地铁两侧大面积桩基施工对隧道结构影响分析*

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

中国博览会会展综合体位于上海市西部，其地上建筑面积达到147 万m2，建筑物横跨运营中的轨交2号线车站及一部分区间，影响范围长度约为1 000 m（图1）。为确保新建建筑施工过程对地铁区间隧道（简称隧道）结构影响最小，距离隧道结构50 m以内的地铁保护区范围内设计为钻孔灌注桩，地铁保护区范围外设计为PHC预制桩，持力层为⑦2层，桩长为40 m左右。（PHC桩有1 万多根，直径分为600 mm和800 mm，分布在距离地铁50～400 m范围内，钻孔灌注桩约3 000多根，直径多为800 mm，少量为600 mm，分布在距离地铁影响沿线的6～50 m范围内。）

图1 工程概况

2 水文、地质概况

勘探孔揭示，拟建场地大部分位于正常地层分布区，局部受古河道切割，在所揭露的65.30 m深度范围内属第四纪上更新世Q3至全新世Q4沉积物，主要由黏性土、粉性土及砂土组成。本次堆载预压施工主要针对第③层淤泥质粉质黏土以及第④层淤泥质黏土进行处理。

对施工有可能产生直接影响的为浅部土层的潜水。潜水补给来源主要为大气降水与地表径流，其水位动态变化主要受大气降水和地表径流影响，地下水年平均水位埋深为0.5～0.7 m，低水位埋深为1.5 m。

3 桩基施工对周边结构影响机理分析

国家会展综合体桩基对隧道影响范围长度约 1 000 m，其中既包括车站也包括区间部分。桩基距离隧道结构最近处仅有6 m。在运营中的轨交线路附近如此大范围内进行桩基施工，不仅在上海是绝无仅有的，在全国范围内也是没有先例的，因此桩基施工受到各方面的重视和关注。

3.1 预制PHC桩施工影响分析

PHC打入桩施工时产生挤土效应和孔隙水压力增大的现象，施工时，沉桩引起四周土体扰动，改变了土体的应力状态，形成了桩周颗粒的复杂运动，使桩周土体发生变化，这种变化表现为径向位移，桩尖和桩周一定范围内的土体受到不排水剪切以及很大的水平挤压。由于群桩的叠加作用，桩群越密桩径越大，土体的位移和超孔隙水压力就越大，对周围环境和建筑物的影响就越大。

3.2 钻孔灌注桩施工影响分析

钻孔灌注桩钻孔过程中会对土压力和超孔隙水压力造成一定的释放，如这种压力释放过于迅速则极易造成坍孔，钻孔灌注桩坍孔势必造成更大的压力释放，因此钻孔灌注桩施工对邻近桩基及建筑物会产生一定的影响。

4 桩基施工流程优化[1-4]

4.1 桩基施工对地铁结构影响分析

由上述机理分析可知，预制PHC桩施工时由于挤土效应会造成隧道结构物发生远离施工方向和向上的位移，大面积桩基施工时挤土效应更加明显，地铁结构位移也更加明显。而钻孔灌注桩施工时由于钻孔的存在会造成土体内部应力释放，也会造成超孔隙水压力的释放，因此造成周边隧道结构出现与原来位移相反的位移趋势。本工程地铁车站结构刚度较大，结构抗变形能力较强，不易造成结构损伤。而隧道区间结构自身刚度较小，抗变形能力弱，如发生变形容易造成结构损伤，尤其容易造成结构漏水，并对轨交2号线安全运营产生影响。

4.2 桩基施工流程优化原则

为避免桩基施工对隧道结构的影响，以及不同桩基类型之间的施工影响，需对桩基施工流程进行深入研究并制定具体措施用以指导施工。

（a）根据常规施工经验，隧道两侧施工需同步进行，即对称施工，对称施工使得隧道两侧挤土效应相近，因此隧道结构不容易发生水平向位移。但是也应该意识到对称施工对竖向位移会造成叠加效应，造成竖向位移较大。

（b）在工期容许的条件下，尽量降低施工速度，从而有效减少挤土效应，减少超孔隙水压力的叠加，使之能够快速消散，因此降低施工速度能够有效减少桩基打入施工对地铁结构的影响。

（c）PHC桩施工背离隧道方向进行施工，首先施工靠近隧道部分，然后逐渐远离隧道结构，这有助于减小挤土效应对隧道结构的累积，同时靠近隧道已施工的桩基对后续施工桩基的振动和挤土效应起到抵抗作用，在一定程度上减小了桩基施工对隧道的影响。

