municipal Construction Engineering Co., Ltd, Wuhan 430050, China)

Abstract: The construction of high-rise buildings, bridges and other large-scale projects which use pile foundation as load-bearing components will inevitably affect the adjacent existing subway tunnels. In view of this problem, this paper summarizes the research status of the impact of pile foundation construction on adjacent existing subway tunnels, and analyzes the shortcomings of this research field. Based on this, the paper briefly introduces the common monitoring schemes, and puts forward the measures to protect the subway tunnel and reduce the impact of pile foundation, mainly including: pile foundation construction using full casing wall protection construction is not easy to collapse, and the high-power mechanical equipment construction is not recommended; professional monitoring companies should be invited to carry out structural monitoring of subway tunnel, and the specifications and monitoring scheme should be strictly implemented; the disturbance risk of construction speed and scope to the subway tunnel from the source should be controlled.

Keywords: Subway tunnel; deformation; pile foundation; construction monitoring; protection measure

1. 引言

近年来经济的增长和人民生活水平的提高，使得我国城市化建设进程达到前所未有的高度，其中地铁作为广大市民便捷的出行方式，是交通工程中必不可少的基础设施。在这种地铁隧道线路纵横交错的复杂地下环境中，高层建筑、桥梁等大型工程的施工必然会对邻近的既有地铁隧道产生影响，而多数工程采用桩基作为承力构件，两者不可避免地会相互影响。由实际工程经验可知，桩基在施工过程中会对周围土体造成扰动，进而土体应力和位移的变化会引起邻近地铁隧道产生较大附加变形，可能发生环缝错台、开裂漏水、沉降等危害，对地铁隧道产生难以估计的经济损失和社会影响。因此，如何在桩基施工安全、快速的同时保证地铁隧道的正常运营和安全成为了工程界与学术界共同关心的难题，其研究尚未完全成熟，并且少有类似的工程和经验可以借鉴和参考。

，本文将桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的研究进展进行了概括、总结，指出了该研究领域的不足之处；进一步，对常见监测方案的具体实施进行了简要介绍，提出了保护地铁隧道、减小桩基影响作用的措施，为类似的工程提供了经验。

2. 桩基础施工对既有地铁隧道的影响

众所周知，桩基与地铁隧道的相互作用问题可以依据建设顺序划分为两类：一类是新建地铁隧道的施工对既有建筑物桩基的影响，另一类是新建建筑物桩基施工对邻近既有地铁隧道的影响。相比之下第一类问题出现的时间要早于后者，但后者却是目前最普遍和最急需解决的问题，在20世纪40年代英国伦敦建设Royal Festival Hall工程时就考虑了该问题^[1]。目前国内外学者们在桩基施工对邻近既有地铁隧道影响的研究成果不多，根据研究方法主要可分为理论分析、模型试验和现场试验。

2.1 理论分析方面

理论分析研究可以分为纯理论分析和数值模拟分析。理论分析就是基于岩土力学、桩体传递效应、隧道变形理论等知识的基础上，将复杂抽象的桩基施工对邻近既有地铁隧道的作用情况下进行简化，考虑主要影响因素并且在假设上忽略微小的影响作用，通过建立的数学力学模型列方程、求解和分析，具有准确、高精度等优点。但是由于实际作用情况的复杂性使得方程难以求解，此时具有高效、低成本的数值模拟方法（如有限元法、有限差分法）弥补了这一缺点，并且精度也能满足要求。

Higgins等^[2]系统研究了桩基对邻近既有隧道的影响，考虑了初始应力处于加载和排水阶段时的作用情况。随后，Benton & Phillips^[3]通过研究单桩、群桩的依次施工对隧道产生变形进行分析，证明了桩基与隧道间的距离能够对后者的应力和变形产生较大的影响。楼晓明和金志靖^[4]在考虑孔底沉渣的情况下，采用明德林应力公式计算群桩基础对隧道的影响，并且与实际工程进行比较，结果表明桩体自身的压缩和孔底沉渣变形是导致桩基沉降的主要原因。ZOU^[5]将量纲分析与有限元法结合，得到了桩顶沉降与隧道顶部沉降的规律，能较快地预测隧道顶部位移。在前人的基础上，闫静雅等^[6]通过PLAXIS 3D模拟桩基对邻近既有隧道的影响，通过用弹性地基梁模拟隧道，采取剪切位移法计算隧道的沉降情况。隧道位移曲线表达式为：

(1)

(2)

