1. 引言
在邻近重要地下管线及地下构筑物——如地铁区间隧道等——进行钻孔灌注桩施工时，最大的风险来自钻孔灌注桩的成孔施工阶段，该阶段若发生坍孔事故，势必对邻近地下设施产生不利影响。为此必须采取有效措施加以防范。这些措施中，利用三轴搅拌桩对桩周土体进行加固是常用的方案之一。
但是，三轴搅拌桩施工势必伴随着高压注浆和快速搅拌及上下反复沉钻和提钻等施工工艺，这些因素也会导致周边土体受到挤压和扰动，如果邻近区域存在地铁隧道等地下设施，需要考虑搅拌桩施工导致的不利影响。
关于三轴搅拌桩施工对邻近地铁隧道的影响，工程界十分重视基于具体工程的现场试验研究。近10年来，国内不少学者和工程技术人员对此进行了不少现场试验研究。王煜(2013)针对苏州地区软土地层就SMW工法三轴水泥土搅拌桩施工对邻近地铁2号线区间隧道的影响，开展了现场试验研究 [1]，该项试验分析了钻头下钻速度、水灰比、注浆压力和钻头提升速度等因素对邻近土层产生的挤压作用的敏感度。沈荣飞(2018)针对用于地下连续墙护壁的三轴水泥土搅拌桩施工对邻近地铁区间隧道的影响，开展了现场试验研究 [2]，他研究了搅拌桩施工对邻近土体的水平挤压作用随时间变化的规律，发现桩下沉施工阶段和注浆阶段测斜管变形显著，24小时后逐渐向原位回复，至地下连续墙开挖进一步回复。
三轴水泥土搅拌桩对邻近土体的挤压作用与其水泥掺量有密切关系，水泥掺量对应的就是注浆工艺和喷浆压力。针对注浆对邻近地铁区间隧道的影响，翁承显(2006)针对南京火车站站前广场基坑坑底高压旋喷桩加固时对邻近地铁隧道的影响开展了理论分析、数值分析和现场实测研究 [3]，他在研究中将高压旋喷桩注浆压力等效成Vesic小孔扩张模型，推导了单桩施工时周围土层的应力和变形理论公式，然后通过Sap2000有限元软件和实测反分析修正了理论公式中的相关经验系数。
一般三轴搅拌桩桩机重量均在1800 kN左右，加上安装吊车等其它机械的重量，所形成的地面堆载更大。对于埋深较浅的区间隧道，地面超堆载影响需要重视。近年来，关于地面堆载对下伏已建隧道造成的损害的报道不断增加，引发了人们对这一课题的重视。许杰等(2013)针对上海某运营地铁隧道因其上方公园景观堆土导致隧道出现结构异常变形的情况进行了研究 [4]，他根据实测数据和盾构管片结构的计算结果对比，建立了堆载大小、隧道埋深对隧道变形的关系。邵华等(2016)针对上海某运营地铁隧道因突发大面积地面堆载导致隧道结构损坏的案例进行了研究 [5]，根据实测数据进行反演计算分析，在此基础上提出了修复方案。
这些研究表明，三轴搅拌桩施工对邻近土体的挤压作用与其施工参数、土层性质和相互位置有关系，地面堆载、隧道埋深对盾构隧道的安全也有密切关系。其关联的具体程度需就具体工程而论。
位于上海浦东地铁二号线附近的某跨线桥桥梁桩基工程采用钻孔灌注桩桩型，设计单位提出采用三轴水泥土搅拌桩对钻孔灌注桩桩周地层进行地基加固的方案，以实现防坍孔的目标。考虑到三轴搅拌桩施工时，桩机重量产生的地面超载和搅拌桩沉桩施工会对附近土体产生挤土作用，进而对邻近地铁区间隧道的安全产生不利影响，施工单位拟通过专题现场试验研究确定相关施工参数，并在此基础上制定相应的施工方案，确保地铁安全。本文将对此项试验研究进行介绍。
2. 工程背景及研究内容
2.1. 工程背景
上海市浦东新区的创新中路某跨线桥桥墩基桩邻近已经运营的地铁2号线区间隧道，基桩采用钻孔灌注桩，区间隧道为盾构形式，外径6.2米，埋深9~10 m。钻孔灌注桩直径1米，长58米和63米。基桩和区间隧道最小中心距离为3.35米。设计单位提出采用三轴水泥土搅拌桩先对钻孔桩桩周地层进行地基加固，以防止钻孔桩成孔过程中发生坍孔。搅拌桩直径850 mm，搭接250 mm，加固深度22 m。桥梁桩基与地铁隧道位置关系如图1所示。
Figure 1. Subway tunnel and pile foundation of bridge
图1. 桥梁桩基和地铁隧道的位置关系
