摘要：在城市地下工程施工中，临近及下穿重要建筑物的情况越来越多。在建筑与地下工程之间设置隔离措施是目前减小建筑物基础沉降及建筑物倾斜变形的常用方案。
关键词：地下工程；建筑物保护；隔离桩
1.工程概况
北京地铁8号线三期从二期中国美术馆站向南，至长安街向西与既有2号线前门站换乘后，沿中轴路一路南行。线路侧穿位于前门大街与珠市口大街交口南侧的基督珠市口堂，进入8号线珠市口站。
基督珠市口堂建于1921年，是民国初中国境内首个华人担任第一任主教的教堂。教民数千人，教堂南北向长约15米，东西向宽月22米，为三层混合结构坡顶建筑，建筑面积960m2。该楼为内框架混合承重体系，外墙厚420mm，为混凝土楼板，顶层为三角木屋盖。经鉴定：房屋为C级；部分承重结构承载力不能满足正常使用要求，局部出现险情，构成局部危房。
珠市口教堂东侧为8号线区间正线及东侧换乘通道，形成暗挖隧道群，教堂与暗挖结构最近水平距离为3.23m，教堂位于隧道开挖的显著影响区；西侧为8号线珠市口站与7号线的西侧换乘通道，教堂与暗挖结构最近水平距离为1.62m。鉴于房屋的重要性及房屋部分承重结构承载力已经不能满足正常使用要求的结构现状，设计提出施工影响教堂基础沉降量小于10mm的要求。因此设计及施工过程中必须采取可靠的保护措施控制教堂的基础变形量，减小暗挖过程中及施工完成后的基础沉降总量，保证教堂的正常使用。教堂西侧换乘通道及东侧为暗挖隧道群洞底埋深19.5米，洞高7米，为暗挖初支加二衬的复合式衬砌结构。由于施工场地狭窄，选择在珠市口教堂东西两侧从地面各设置一排直径Φ800mm间距@1300mm的C30钢筋混凝土人工挖孔隔离桩，桩端进入区间和通道开挖面以下3m，根据现场实际情况北侧桩超出教堂基础北端2m，南侧桩超出教堂基础南端3.1m。
2.方案对比分析及确定
暗挖侧穿建筑物的保护措施通常有地上及地下两方面的措施。地上措施主要是对既有房屋的加固，这种措施对房屋原有结构有较大修改，通过增加圈梁、立柱的受力性能等，增强房屋的整体性。但该方法专业性强，技术要求高，施工工艺相对复杂，方案或施工稍有不慎，就可能造成对既有建筑的永久损坏，一般情况应谨慎采用。另外就是通过地下土体加固或隔离措施，控制房屋基础沉降及不规则变形。如采用隔离桩隔离；对结构基础下地基进行定向加固；加强洞内开挖前土体注浆效果，及时进行补偿注浆控制开挖期间洞周土体收敛等，达到控制房屋基础变形的目的等。
隔离桩常见的有混凝土灌注桩，微型锚杆桩等。本工程方案设计之初，倾向于微型锚杆桩，又称微型桩或树根桩，是法国开发的一种灌注桩技术。微型锚杆桩实质上是小直径压力注浆桩；桩径多采用70-250mm，长度不大于30m，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺加固地层。多用于旧房改造、房屋增层、古建筑加固纠偏、防洪堤加固、建（构）筑物抗震加固、基坑开挖的护坡桩及水池底板抗浮等基础工程。具有安全可靠、造价低、工期短的特点。为加强刚度可双排或多排布置，桩位布置一般采用梅花型布置，桩间距500~600mm；结合教堂与暗挖隧道的距离，西侧可布置两排，东侧最多可布置3排。与灌注桩相比，单根锚杆桩其抗剪强度仅为钻孔桩的3~5%。成排布设也仅为钻孔桩的10%。由于暗挖开挖洞体高大7m,隔离效果较钻孔桩大打折扣。其次，锚杆桩机械施工因地层条件及桩长不同有较大差异，在桩长较短，黏土或沙土地层中，采用长螺旋钻杆即可成孔，成孔震动小，对周边地层的扰动也小；但该工程桩长较深，且要通过卵石地层，成桩需采用带冲击的地质钻机，施工震动对教堂结构影响较大，结合实际情况分析不宜采用。其三，微型锚杆桩必须采用机械成孔，由于教堂周边地形起伏，场地狭小空间的限制，无法满足微型锚杆桩机械的场地要求。综合考虑，混凝土灌注桩的刚度更大，更有利于控制教堂的变形，最终确定采用人工挖孔灌注桩作为隔离桩。同时，为控制开挖变形，采取洞内超前注浆及分部开挖控制的工艺，减少开挖期间地层的收敛和地表的沉降。
3.施工方案的实施
该施工方案的实施，重点控制以下几方面：
3.1人工挖孔期间的房屋沉降控制
