【创新进行时】破解“桥-隧”空间博弈难题——一种浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换结构

“桥隧发展科技创新大会”是由《桥梁》杂志社主办的年度行业盛会，旨在为相关从业人员搭建一个传播理念、探讨技术、弘扬文化的交流平台。作为大会品牌活动，“桥隧技术及产品创新大赛”已成功举办九届，累计展示千余项创新成果，已成为行业内的标杆赛事。

为了更好的推广大赛成果，《桥梁》杂志推出“创新进行时”栏目，栏目将持续更新往届创新大赛参赛成果，旨在为创新企业提供一个展示的平台。希望“创新进行时”栏目能获得大家的关注，也欢迎各相关单位踊跃申报第十届桥隧技术及产品创新大赛。

今天为大家带来的是第九届桥隧技术及产品创新大赛“组委会特别推荐奖”的成果“破解“桥-隧”空间博弈难题——一种浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换结构”。

破解“桥-隧”空间博弈难题

——一种浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换结构

当前，我国城市轨道交通建设进入高速发展期，《"十四五"现代综合交通运输体系发展规划》明确提出推进城市群交通网络立体互联，催生了大量隧道下穿既有构筑物的复杂工程。2023年中国城市核心城区既有桩基与新建隧道冲突率年增长18%，在此背景下，桩基托换技术成为解决地下空间开发与既有结构保护矛盾的关键手段。

传统工艺之痛

随着城市的发展，交通日益发达，受用地限制，地铁线路往往沿既有路网敷设。地铁暗挖隧道不可避免的与既有建构筑物的桩基发生冲突。在工程早期规划设计阶段，可以通过线路规划绕过建筑物或构筑物的桩基影响范围，但是该方法通常导致更长的线路以及更高的工程成本，因此产生了传统的地面桩基托换施工技术，但是传统地面桩基托换技术在大城市市区面临多重挑战：首先，狭窄的施工空间（通常不足10米）与密集的地下管线网络严重制约设备部署和工艺实施；其次，长期占道施工（60-90天）导致交通拥堵指数成倍上升，且受制于夜间施工禁令，有效作业时间压缩至不足12小时/日；再者，施工引发的振动污染（常超1.5mm/s限值）、泥浆排放与粉尘扩散（PM10浓度达200μg/m³）难以满足中心城区环保标准；最后，居高不下的综合成本与不可控的工期延误风险，叠加多桩协同误差引发的结构失衡隐患，严重制约技术经济效益。因此，亟需一种能够降低施工难度与安全风险，减少空间需求，同时克服城市地面环境复杂、交通繁忙等问题的施工技术，以解决此类难题。

新工艺探索之路

为解决传统工艺空间需求大、振动及噪声污染超标、占道时间长等问题，行业内各企业也分别从装备微型化、材料绿色化、施工集约化等方面，对施工设备、施工技术、施工模式进行不同方向的升级优化，出现了如高度≤12m的窄体桩机（如中联重科ZR160L旋挖钻机）、免共振钢管桩技术、装配式钢箱托换体系等一系列新的技术方向。

然而，从实际情况来看，相关研究覆盖领域仍不全面，优化方向仍以局部优化为主，聚焦于克服传统工艺中的部分问题，但是其对于不具备地面实施条件的情况则无法解决。因此，针对桩基入侵浅埋暗挖隧道的情况，我们以克服地面环境复杂、交通繁忙，无法提供桩基托换的施工条件的情况为目标，提出“一种浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换结构”。其关键在于转换托换思路，从普遍地着力于降低地面施工难度、降低地面施工影响的方向转化为如何在隧道内进行桩基托换。

传统地面桩基托换技术是一种通过新建桩基和结构体系转移既有建筑荷载的方法，主要应用于地下工程（如地铁隧道）需穿越既有桩基的场景。其核心在于通过托换体系将原桩所承载的荷载转移至新的不影响新建隧道的新体系中从而达到截除冲突段既有桩基，为地下工程腾出空间的目的。

因此，想要达到在隧道内进行桩基托换的目的，需要解决以下问题：

（1）如何减少由于隧道开挖导致的桩基摩擦力损失；

（2）如何施工新的受力体系；

（3）如何进行受力体系转换；

结合暗挖法隧道施工特点，我们选择通过将既有桩基与暗挖隧道结构进行连接加固的方式对受力体系进行转换，在以下几个方面进行了创新研究：

（1）首先通过穿心钢棒与型钢拱架的初支结构相连接的方式，有效减小开挖阶段因桩基摩擦力损失造成的沉降。

（2）其次通过二衬结构与桩基进行植筋锚固，有效将桩基荷载通过二衬结构传递给下部土体。

（3）最后进一步对桩端新增用于支撑的三衬结构，既提供安全储备，又实现隧道防水入隧道结构部分，使得将原桩基对土层的荷载，转换为桩基与新增衬砌共同作用将桥梁荷载传递至土层内，同时保障了隧道的安全使用条件，最后待防水铺设完成后施工隧道结构衬砌，完成浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换施工，其工艺流程为：

（1）土方开挖要求

开挖步距按一榀钢架间距控制，严禁超挖。根据地层情况，隧道土方合理采用机械设备配合开挖，侧卸装载机进行洞内出渣。隧道开挖和初期支护循环进尺严格按设计要求进行，做到随挖随支，每挖一步立即支护钢架一榀，加强监测，保证隧道正常开挖过程中围护结构符合设计。

