高壓旋噴樁控制地鐵盾構施工沉降的技術措施研究

摘 要：鄭州地區(qū)城中村密集，建筑多為多層砌體結構，整體穩(wěn)定性較差。為減小地鐵盾構施工沉降引起的建筑變形，提出了高壓旋噴樁的控制技術措施，即在地鐵隧道與建筑中間設置多排咬合高壓旋噴樁。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場沉降、變形監(jiān)測驗證了高壓旋噴樁的可行性，為相關工程提供了技術支撐。

關鍵詞：地鐵盾構；沉降；高壓旋噴樁；技術措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.008

1 引言

近年來，我國地鐵得到大量建設，地鐵施工通常采用盾構法，盾構施工往往會對周邊建筑物帶來影響，如何降低和避免地鐵盾構施工沉降對周邊既有建（構）筑物的影響、提高施工安全已經(jīng)成為備受社會關注的研究熱點。當前，隔離墻（樁）是降低地鐵盾構施工引起沉降常用的一種方式，隔離墻一般指地下連續(xù)墻，而隔離樁一般采用混凝土灌注樁[1]。

相關人員對隔斷墻（樁）在實際工程中的隔離效果進行了一定的研究：周玉兵[2]以大連地鐵1號線黑石礁車站為工程實例，在風道與橋樁之間按照一定間距設置設鋼管隔離樁，有效地保證了隧道近距離穿越橋樁施工的安全。王文斌等[3]以西安地鐵2號線鐘樓段的盾構施工為例，建立運用三維有限元模型模擬了有無隔離樁情況下盾構掘進過程中地面點沉降。鐘樓周圍地表和鐘樓臺四角點沉降的動態(tài)變化規(guī)律，結果表明，隔離樁能有效隔斷外部的地表沉降（隔離樁內外地表沉降差達到14.1mm）。紀新博等[4]對某地鐵新建隧道側穿鄰接淺基建筑的隔離樁進行有限元數(shù)值模擬，探討了隔離樁的樁長及間距，優(yōu)化了樁的參數(shù)。

高壓旋噴樁作為一種地基處理手段，能夠加固土體，抵制地鐵地鐵盾構施工引起的沉降[5，6]，但高壓旋噴樁作為隔離墻措施來減小地鐵盾構施工沉降的研究還未見報道。鄭州軌道線網(wǎng)（含地鐵和輕軌）共規(guī)劃21條線路，覆蓋整個鄭州市區(qū)和郊區(qū)，與其他地區(qū)不同，鄭州城市的城中村廣泛分布，且建筑多為多層砌體結構，整體穩(wěn)定性較差，本文提出了高壓旋噴樁作為隔離墻的控制技術措施，并運用有限元對多排咬合高壓旋噴樁對隔離效果進行了數(shù)值模擬，結合實測結果驗證了可行性。

2 高壓旋噴樁的減沉機理

隔離墻（樁）是建（構）筑物基礎防護的常用方法，它可以把建（構）筑物周邊隧道施工、基坑開挖等工程施工引起的地層變形有效地限制在隔離樁之間[7]。隔離墻（樁）的結構形式可分為樹根樁、灌注樁、地下連續(xù)墻和攪拌樁等。為有效控制土體變形，隔離墻（樁）需具備一定的強度和剛度。但剛度達到一定極限后，繼續(xù)增加隔離墻（樁）的剛度，其減沉效果不會有明顯提高。但由于地下連續(xù)墻、混凝土灌注樁的費用高、施工周期長，本文提出了多排咬合旋噴樁作為隔離墻（樁）的技術措施。

造成盾構施工地表沉降的因素有可歸納為以下幾個方面：（1）開挖掌子面的土壓力不平衡引起的土體損失；（2）盾構糾偏施工引起的土體損失；（3）盾尾、襯砌環(huán)之間的空洞未及時充填引起的土體損失；（4） 注漿材料固結引起的收縮；（5）隧道滲漏水引起的土體固結和土體流失；（6）襯砌環(huán)的壓扁變形；（7）土體擾動后的重新固結產(chǎn)生的壓縮變形。隔離墻（樁）的主要作用為：隔離土體主動土壓力，阻擋或減弱隧洞周邊土體往隧洞產(chǎn)生滑移變形的趨勢，提高滑移面處的抗剪和抗滑能力，截斷側向壓力向盾構方向的傳遞，抵制樁后土體的變形，進而達到保護建（構）筑物變形的目的。

