土壓平衡式盾構(gòu)穿越建筑群施工控制技術(shù)

陳周斌

(杭州市地鐵集團有限責任公司,310020,杭州∥高級工程師)

采用盾構(gòu)法修建隧道是目前地鐵建設(shè)普遍采用的方法,因為該方法不需要地面開挖施工,對周邊環(huán)境及構(gòu)(建)筑物影響較小,造價也較低[1-2]。但由于該施工方法在施工過程中會不可避免地擾動土體,必然會造成隧道周邊圍巖不同程度的變形。如果是淺埋隧道,其上部土體的變形會更嚴重,上部土體的變形就會造成相應(yīng)構(gòu)(建)筑物的變形和沉降。這種變形和沉降超過一定的值,就會造成構(gòu)(建)筑物的損毀,并可能發(fā)生事故[3-4]。因此,做好盾構(gòu)施工時有關(guān)參數(shù)的控制及有關(guān)的準備工作,避免構(gòu)(建)筑物過多沉降和變形,防止事故發(fā)生,就顯得非常重要。

1 工程背景

本穿越工點位于杭州地鐵某區(qū)間,盾構(gòu)隧道外徑6.2 m,管片厚度0.35 m,采用錯縫拼裝。隧頂埋深9.2～11.5 m。盾構(gòu)機下穿民居所穿越的土層為:④2淤泥質(zhì)黏土,⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。穿越范圍內(nèi)民居有25幢之多。這些民居多為2、3層磚混結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ),建設(shè)年代從20世紀30年代到本世紀初不等。盾構(gòu)穿越區(qū)的平、剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 盾構(gòu)穿越居民建筑群平面示意圖

2 盾構(gòu)掘進參數(shù)的確定

盾構(gòu)下穿建筑物施工時,相關(guān)參數(shù)的控制尤為重要,主要包括土倉壓力、盾構(gòu)推進速度、同步注漿參數(shù)等。現(xiàn)從數(shù)值模擬、理論分析對盾構(gòu)主要施工參數(shù)進行分析確定,以對施工進行指導(dǎo)。

2.1 土倉壓力值的設(shè)定

土倉壓力值的設(shè)定對地層變形控制影響較大,根據(jù)經(jīng)驗一般設(shè)定為理論值(靜止土壓+水壓)的105%～115%[5];但由于各地土層性質(zhì)差異,需對該系數(shù)進行適當?shù)男拚?/p>

圖2 盾構(gòu)穿越居民建筑群剖面示意圖

通過有限元模擬,分析不同土倉壓力值對上部建筑物沉降的影響[6]。選取一計算斷面,隧道埋深為9.5 m。利用巖土工程軟件PLAXIS建立三維隧道有限元模型,有限元網(wǎng)格基于15節(jié)點楔形單元。計算土層區(qū)域橫向取60 m,縱向取24 m。模型中的土體采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。隧道襯砌與土體的相互作用則是通過在模型隧道表面設(shè)置古德曼接觸面單元,并選取合理的虛擬厚度因子及強度折減因子模擬。模型底部施加完全固定約束,在兩側(cè)施加豎直滑動約束,模型表面則取為自由邊界。計算中先開挖右線,后開挖左線。

模型中土層參數(shù)及結(jié)構(gòu)物參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 土層參數(shù)

在數(shù)值模擬中分別選取土倉壓力為1.1 P0、1.2 P0、1.3 P0三種工況進行計算(P0為靜止土壓力),分析在不同的土倉壓力設(shè)定下,盾構(gòu)隧道開挖對于上部建筑物的影響。由于本工程所涉建筑物均為淺基礎(chǔ),因此可以方便地認為基礎(chǔ)底部變形與地表變形一致[5]。本文取不同工況下地表沉降作為分析對象。計算模型如圖3所示。

表2 結(jié)構(gòu)物參數(shù)

圖3 計算模型

經(jīng)計算,得到不同土倉壓力下盾構(gòu)推進引起地表的沉降(如圖4所示)。

圖4 地表沉降曲線

通過圖4可知,隨著土倉壓力的加大,地表沉降量相應(yīng)減小,但兩者呈非線性變化關(guān)系。因此,在盾構(gòu)穿越民居時適當增大土倉壓力,可減小開挖引起的地表沉降,相應(yīng)可減小地面建筑物的變形。因此,在盾構(gòu)穿越過程中土倉壓力設(shè)置為靜止土壓的1.2～1.3倍。

2.2 推進速度的選取

穿越區(qū)推進速度的選取,并不是單一因素的確定,而是與刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機推力、扭矩、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速等多個控制參數(shù)有關(guān),甚至與線路條件、地質(zhì)條件等有關(guān)[7]。穿越建筑物時,推進速度是快還是慢才對上部建筑物有利,尚無定論。但在穿越過程中保持推進速度的穩(wěn)定,避免波動過大,就可降低施工風險。

推進速度的確定,不能簡單參照其他穿越工程的經(jīng)驗,必須根據(jù)本工程所處地層條件、線路條件及盾構(gòu)機性能而定。

為得到合理的推進速度,在盾構(gòu)穿越民居前選取一定長度(近100 m)作為試驗段。該試驗段內(nèi)將推進速度保持在2.0～2.5 cm/min。觀測該試驗段內(nèi)盾構(gòu)推進過后地表的沉降,如圖5所示。

圖5 試驗段地表沉降

通過試驗段推進發(fā)現(xiàn),當盾構(gòu)推進速度保持在2.0～2.5 cm/min掘進時,地表沉降較小,在可控范圍內(nèi)。因此,確定盾構(gòu)隧道穿越民居過程中,推進速度應(yīng)盡量保持在2.0 cm/min,以勻速通過。