考虑到三轴水泥土搅拌桩施工可能对邻近区间隧道产生不利影响，地铁运营管理部门要求施工单位必须进行先行试验，主要解决如下问题：
1) 三轴搅拌桩桩机重量达到1850 kN，此重量会否对其下隧道结构产生不利影响？
2) 为减少不利影响，三轴水泥土搅拌桩施工的最佳施工参数(水泥掺量和下沉速度)宜为多少？
本项试验研究即围绕此目的展开。
2.2. 试验研究内容
1) 三轴搅拌桩机自重对邻近土体位移的影响
三轴水泥土搅拌桩桩机重量大(1850 kN)，就位后产生较大的地面超载，会导致邻近土体产生位移。本试验需要通过试验了解桩机自重对邻近土体的位移影响，进而回答桩机自重对临近隧道的不利影响程度。
2) 水泥掺量对邻近土体位移的影响
一般来说，三轴搅拌桩的水泥掺量越高，地基加固效果越好。但水泥掺量越大，搅拌桩桩头的喷浆压力越大，其对邻近土体的挤压和扰动也越大。本试验考虑了10%，13%，17%，20%四种水泥掺量，分别考察它们对邻近土体的水平位移和竖向位移。
3) 搅拌桩施工顺序对临近土体位移的影响
每组搅拌桩由多根搅拌桩相互咬合构成，各根桩与检测点的距离不一样，那么必然存在桩的施工顺序对检测点处的土层的位移影响有所不同，为此需要通过试验了解桩施工顺序对邻近土体位移的影响。
4) 搅拌桩施工对邻近地铁隧道的影响现场监测反馈
在工程实施中搅拌桩的水泥掺量为10%，对此进行了施工的跟踪监测研究。
3. 试验情况简述
试验包括现场1:1足尺试验和施工现场监测。
3.1. 足尺试验布置
3.1.1. 试验场地布置
试验场地远离隧道(约50米)，根据理论计算和工程经验，此区域对运营的区间隧道无影响。试验按水泥掺量分A，B，C，D四组，水泥掺量分别为10%，13%，17%，20%。试验中每组由三根桩搭接而成，各桩施工顺序为1-3-2，简单地说，就是遵循“先两边后中间”的施工顺序。如图2所示。
邻近土体的位移量测内容为：水平位移和垂直位移(即沉降)，分别采用测斜管和分层沉降仪进行量测，如图3所示。为了保证二者的同步性，采取分层沉降磁环和测斜管整体安装。
Figure 3. Installation of inclinometer and settlement magnetic hoops
图3. 测斜管和分层沉降磁环的埋设
3.1.2. 试验量测安排
对于试桩邻近土体的位移量测，根据施工内容，安排如下：
1) 三轴水泥土桩机自重对邻近土体位移的影响
每组搅拌桩桩机就位前，水平位移和垂直位移的初读数2次，取平均值，作为计算的初读数。当三轴水泥土搅拌桩安装就位后，量测此时的测斜读数和分层沉降读数。和初始值比较，可得桩机自重导致的测斜管位移和地基内部不同埋深处的沉降。
2) 不同水泥掺量对邻近土体位移的影响
对4种水泥掺量(10%，13%，17%，20%)分组进行施工，同时量测各组的3根桩施工时测斜管的位移和分层沉降。同时分析每分组内3根桩施工顺序对邻近土体位移的影响。
3.1.3. 桥墩桩基施工的现场监测
桩基施工前15天完成测斜管布设。桩基施工前一天量测初始读数。初始读数量测两次，取平均值作为计算初读数。每根搅拌桩施工前后均进行量测，得到该桩对邻近土体位移的影响。
4. 足尺试验结果
4.1. 三轴搅拌桩桩机自重对周边土体的挤压变形
三轴搅拌桩机自身重量大(1850 kN)，就位后情况如图4所示。就位稳定后，对邻近测斜管的水平变形和土体分层沉降进行了量测。图4为桩机堆载后邻近土体的水平位移。
图中正负号规定如下：远离三轴搅拌桩机一侧为正，靠近三轴搅拌桩机一侧为负。从量测结果可以看出，堆载引起的土体水平位移最大值为1.16 mm，发生在地表处。随着深度的增加，水平位移逐渐减小。在隧道埋深范围内水平位移的变化区间为0.46~0.68 mm。
Figure 4. Lateral displacement of inclinometer casing due to the weight of the rig
图4. 桩机自重堆载引起的土体水平位移