3 高壓旋噴樁的施工技術要求

（1）三軸攪拌樁采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比1.2，強加固區(qū)水泥摻入比20%，弱加固區(qū)水泥摻入比10%。

（2）樁身采用一次攪拌工藝，水泥和原狀土須均勻拌合，下沉及提升均為噴漿攪拌，為保證水泥土攪拌均勻，必須控制好鉆具下沉及提升速度，鉆機鉆進攪拌速度一般在1m/min，提升攪拌速度在1.0 ～ 1.5m/min，在樁底部分重復攪拌注漿。

（3）提升速度不宜過快，以免出現(xiàn)真空負壓、孔壁塌方等現(xiàn)象。攪拌樁成樁應均勻、持續(xù)、無頸縮和斷層，嚴禁在提升噴漿過程中斷漿，特殊情況造成斷漿應重新成樁施工。垂直偏差≤L/200（L為樁長）。

（4）三軸攪拌樁養(yǎng)護時間28d，無側限抗壓強度1. 0MPa。加固體以上擾動部分需要弱加固，無側限抗壓強度0.4MPa。

4 高壓旋噴樁減沉的有限元模擬

4.1 巖土體參數(shù)

采用通用有限元軟件ANSYS對高壓旋噴樁的隔沉效果進行數(shù)值模擬，有限元模型尺寸如下：① 厚度：由現(xiàn)地坪取至隧道正下方3D（D為隧道直徑），取40.0m；② 寬度：左右兩側各取6D，即92.0 m；③ 長度：進沿隧道掘進方向取10D，取60.0 m。

盾構施工影響范圍內地層土體主要為粉土和黏質粉土，主要物理力學參數(shù)，見表1。

盾構管片和高壓旋噴樁的主要物理力學參數(shù)見表2。

4.2 有限元數(shù)值模擬結果

有限元模型施加結束如下：四周邊界采用徑向約束，底邊界采用固支約束，上邊界完全自由，隧道盾構內邊界自由，整個模型施加重力加速度。

通過有限元模擬，得到了地面的最大沉降值（即盾構開挖之后與開挖之前的沉降差），代表性的沉降云圖（取中間位置，即長度方向30.0m處的模擬結果）如圖1所示。

根據(jù)有限元模擬結果，得到了沉降槽曲線，如圖2。

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)：

（1）未采取加固措施時，左線盾構開挖（未設高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線呈左右對稱的V形，最大地表沉降值為-9.41mm；左、右線盾構全開挖（未設高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線則呈左右對稱的W形，最大值為-11.07 mm，略大于前者，說明雙線盾構施工存在著相互影響；

（2）采用高壓旋噴樁加固后，左線盾構開挖（設置高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的V形，形狀不如左線盾構開挖（未設高壓旋噴樁）規(guī)則，高壓旋噴樁后面的沉降值明顯減小，最大地表沉降值為-8.91mm，略小于左線盾構開挖（未設高壓旋噴樁）；而左、右線盾構全開挖（設置高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的W形，形狀也不如左、右線盾構全開挖（未設高壓旋噴樁）規(guī)則，最大地表沉降值為-10.66mm，也略小于左、右線盾構全開挖（未設高壓旋噴樁）。

（3）隧道兩側4D之外區(qū)域的地表沉降為零，地表最大沉降發(fā)生在兩個盾構隧道的正上方區(qū)域，也就是說，地鐵盾構掘進施工引起沉降的區(qū)域集中在盾構隧道中心線左右兩側各4D范圍之內。

5 高壓旋噴樁減沉的現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》及建（構）筑物的調查情況，確定建（構）筑物變形的控制標準，指導隧道盾構施工，確保建（構）筑物的安全，本次通過建（構）筑物均為砌體建筑，房屋基礎差，構造簡單，質量極差，施工過程中可能因為地面的變化而發(fā)生房屋坍塌。

由于地基形式的不均勻等因素產(chǎn)生的變形，對于砌體承重墻結構應有局部傾斜控制，砌體承重墻結構沿縱墻方向6～10m內的基礎兩點之間的沉降差與其距離的比值應進行控制：對于中、低壓縮性土為0.002，對于高壓縮性土為0.003。