挖孔应采用隔二挖一的跳挖，保证挖孔期间教堂基础周边土体稳定。挖孔时做好锁扣及护壁，尽可能减少挖孔对地层的扰动。同时加强护壁的支护强度，护壁采用厚150mm的商品C25混凝土，从而保证了护壁的质量。
通过易坍塌的砂层时开挖步距缩短至70cm，防止砂层的坍塌。
3.2暗挖初支结构施工期间的沉降控制
暗挖初支结构施工期间主要控制如下方面：
3.2.1隧道总体开挖顺序的安排
隧道避免同时开挖通过教堂段。现场采取的开挖顺序为先开挖东侧临近教堂的区间右线隧道，开挖完成后对东侧后期开挖的隧道开挖引起的土体应力变化起到了有效的隔离作用，减少了群洞效应的干扰。西侧的换乘通道在东侧区间右线开挖期间进行，可有效的平衡土体的整体变形，减少不均匀沉降。
3.2.2深孔注浆加固地层
为进一步减少地层收敛，采取了洞内深孔注浆地层加固的措施。具体实施如下：在侧穿区段进行深孔注浆进行地层加固。一方面要达到加固地层，保证地层承载力的目的，另一方面，改善地层条件，防止出现坍塌。注浆采用后退式全断面注浆施工，根据设计加固范围对隧道开挖轮廓线外200cm，内25cm范围内拱部土体进行深孔注浆加固，以达到稳固土体，减少开挖时土体应力的变化。
施工步骤：注浆孔采用二重管钻机成孔，分节钻孔，每节钻杆长度为2m，两节之间采用双孔专用接头和专用钻头钻孔。钻杆采用φ42中空钻杆，钻机按照指定的位置就位，并在技术人员的指导下，调整钻杆角度，对准孔位后，钻机不得移位。注浆孔孔间距为1m，拱顶梅花形布孔。
钻进：按注浆长度及注浆范围要求，要严格掌握钻杆深度，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定该地层条件下的钻进参数．密切观察溢水出水情况，若出现大量溢水时应立即停钻，分析清楚实际原因后方可继续施工。
注浆：在达到钻进深度后，采用边注浆加固，边后退钻杆的后退式注浆方法，完成该孔位周边的土体加固。采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升（0.5～1Mpa），流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注5min，即可结束注浆。每次退出300~500mm，均速后退．退出后的钻杆应及时清洗干净。注浆时，严格控制浆液浓度及压力，根据压力变化，及时调整浆液浓度，直到达到设计终压为止。当注浆压力较小，而注浆量较大时增大水泥浆的浓度，直至达到终压，持续注浆至设计孔位深度。
所有注浆孔注浆完成后，即完成该循环要求内的地层加固，然后再进行止浆墙破除，按照规范要求进行开挖，随挖随完成隧道初期支护，直至开挖到设定的地层加固开挖长度。
经过注浆试验确定注浆参数：浆液选择：深孔注浆采用水泥和水玻璃搭配进行，布孔及注浆按照1：1比例进行，比例按试验段结果可适当调整。
注浆效果检查：分析注浆记录，看每个孔的注浆压力、注浆量是否达到设计要求；在注浆过程中，漏浆、跑浆是否严重；以浆液注入量估算浆液扩散半径，分析是否与设计相符，经过开挖是的观察，达到了设计预计的注浆效果。
3.2.3隧道的开挖部序控制
单个隧道的开挖部序控制。严格执行“十八字方针”，做好超前加固及控制台阶部序，及早完成隧道的封闭成环，利于成环后对初支背后土体进行补偿注浆。
3.2.4加强初支背后回填注浆
加强初支背后回填注浆管理，及时进行封闭成环后初支背后注浆。每开挖3米封闭掌子面进行一次初支背后回填注浆，从而控制地层收敛变形，减少沉降。
回填注浆：初期支护背后采用水泥砂浆压浆处理，注浆孔沿拱部及边墙布设，环向间距：拱部2m，边墙3m，纵向间距3m，梅花型布置，注浆深度为初支背后0.5m，注浆终压0.5MPa，压力稳定3min后注浆量趋于稳定可结束注浆。注浆时从两边墙底部向拱顶交叉进行，从少水（或无水）孔向有水孔（大水孔）依次进行。
4.监测情况分析
采用实时的监控量测手段，及时发现问题，及早反馈并用于指导施工也是侧穿教堂安全控制的重要环节。变形控制标准设计如下：整体沉降≤10mm，差异沉降≤3‰，沉降速率不大于2mm/d，侧墙新增倾斜≤1‰。
4.1教堂人工挖孔期间对教堂的影响