（d）预制PHC桩施工与钻孔灌注桩保持一定距离或间隔一定时间，预制PHC施工时产生挤土效应和振动效应，如PHC桩先行施工，钻孔灌注桩随后施工，由于打入桩施工已对周围土体产生扰动，造成超孔隙水压力的存在，极易引起钻孔灌注桩施工时坍孔。而如果钻孔灌注桩施工在先，PHC桩随后施工则会在振动和挤土效应情况下，造成尚未完全硬化的混凝土受到损伤，形成断桩。

根据以上原则确定了桩基施工流程为PHC桩先带状施工（即施工流程1），然后外侧PHC桩逐渐向外施工（即施工流程2），待PHC桩距离钻孔灌注桩距离超过1.5 倍PHC桩长度后钻孔灌注桩开始施工（即施工流程3）。施工流程如图2所示。

5 桩基施工监测

5.1 测点布置

为确保隧道结构安全以及掌握桩基施工对地铁，以及PHC桩与钻孔灌注桩施工之间的影响，本工程施工过程前在隧道结构以及钻孔灌注桩与隧道结构之间、钻孔灌注桩与PHC桩之间布置测点，对隧道结构的位移以及孔隙水压力、土压力等进行监测。

图2 桩基施工流程示意

（a）隧道结构测点包括位移测点和隧道收敛测点，在施工影响区范围内沿隧道纵向每隔20 m布置1 个位移监测点，在隧道区间内每隔20 m另布置1 个收敛测点，布置如图3所示。

图3 位移与隧道收敛测点布置

（b）土压力测点与孔隙水压力测点沿施工影响范围内地铁布置4 排，分别为隧道北侧6 m、50 m处以及隧道南侧6 m与50 m处，土压力测点与孔隙水压力测点相距1 m，沿纵向每隔20 m布置一处。测点布置如图4所示。

图4 土压力、孔隙水压力测点布置示意

5.2 地铁结构位移、变形监测结果

地铁结构位移监测每周测量2 次分别为周一晚上和周四晚上，隧道区间收敛监测每10 d测量1 次。靠近地铁侧PHC桩自10月初开始大量施工，本文选取10月25日至11月16日期间隧道竖向位移监测与隧道收敛监测数值进行分析。至11月初靠近隧道侧PHC桩施工至测点S101（SL19）位置，两端钻孔灌注桩10月下旬开始施工。

监测结果表明，PHC桩施工引起隧道结构上浮，如S101左右位置均表现出上浮，上浮最大值约为6 mm，施工完成后趋于稳定并有逐步降低的趋势，PHC桩施工完成后续钻孔灌注桩施工引起隧道结构下沉，最大下沉值约为4 mm。隧道收敛测量结果显示在S19位置附近出现最大收敛，收敛值约为4 mm，表明PHC桩施工的挤土效应造成隧道周边土压力增大引起隧道变形。而S45位置由于钻孔灌注桩施工造成孔隙水压力与土压力的释放，隧道结构表现出直径增大的趋势，增大值约为1.5 mm。

5.3 土压力、孔隙水压力监测结果

土压力与孔隙水压力监测频率为1次/d，本文以TY17与SY17测点为例进行分析，10月22日测点附近10 m位置有PHC施工，其余时间段PHC施工距离该测点均大于50 m。

监测结果表明距离PHC桩施工50 m位置处土压力与水压力均未出现大幅提高，距离PHC桩施工10 m左右位置处土压力与水压力明显增大，土压力与水压力均表现为地面附近增加较小，地下19～44 m饱和不透水层处增加幅度较大，增大幅度在100%左右。因此可判定PHC桩施工对浅层结构影响不大，但对饱和不透水层处结构影响较大。

6 结语

桩基施工过程中地铁结构未出现超过轨交运营部门规定的限值，轨交安全运营未受影响，同时在钻孔灌注桩施工过程中也未出现因PHC桩施工造成的坍孔，钻孔灌注桩经检测全部达到Ⅱ级以上。先进行的隧道两侧PHC桩施工，有助于将后续PHC桩施工振动与挤土效应隔离，对隧道起到一定的保护作用。隧道两侧PHC桩施工速度不应太快，应较正常施工速度低，待离开隧道结构2 倍桩长时（且不应小于60 m）可适当加快至正常施工速度。PHC桩施工与钻孔灌注桩距离1.5 倍PHC桩长是可行的，但在钻孔灌注桩浇筑完混凝土24 h内不宜进行PHC桩施工。施工中发现：PHC桩施工对饱和不透水层的土压力和孔隙水压力影响较大，对浅层地表影响较小，可为类似工程提供借鉴。