根据竖向位移量测，桩机自重堆载对周围土体产生的竖向位移观测数据在1 mm以内，小于读数误差1 mm，在安全范围内。
4.2. 水泥掺量对土体水平位移的影响
量测得到4组不同掺量的试桩在施工过程中测斜管的水平位移，如图5所示。这4组桩的水泥掺量分别是A (水泥掺量10%)、B (水泥掺量13%)、C (水泥掺量17%)、D (水泥掺量20%)。每组共计三根三轴搅拌桩，相互咬合(搭接长度250 mm)，参见图2。图5为每组施工后的最大位移值。
Figure 5. Comparison of displacement of inclinometer casing due to rig weight and cement ratio
图5. 不同因素下的土体水平位移对比分析
从图5中可以看出，水泥掺量与测斜管的位移是有关系的，水泥掺量低于15% (A组和B组)的水平位移明显小于水泥掺量大于15% (C组和D组)的水平位移。说明如果地基加固能够达到防坍孔要求时，尽可能采用低掺量。图5中还可以看到，相对于水泥掺量的影响，桩机重量对水平位移的影响很小，可以不予考虑。
4.3. 施工顺序对土体水平位移的影响
图6和图7为各组桩施工时测斜管的水平位移。各组内编号的几何意义参见图2。
Figure 6. Lateral displacement of inclinometer casing due to the piling of Group A & B piles
图6. A组和B组桩施工引起的土体水平位移
Figure 7. Lateral displacement of inclinometer casing due to the piling of Group C & D piles
图7. C组和D组桩施工引起的土体水平位移
从图6和图7中可以看出，在施作第一根搅拌桩(A1，B1，C1，D1)时，对周围土体产生的影响最大。后续桩(A2，B2，C2，D2及A3，B3，C3，D3)逐渐变小。其原因是，第一根桩距离测斜管最近，因而影响最为显著；后续桩除了距离原因外，还受到第一组桩的遮帘阻挡作用，使得其影响受到抑制。按此道理，最佳顺序应该是1-2-3，但由于搭接因素，若按1-2-3顺序，则后续桩(桩2和桩3)将分设在原状土和加固土两种介质，容易导致桩偏斜。因此，为了确保桩的垂直度，采用1-3-2的施工顺序(虽然桩2也分设在原状土和加固土两种介质上，但是对称性布设，故不会出现斜桩)。
从各图还可以看出，测斜管的水平位移的曲线呈现“峰型”，其中A、B、C、D各组引起的峰值分别为5.05 mm、4.24 mm、13.8 mm、15.6 mm，皆在浅层土体。
4.4. 搅拌桩对土体竖向位移的影响
各组试桩施工时邻近土体竖向位移情况如图8所示。
Figure 8. Vertical displacement due to the piling of Group A - D piles
图8. A~D组桩沉桩施工引起的土体竖向位移
从图8中可以看出，搅拌桩施工时，竖向位移会出现隆起和沉降随深度不断震荡的情况，但峰值变化幅度在8 mm以内。说明搅拌桩施工导致的土体垂直位移是一种随机性很大的事件，变化幅度很小，对区间隧道影响不大。
5. 桩基施工阶段现场监测结果
本工程的三轴搅拌桩水泥掺量采用10%。搅拌桩养护期达到21天后，开始钻孔桩成孔施工，并完成桩的水下混凝土浇筑。搅拌桩加固施工完成后，量测隧道近处的测斜管位移。钻孔灌注施工完成后，再次量测隧道近处的测斜管位移。4个桥墩基桩施工的测点布置如图9所示，测斜管距离隧道外缘0.5 m。在此期间，运营隧道也实时进行隧道结构的变形量测。
Figure 9. Layout of monitoring on site for all piers
图9. 施工现场各桥墩测点布置图
5.1. 三轴搅拌桩施工对隧道邻近土体位移影响
三轴搅拌桩施工完成后，各桥墩附近测点的水平位移曲线如图10所示。图中负号表示朝向隧道。