挖孔桩自南向北隔二挖一进行施工，随着人工挖孔桩对原状土体还是有一定的扰动。从总体数值上看，各监测点位的沉降在1.1~1.6mm之间，对教堂沉降控制值10mm来说，是在允许范围内的。从时间上看挖孔集中开孔的开始2~3周内，沉降持续进行。待开孔全部结束后的第五周，沉降区域平稳。说明挖孔开孔阶段对房屋基础扰动相对较大。在挖孔深入后，沉降基本稳定。测量数据有反向波动的情况，这与测量误差有一定关系。监测点数据变化如:
图5-2人孔挖孔期间监测点数据变化图所示：
图5-2 人孔挖孔期间监测点数据变化图
4.2暗挖期间对教堂的影响
前珠区间右线暗挖采用上下台阶法施工，通过教堂时间15天（时间轴上第35~50天），之后进行西换乘通道的施工，历时21天（时间轴上第53~73天）。中换乘通道施工始于第60天，终于第78天，历时18天。如:表5-1各工序施工工期表所示:
表5-1 各工序施工工期表
图5-3 开挖期间监测点数据变化图
在经历了挖孔桩后期的沉降稳定后，在暗挖施工初期，临近开挖面的JCJ-3最先开始沉降，之后JCJ-2、JCJ-1先后出现沉降。在此阶段教堂西侧的JCJ-4、JCJ-5、JCJ-6的沉降基本变化不大。而西侧换乘通道开始开挖时，JCJ-4、JCJ-5、JCJ-6开始陆续出现沉降，而此时JCJ-1、JCJ-2、JCJ-3的沉降逐渐趋于稳定。说明暗挖施工对临近点位的沉降影响较为明显，但对距离较远的点影响不大，基本可以忽略。同时在西换乘开挖的同时，中间换乘通道也随后开始了开挖，但未引起东侧JCJ-1、JCJ-2、JCJ-3三个沉降点的明显变化，说明随着距离的增大，开挖对教堂沉降的影响已经不大，同时右线的先期开挖，对中换乘开挖破裂线起到了整体的分隔阻挡作用。单独从开挖阶段的沉降数值监测点数据变化如：
图5-3开挖期间监测点数据变化图所示：
综合分析挖孔桩阶段、暗挖时各洞体施工阶段、工后15天以后的沉降数值稳定期进行分析，工程各主要时间点，各监测点位的数值如：表5-2各施工阶段监测数值对比表所示：
表5-2 各施工阶段监测数值对比表
从表格可以看出最终挖孔期间的房屋沉降在1.09mm~1.57mm之间。在初支开挖期间的房屋沉降为在0.99mm~1.9mm之间，稳定后的数据统计与开挖完成时的各点沉降总值变化不大。同时，西侧的监测点较东侧变化大，这与隧道结构距离教堂的远近以及教堂邻近暗挖结构本身的结构特性（弧形断面与直墙断面）可能都存在一定联系。目前，已经完成了隧道的侧穿，教堂的累计最大沉降仅3.3mm，满足设计给出的教堂基础沉降小于10mm的要求。
结论
在设计时地层模拟不做隔离桩沉降值在11.5mm；仅采用洞内注浆侧穿的类似工程，一般侧穿后沉降达到15mm左右；设计模拟实施人工挖孔隔离桩的施工总沉降量为10mm。通过教堂保护方案的实施，在挖孔期间教堂沉降平均值1.29mm，最大值1.57mm。在暗挖通过期间教堂沉降平均值1.44mm，最大值1.90mm。累计沉降平均值2.73mm，最大值3.29mm，与设计模拟的2.98mm的最大沉降基本相符，较不采用隔离桩数值大大降低。可见采用隔离桩对沉降控制的效果很显著。通过隔离桩的隔离有效的控制了教堂基础的沉降，保证了教堂的安全。
文章对比了作为隔离桩的灌注桩和锚杆桩的优劣，说明了该工程未采用锚杆桩的理由。但需要注意的是，隔离桩的措施应结合地质水位条件，地面场地条件等综合确定。如果场地内地下水位较高。则不适用采用挖孔方案。可采用双排或多排微型锚杆桩等加强支护刚度，起到同样的隔离保护效果。
参考文献
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.
[2]崔玖江.隧道与地下工程修建技术[M].北京：科学出版社，2005.
论文作者:陈安
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/22
标签：注浆论文; 教堂论文; 地层论文; 隧道论文; 挖孔论文; 钻杆论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第21期论文;