Chung^[7]假设桩端发生类似球孔的扩张，采用球孔扩张理论计算对挤土桩桩端在隧道中产生的径向应力，如图1所示。随后，袁海平等^[8]采用弹性力学计算和有限差分法计算了不同实际情况下隧道的受力、变形；徐涛等^[9]则考虑了桩基施工的时间响应。以上国内外学者的研究成果均为桩基施工对邻近既有地铁隧道的影响研究上做出不小贡献，但是采用理论方法需要考虑土体复杂力学性状和桩-土-隧道耦合作用，很难与实际情况完全相符。

图1 球孔扩张理论

2.2 模型试验方面

模型试验用时短、费用低，能够解决理论分析中难以考虑的问题，但是不能完全满足实际，其边界条件和施加荷载只能在一定程度上相似或替代。相比于理论分析上的研究成果，模型试验研究方面显得非常少。Ward^[10]通过进行桩基与邻近既有隧道的实验初步研究了隧道的变形情况，以开挖记录表示隧道沉降，结果表明隧道沉降有几毫米。Morgan和Bartlett^[11]做了两组模型对照试验研究钻孔灌注桩施工的影响，发现桩基与对邻近既有隧道的距离是一个重要的因素。

图2 模型示意

如图2所示，通过在桩身处排液以达到钻孔效果来完成土工离心机试验，继而分析了桩基数量与桩径的比值对既有隧道位移、整体变形的影响；同样地，Chung^[8]运用离心机分析了桩基与既有隧道相对位置的不同对后者产生的影响，发现挤土桩在隧道一侧时产生的整体变形影响很小。

2.3 现场试验方面

不同于前两种研究方法的方便、快捷，现场试验方法需要的时间长、使用资源多并且工作量大，但该方法能够监测复杂环境下的实际数据，对于分析桩基对邻近既有地铁隧道的影响是必须的，可以保证桩基施工的安全以及为理论分析和其他工程的建设提供参考价值。

楼晓明和刘建航对地铁附近上海某建筑桩基进行了现场监测，当主体结构施工结束后隧道的最大沉降达到56.5mm。史世雍等^[12]首先采用等效刚度的概念求出了深层搅拌桩对临近地铁隧道产生的变形量，然后将其与现场实测数据进行了验证分析，发现加固地铁隧道的上部土体可以减小桩基施工产生的影响。徐云福和王立峰^[13]全面地监测了桩周土体的水平位移、隧道竖向变形和沉降，监测数据表明桩基施工与邻近地铁隧道的影响是相互作用的，当对桩基采用钢套管护壁时可以满足隧道的安全要求。丁智等^[14]、宋富贵等^[15]针对钢套管桩的施工过程进行了监测，包括深层土体位移、地铁隧道的沉降、孔隙水压力等，结合现场监测数据分析了套管拔除、钢套管桩的施工顺序变化对邻近地铁隧道的影响。

鉴于此，可以看出现有国内外在桩基施工对既有地铁隧道的影响研究方面并不成熟，桩基施工必定会对既有地铁隧道产生影响。虽然国外有较多的模型试验和现场监测数据，但是由于地域地质情况差异明显的缘故难以借鉴国外经验运用到国内工程中。在国内，大部分研究以数值模拟为主，同时也不缺乏工程现场监测数据，只是监测内容和监测手段不够完善、全面。另外，在解决某一实际工程时采取理论计算和数值模拟仍不够接近实际情况，大多数已经经过了简化（比如忽略隧道的纵向变形、采用模型是二维平面应力状态）。为了解决以上不足，最直接的办法就是在完善现场监测内容、采取专门的施工保护措施。

3 常见监测方案

实际施工中桩周土体、地铁隧道的位移和变形往往与理论计算、设计预估时存在一定的差异，后者只能简要考虑正常工况下的桩基与相邻环境的变化情况。因此，在工程现场对相关位移、应力等参数进行监测显得非常重要，能够保证施工顺利、安全，其监测结果的规律可作为类似工程的指导和依据。现有运用在桩基施工对既有地铁隧道的影响研究上的监测方案主要包括孔隙水压力计测试土体扰动效果试验、地表沉降监测和地铁盾构隧道监测。