通道开挖轮廓尺寸允许误差满足设计要求，开挖轮廓线按照设计要求外放5cm，确保隧道净空满足要求。

掌子面有少量渗水具备引排条件的，则用钢管或PVC管将上台阶的积水及时引排至掌子面的后方，集中抽排出隧道。

（2）桩基托换段暗挖施工

暗挖段桩基托换段的施工,通道开挖外放5cm，采用上下台阶，下台阶预留核心土法，并采用穿心钢棒法将桩基部分承载力传递给初支钢架，作为安全储备,补偿桥梁桩基侧摩擦力损失。受桩基影响，上下台阶均采用小型机械开挖，人工修面。渣土出运同样采用小型运输车，运输土至出土孔采用门吊。开挖靠近道桥桩部分时采用人工开，防止开挖过程中对桩基造成破坏。其关键工序如下：

工序①按照开挖要求，超前支护，开挖上台阶（上台阶超过下台阶3m），至桩基面（每次开挖进尺一榀钢架）。

工序②对初衬型钢架上的桩基中心进行钻孔，孔径略大于钢棒直径，安装穿心钢棒；穿心钢棒长度大于桩基直径与两侧并排初支总距离。

工序③架设桩基侧2榀初衬型钢架,型钢架与穿心钢棒进行焊接。

工序④施打锁脚锚杆后，及时挂网喷护；超前支护上台阶继续掘进,开挖桩基另一侧断面，架设桩基另一侧2榀初衬型钢架，施打锁脚锚杆后，及时挂网喷护。

工序⑤先凿出企口，清洗干净后植筋，废弃植筋钻孔应立即采用植筋胶封堵密实。

基础钻孔时每次最多只能钻一个孔眼，应在基础对应两侧不同高度的两个位置钻孔施工，高差应不小于10cm。严禁在基础同侧同时或连续钻孔施工，严禁相邻或相对孔眼同时钻孔，钻孔不得破坏被托换基础的核心混凝土，钻孔后应立即植筋。植筋的锚固部位的原构件混凝土不得有局部缺陷，若有缺陷则需先对既有构件加固后再进行植筋。植筋前应对既有圬工面凿毛，灌注混凝土前应对已凿毛的既有圬工面清洗干净。

工序⑥探测出既有桥桩钢筋位置，再使用冲击电钻钻孔，钻孔时避让原有钢筋位置。用刷子以及压缩空气进行清孔，置入ET植筋胶，锤击置入钢筋。植入φ25钢筋，竖向沿二衬板中心线间距30×30cm，梅花形布置。

工序⑦凿除既有桥桩钢筋保护层后，保留部分桩的主筋与钢支盘、型钢钢架焊接牢固，形成整体，并与桩基托换段断面托换二衬与既有桥桩进行焊接连接，二衬纵筋遇到桩基断开，采用U型钢筋与既有桥桩主筋焊接连接。对初支背后的空隙及时注浆填充密实。

工序⑧浇筑二衬。

工序⑨入侵隧道结构桥梁桩基在二衬与三衬之间防水层施工前，需进行截桩，截桩采用绳锯切割。切桩期间应将对应的桥梁临时封闭。桥桩的上部切割位置为初期支护设向往下650mm。下部切割位置与底部土方开挖面齐平，等下部土方开挖后，清运剩下的桥桩，如果实际桥桩长度穿过开挖断面则需要再切割剩余桩头。

工序⑩施工仰拱并在截断桩处进行三衬施工，对桩基底部进行加固。

“桥-隧”空间博弈之解

复杂环境下浅埋暗挖隧道洞内桩基被动托换施工技术相较于传统地面桩基托换主要包括以下几个方面优势：

（1）减小施工影响：浅埋暗挖隧道洞内桥梁桩基托换施工在隧道内部进行，无需在地面或隧道外部进行大规模开挖，从而显著减小了对周围环境的影响。这种施工方法能够降低噪音、减少尘土飞扬，并减轻对交通和居民生活的干扰。

（2）节约施工成本：相较于传统的地面桩基托换施工，浅埋暗挖隧道洞内桥梁桩基托换施工不需要大型的开挖和支护设备，从而降低了设备租赁和维护成本。此外，该方法还减少了土方开挖和废弃物处理费用，进一步节约了施工成本。

（3）提高施工效率：浅埋暗挖隧道洞内桥梁桩基托换施工采用机械化作业，能够实现快速、高效的施工。在隧道内部进行作业，避免了天气等自然因素的干扰，保证了施工的连续性和稳定性，从而提高了施工效率。

（4）确保施工安全：该施工方法通过精确的控制和监测，能够确保施工过程中的安全。隧道内的作业环境相对稳定，为施工人员提供了更好的安全保障。

本创新技术应用于成都轨道交通30号线一期工程锦逸站过街通道工程施工，使得浅埋暗法隧道洞内桩基托换顺利实施，显著提高了施工效果，确保了工程质量和安全。同时实现绿色、高效、安全的施工。被托换桥梁最终累计沉降3mm，水平位移1mm，小于设计控制值10mm。取得了良好的效果。

随着各大城市中心城区地下空间立体化、网络化开发，城市地下管网的进一步发展，桥隧冲突的问题将成为是城市地下空间建设的高频问题，而更高效安全、绿色环保的浅埋暗挖法隧道洞内桩基被动托换技术将成为破解“桥-隧”空间博弈难题的解决方案之一，在未来地下空间建设中大放光彩，创造出更大的经济和社会效益。

作者 / 张凯 何杰 刘思宇

作者单位 / 中交第四航务工程局有限公司

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 王硕 廖玲

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