在地鐵盾構穿越施工之前，對周邊建（構）筑物及盾構上方對應地表布設了沉降監(jiān)測點，部分測點如圖3和4所示。

由圖3可以看出，3月29日，盾構刀盤距建（構）筑物為10m時，建（構）筑物沉降呈上抬趨勢，最大累計值為0.82mm。4月1日刀盤剛下穿建（構）筑物時段，建（構）筑物沉降明顯呈下沉趨勢，日變量最大值為-1.03mm，測點為JCJ-1。4月2日盾構拼裝至68環(huán)，刀盤位于72環(huán)，盾構機已完全拖出建（構）筑物，建（構）筑物沉降日變量增大，最大日變量為-0.69mm，直至4月9日建（構）筑物沉降測點均已日變量為-0.10mms持續(xù)增長，于4月10日～4月12日變化速率減小，4月12日后續(xù)觀測期間，建（構）筑物沉降穩(wěn)定，最大沉降-2.81mm。4月22日，盾構右線側穿建（構）筑物，建（構）筑物沉降有所增大，5月7日，沉降趨于穩(wěn)定，測點JCJ-1的沉降仍最大，為-3.77m，右線施工時，引起額外的沉降為-0.96mm。

盾構左、右線側穿建（構）筑物時，進行了沉降監(jiān)測，由于存在對稱性，選取了DB75-1～DB75-6共6個測點，繪制了地表沉降曲線，如圖4所示。

與建（構）筑物的沉降曲線相似，地表累計沉降曲線可知，隧道軸線沉降測點累計沉降量最大，累計沉降最大值為-8.65mm，隨距離隧道軸線垂直距離越遠累計沉降量越小，根據(jù)距隧道軸線距離由近到遠沉降測點DBZ75-4、DBZ75-3、DBZ75-2、DBZ75-1，歷時累計最大沉降值分別為-9.51mm、-6.38 mm、-3.19 mm、-1.89 mm，越靠近隧道中心線，沉降越大，與圖4的數(shù)值模擬曲線一致。左線穿越時，地表沉降主要發(fā)生在4月2日～4月8日，最大沉降為-6.90mm，右線穿越時，地表沉降主要發(fā)生在4月25日～5月1日，最大沉降為-9.51mm，右線穿越產(chǎn)生的額外沉降為-2.86mm，說明雙線盾構施工存在一定的影響。

圖3和4的實測的建（構）筑物和地表沉降最大沉降分別為-3.77mm和-9.51mm，與數(shù)值模擬結果-3.43mm和-9.06mm基本接近，說明本文采用的數(shù)值模擬方法是合理的。

6 結論

（1）介紹了高壓旋噴樁作為控制地鐵盾構施工沉降措施（即減沉措施）的機理和施工技術要求；

（2）采用ANSYS通用軟件建立了三維有限元模型，計算了高壓旋噴樁設置與否的盾構施工引起的沉降，并與實測結果進行了對比分析，驗證了高壓旋噴樁作為控制地鐵盾構施工沉降措施的可行性，為鄭州和國內其他地區(qū)的地鐵盾構施工提供了技術支撐。

參考文獻：

[1]趙景陽，楊雙鎖，徐婧等.盾構隧道近距離通過高層建筑物時隔離樁參數(shù)優(yōu)化設計[J].太原理工大學學報，2017，48（01）：62-66.

[2]周玉兵.地鐵隧道近距離穿越橋樁關鍵施工技術[J].北京交通大學學報（自然科學版），2012，36（04）：24-28.

[3]王文斌，劉維寧，丁德云等.盾構隧道施工對西安鐘樓影響的數(shù)值模擬預測[J].北京交通大學學報（自然科學版），2011，35（04）： 33-37.

[4]紀新博，趙文，李慎剛等.隔離樁在隧道側穿鄰近淺基建筑中的應用[J].東北大學學報（自然科學版），2013，34（01）：135-139.

[5]歐陽林，楊雙發(fā)，張東明.高壓旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固法下盾構隧道施工過程路基沉降影響分析[J].鐵道勘察，2016（04）：64-67.

[6]袁慶龍，劉天陽，張秀川等.軟土地區(qū)復雜周邊環(huán)境下深層水泥土攪拌樁“跳倉法”施工技術[J].施工技術，2016，45（01）：24-27.

[7]章磊，韓愛民.隔離樁對隧道側穿鄰近建筑物的沉降影響分析[J].城市軌道交通研究，2017（01）：87-90.

基金項目：河南省科技攻關項目（No. 162102210019）

作者簡介：段紅海（1979-），男，湖北武漢人，工程師，主要從事盾構工程方面的研究。