监测结果表明，三轴搅拌桩施工时导致临近隧道处土体水平位移朝向隧道一侧，数值随深度增加而减小。主要影响范围为浅层土体，深度0~5 m。最大水平位移出现在地表。在隧道所在深度处，水平位移微小，累积不足7 mm。
Figure 10. Displacement of inclinometer casing adjacent to the tunnel after cement-mixing piling
图10. 三轴搅拌桩施工完成后隧道邻近土体的水平位移曲线
三轴搅拌桩施工完成后，各测点测斜管的最大水平位移如表1所示。监测结果表明，三轴搅拌桩施工导致临近隧道处土体水平位移朝向隧道一侧，数值随深度增加而减小。主要影响范围为浅层土体，深度0~5 m。最大水平位移出现在地表。在隧道所在深度处，水平位移微小，累积不足5 mm。
Table 1. Maxim displacement of inclinometer casing after cement-mixing piling (mm)
表1. 三轴搅拌桩施工完成后测斜管最大水平位移(mm)
以上监测结果表明，搅拌桩对邻近土体的位移影响主要表现在埋深5米以内的土层，且导致的位移很小。而区间隧道顶部埋深在9米以下，因此，搅拌桩对隧道的影响更加微小。
5.2. 桩基施工对邻近隧道的影响
根据现场施工记录，经三轴搅拌桩加固后的钻孔灌注桩施工，均未出现坍孔现象，成孔垂直度在0.5%以下，说明搅拌桩加固的效果是不错的。
在三轴搅拌桩施工期间，邻近隧道结构也进行了同步监测。监测内容包括上下行线盾构管片的收敛变形和轨道竖向位移。作为典型情况，本文选取了001#桥墩桩基施工进行具体分析。
图11为001#桥墩桩基施工期间，隧道近处土体水平位移和隧道收敛变形曲线(下行线XS11测点)对比图。从图11可以看出，隧道收敛变形在±0.5 mm范围内，属于隧道监测的误差范围变动。说明桩基施工对邻近隧道影响微乎其微。
Figure 11. Convergence of shield tunnel via horizontal displacement of adjacent soil during piling
图11. 桩基施工完成期间隧道收敛变形与邻近土体的水平位移对照曲线
图12为001#桥墩桩基施工期间，隧道近处土体竖向位移和隧道垂直位移曲线(X13测点)对比图。从图12可以看出，隧道垂直位移在±0.5 mm范围内，属于隧道监测的误差范围变动。说明桩基施工对邻近隧道影响微乎其微。
Figure 12. Vertical displacement of shield tunnel via that of adjacent soil during piling
图12. 桩基施工完成期间隧道垂直位移与邻近土体的竖向位移对照曲线
测点002#~004#所得结论相同，即桥墩桩基施工对邻近隧道影响微小，满足地铁运营的安全要求。
6. 结论
根据现场试验量测结果和现场施工监测结果，得到如下结论：
1) 采用三轴水泥土搅拌桩对地基进行加固，桩机重量对邻近土体的位移影响十分有限，大大低于其搅拌桩沉桩施工的挤压作用导致的土体位移；
2) 对于处于淤泥质土层的采用三轴搅拌桩进行地基处理，水泥掺量是影响土体挤压变形的重要因素，水泥掺量越低，挤压作用越小。一般将水泥掺量在10%~13%范围内，搅拌桩施工导致的土体挤压变形可控制在10 mm以内；
3) 三轴搅拌桩施工对邻近土体的挤压作用主要发生在浅层土体，本工程土体位移的峰值主要在埋深5米左右范围；
4) 采用三轴搅拌桩加固地基，对于淤泥质土，水泥掺量10%的三轴搅拌桩对钻孔桩成孔质量可以得到保证。说明作为钻孔桩成孔护壁用三轴水泥土搅拌桩，采用水泥掺量10%是合适的。而且其施工对邻近区间隧道影响微小，足可保证邻近区间隧道的安全和地铁正常运营的安全。
基金项目
2019年上海浦东新区城建系统科学技术研究项目，项目编号：2019-015。