3.1 孔隙水压力计测试土体扰动效果试验

在桩身周边钻一个小直径孔，沿着桩身尽可能平均在六个深度（或六个以上）埋设钢弦式孔隙水压力计，最后将钻孔进行回填，如图3所示。

图3 孔压计示意图

该监测计能够结合频率计对孔隙水压力增量进行测量，所测数据可以在后续进行分析。采用《中华人民共和国交通运输行业标准》（JT/T 580-2017）中对钢弦式孔隙水压力计的要求，严格控制该监测计的施工过程，需要雇用钻孔施工队进行定位钻孔和埋设孔隙水压力计，达到定位精确、顺利埋设的目的。值得注意的是，在埋设钢弦式孔隙水压力计前，必须要测量、记录该监测计在施工环境中的初始读数、温度和大气压力值。

初始数据的测量需要3个人，先除去电缆接头的污垢，再由2人连接测量仪器并且进行读数，另外1人将其数据记录到孔隙水压力计记录表，便于后续整理计算。在后续监测中，为减小成桩过程中超静孔隙水压力的影响，必须连续15天进行监测并且每次作业在超静孔隙水压力变化趋于稳定后才能结束，同样需要3人作业和记录监测数据。在15天后，监测周期变为一周一次，长期监测和分析桩基施工过程对周围超静孔隙水压力的变化规律。另外，监测期间可以结合理论分析和工程实际经验对已测数据记录进行分析。

3.2 地表沉降监测

监测地表沉降的数据可以直观体现出地铁、隧道结构的安全状况，是在桩基施工对既有地铁隧道的影响研究上必不可少的监测手段。尽可能使得监测剖面上的布置数量大于3个，遇到不可避免的障碍物时可适当调整。采用能够实时数据传输的电子水准仪监测地表沉降，以水准控制点为基准，在附合或闭合路线上联合测量各监测点，能够测算出各监测点标高，继而得到地表沉降量。

3.3 地铁隧道结构的监测

根据实际工程桩基础施工进度安排及其与地铁隧道的位置关系，沿隧道轴线方向布置监测点。地铁隧道结构的监测包括结构水平位移和竖向位移监测，其中监测水平位移和竖向位移监测分别采用全站仪和电子水准仪，原理如图4所示。为减小监测设备对地铁隧道内的施工过程造成较大的影响，故应该通过人工对地铁进行保护监测。

图4 全站仪监测原理图

图5 隧道监测布点图

如图5所示，竖向位移监测点布置从隧道拱顶位置开始到靠近桩基的一侧，每隔30°布设1个，共6个监测点。对于采用全站仪监测结构水平位移，主要是通过先测量出结构净空收敛点的坐标，通过计算相对坐标来得到水平位移，该方法不需要接触监测点，只要求通视。但是，此方法对全站仪的测角精度和测距精度有一定要求，在目前工程中很容易实现。

4 保护措施

无论是从设计文件上的质量技术条件，还是保证桩基施工对地铁隧道的安全要求，邻近既有地铁隧道建造桩基的具体方案都有更高的要求。经过国内专家多次分析考虑和部分城市出台的相关保护管理办法，减小桩基施工对既有地铁隧道的影响的措施主要有：

（1）桩基施工方面。在既有地铁隧道附近进行桩基施工时，优先采用全套管护壁施工的方法，不易产生塌孔现象，并且不拔除钢套管可以进一步降低风险。尽量不采用大功率机械设备施工，减小工程施工与交通荷载的叠加效应。当钻进位置靠近地铁一定范围时，应减缓钻进速度。钢护筒及时跟进，避免振动锤直接接触埋设钢护筒。使用全站仪来定位桩基孔位。

（2）地铁隧道结构监测方面。邀请专业的监测单位编制专项监测方案，严格按照规范、监测方案执行。当指标数据超过阙值时则立刻停止施工，并邀请专家进行讨论、研究。

（3）严格执行施工管理程序和制度。桩基施工前对地质情况进行复查，遇溶洞等需要先进行注浆处理，对于已发生较大沉降的区域需要在隧道底部注浆达到稳定隧道结构的目的。从源头控制填河填筑、现状高速卸载、土方超挖等工程的施工速度、范围对地铁隧道的扰动风险。

6 结论及建议

针对桩基施工对邻近既有地铁隧道的影响，本文首先总结了其国内外研究现状，指出了目前的不足；基于此，对该领域上常见的监测方案进行了简要介绍，得到了保护地铁隧道、减小桩基影响作用的措施，主要如下：

（1）桩基施工采用全套管护壁施工不易塌孔现象，避免采用大功率机械设备施工，减缓钻进速度。

（2）邀请专业的监测单位进行地铁隧道结构监测，严格执行规范、监测方案。

（3）严格执行施工管理程序和制度。从源头控制工程的施工速度、范围对地铁隧道的扰动风险。

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