2.3 同步注漿量的確定

同步注漿量理論上為襯砌和周圍地層之間的空隙體積。本工程中,刀盤外輪廓直徑為6.34 m,管片外徑為6.20 m,理論上每環(huán)空隙體積為1.654 6 m3。考慮到施工中必然存在的超挖量以及漿液流失等因素,實際注漿量常采用理論計算值的1.4至2.0倍[5]。

筆者根據(jù)杭州盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗來看,盾構(gòu)所穿越土層大多為含砂性土,本地區(qū)同步注漿量采用1.4至2.0倍理論值顯偏少。以杭州某盾構(gòu)隧道施工為例:其隧道外徑6.2 m,隧頂埋深約15 m,穿越砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;根據(jù)施工記錄,整理出推進近700環(huán)的注漿量數(shù)據(jù)(如圖6所示)。

圖6 某盾構(gòu)隧道注漿量和注漿率

由圖6可見,該區(qū)段盾構(gòu)推進時平均注漿量為3.68 m3,為理論空隙值的224%。

類似收集整理杭州市若干施工區(qū)段的施工紀錄,包括隧道埋深、穿越土層、注漿率以及盾構(gòu)施工推進過后發(fā)生的最大工后沉降量,如表3所示。

表3 杭州市地鐵盾構(gòu)部分區(qū)段施工參數(shù)整理

通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在不同標段中盾構(gòu)隧道施工的同步注漿量均超過理論值的2.0倍,注漿率達到220%～280%。

考慮到本工程盾構(gòu)隧道所穿越土層為淤泥質(zhì)黏土,同步注漿量設(shè)置較其他區(qū)段小,建議注漿率取為200%左右,并根據(jù)施工監(jiān)測進行調(diào)整。

3 盾構(gòu)推進實施及效果分析

盾構(gòu)于民居下方穿越,整理盾構(gòu)穿越期間施工參數(shù),并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析本次穿越工程的施工效果。

3.1 盾構(gòu)推進實施情況

1)施工參數(shù)的選定。將盾構(gòu)推進過程中的土倉壓力、推進速度、同步注漿等參數(shù)進行整理,如表4所示。從實際施工參數(shù)可以發(fā)現(xiàn),土倉壓力的設(shè)定約為靜止土壓力的 1.34倍;同步注漿量約為170%。

表4 穿越區(qū)盾構(gòu)施工參數(shù)表

2)其他施工措施:①同步注漿材料——為充分填充管片外部建筑空隙,并形成早期強度,抑制隧道成型管片變形及房屋沉降,選取可硬性漿液作為同步注漿漿液,其配合比見表5。②二次注漿——為減小盾構(gòu)通過后房屋的后期沉降,在下穿房屋段的隧道內(nèi)進行了二次注漿,通過每環(huán)6個注漿孔進行壓注,注漿壓力為0.3～1.0 MPa;具體配合比為水泥∶水玻璃∶水=0.8∶0.04∶1。

表5 同步注漿材料配合比

3.2 盾構(gòu)推進引起的房屋沉降

盾構(gòu)推進階段以及推進過后,應(yīng)對地表隆沉、房屋沉降情況進行監(jiān)測。測點布置如圖7所示。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理,得到盾構(gòu)到達時刀盤前方土體的隆沉情況以及盾構(gòu)推進過后地表和建筑物的沉降情況。現(xiàn)選取一個建筑物的典型測點,分析該點位在盾構(gòu)施工過程中隨時間的變化過程。

圖7 測點布置圖

3.2.1 盾構(gòu)刀盤前方的隆沉

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),刀盤前方始終保持有0.2～1.2 mm的隆起量(見圖8)。這在一定程度上有利于保護建筑物。

圖8 刀盤前方隆沉

3.2.2 盾構(gòu)推進過后的沉降

盾構(gòu)推進過后,地表發(fā)生沉降。整理得到盾構(gòu)通過后12 h、48 h后的地表沉降,以及通過15天后的建筑物沉降情況,如圖9、10所示。

通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)推進過后12 h累計沉降小于1 mm,48 h內(nèi)累計沉降不超過3 mm。而工后的建筑物沉降小于10 mm。可見,盾構(gòu)推進對建筑物的影響在可控范圍內(nèi)。

3.2.3 變形時程曲線

為觀測建筑物變形的時程曲線,選取F14觀測點整理其變形數(shù)據(jù)。該點工況為:2009年9月3日23:00,盾構(gòu)機開始下穿F14點;至9月 4日下午15:00,盾構(gòu)機盾尾完全脫離F14點。該點處建筑物變形的時程曲線如圖11所示。由圖11可見,盾構(gòu)通過后沉降變化速率較快,10天后基本趨于穩(wěn)定。該點處最大沉降量為9.2 mm。

4 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬與理論分析,研究了盾構(gòu)隧道穿越成片民居過程中盾構(gòu)主要施工參數(shù)的選取,并且結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)穿越施工的效果。主要得到以下結(jié)論:

1)杭州地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物施工時,需合理選取施工參數(shù):土倉壓力宜取為靜止土壓力的1.2～1.3倍;推進速度取2.0 cm/min,且勻速通過;同步注漿率取200%左右。

2)盾構(gòu)穿越既有建筑物時,除選取合理施工參數(shù)外,還需采取相應(yīng)輔助措施。即采用可硬性漿液作為同步注漿材料。對穿越段采用雙液漿進行二次注漿,有助于減小建筑物沉降。

3)盾構(gòu)機通過建筑物下方后數(shù)天內(nèi),建筑物沉降變化速率較快,10天后趨于穩(wěn)定。

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