盾構(gòu)下穿貢街變形影響分析及風(fēng)險(xiǎn)控制

盛 超 （中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

1 引言

在建筑密集的城市環(huán)境中，盾構(gòu)施工鄰近或下穿已有建筑較為常見(jiàn)，而開(kāi)挖施工引發(fā)的地表沉降卻難避免，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致建筑物變形甚至遭到破壞。此外盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響因素較多，因此盾構(gòu)施工引發(fā)土體變形的問(wèn)題一直深受重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此做了大量的研究。[1]通過(guò)在軟硬不同的模型土層中,進(jìn)行盾構(gòu)不同工作參數(shù)組合的掘削試驗(yàn),得出一些盾構(gòu)開(kāi)挖引發(fā)土體變形的規(guī)律[2]。采用對(duì)隧道洞室周邊及開(kāi)挖面的土體施加由盾構(gòu)機(jī)引起的各種荷載的方法模擬盾構(gòu)施工,通過(guò)變化注漿壓力及推進(jìn)力研究盾構(gòu)施工對(duì)周邊土體及單樁基礎(chǔ)的影響。[3]在討論雙孔平行隧道地表沉降計(jì)算公式在廈門地鐵某區(qū)間隧道適用性的基礎(chǔ)上,采用雙孔平行隧道地表沉降計(jì)算公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)3種方法,揭示雙線地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降分布規(guī)律和地表動(dòng)態(tài)變形特性,分析影響地表沉降的施工控制參數(shù)的效果。

本文擬通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)施工引發(fā)的地下車庫(kù)及圍護(hù)樁變形問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，并針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題采取一些控制措施。

2 盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境影響分析

開(kāi)挖隧道時(shí)，盾構(gòu)機(jī)前端刀盤旋轉(zhuǎn)切土，并用傳送帶將土運(yùn)送至后方吊車調(diào)出地面，以此不斷向前推進(jìn)。在這樣一個(gè)循環(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，周圍土體受擾動(dòng)變形，導(dǎo)致地表隆起或沉降，繼而引發(fā)建筑物變形。由此看來(lái)盾構(gòu)下穿建筑物，施工導(dǎo)致建筑變形或破壞是一個(gè)間接的過(guò)程，施工作用于土體，土體作用于建筑。因此，研究盾構(gòu)開(kāi)挖引發(fā)的地層變形的規(guī)律尤為重要。

2.1 盾構(gòu)施工引發(fā)地表變形原因分析

①開(kāi)挖面失衡：盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖面前后受力無(wú)法時(shí)刻保持平衡，因此開(kāi)挖面前方土體一直處在壓縮或應(yīng)力釋放的狀態(tài)，由此造成開(kāi)挖面土體隆起或者下沉。

②土體損失：掘進(jìn)開(kāi)挖時(shí)，出土量的設(shè)定要與開(kāi)挖速度相匹配，當(dāng)實(shí)際出土量大于理論值時(shí)，開(kāi)挖面前方和周圍土體約束不足，因此容易產(chǎn)生沉降。土體損失是引發(fā)地表沉降最直接且最主要的原因。

③盾尾間隙：盾尾脫離該段土體至管片拼裝完畢有一定的時(shí)間間隔，且由于管片與土體之間存在的空隙無(wú)法避免，因此土體會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沉降。如不進(jìn)行壁后注漿，則土體會(huì)持續(xù)變形沉降，直至空隙被填實(shí)。當(dāng)注漿壓力不足以支撐周圍土體時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致土體下沉；當(dāng)注漿壓力過(guò)大時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致土體相應(yīng)的隆起。因此，當(dāng)沉降較大時(shí)，可在注漿時(shí)加大注漿壓力，使隆起作用抵消部分沉降。

④土層固結(jié)：當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)之后，受擾動(dòng)的土體再次固結(jié)出現(xiàn)二次沉降，該階段需要一個(gè)過(guò)程緩慢進(jìn)行，當(dāng)某一點(diǎn)瞬時(shí)沉降較大時(shí)，則后期累計(jì)固結(jié)沉降亦較大。

2.2 盾構(gòu)施工對(duì)地層的影響分析

越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)盾構(gòu)引起的地面沉降進(jìn)行研究，現(xiàn)階段運(yùn)用最為廣泛的應(yīng)為Peck公式，R.B.Peck通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出，地表橫向沉降槽呈正態(tài)分布，地層移動(dòng)是由地層損失引起的，同時(shí)給出隧道軸線上方地面沉降槽斷面規(guī)律圖。如圖1所示。

地面的沉降與盾構(gòu)開(kāi)挖施工過(guò)程有著緊密的聯(lián)系，通常可分為先期沉降、開(kāi)挖面沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、和后期沉降五個(gè)階段。

2.3 盾構(gòu)施工引發(fā)樁基沉降變形規(guī)律

當(dāng)隧道水平軸位于樁底以下時(shí)，樁周土體會(huì)隨土體的開(kāi)挖向下移動(dòng)，進(jìn)而使樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力,增加樁體沉降，同時(shí)樁的承載力因擾動(dòng)降低。此時(shí)樁體主要以豎向沉降為主，橫向變形則不明顯，一般可不做考慮，如圖2所示。

圖1 隧道上方沉降槽斷面形狀

圖2 隧道-樁-土相互作用

當(dāng)隧道軸線位于樁底上方時(shí)，樁周圍位于隧道軸線上方和下方土體有著不同的變化趨勢(shì)，上方土體往下移動(dòng)，使樁體沉降，而下方土體往上隆起，使樁體上移，此時(shí)樁體兩端受壓，樁體主要產(chǎn)生水平方向的變形,豎向沉降較小。如圖3所示。

圖3 隧道-樁-土相互作用

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

大連路站～北京路站區(qū)間自大連路站北端頭井引出，沿規(guī)劃北京路行至興集排灌站后折西轉(zhuǎn)向繁華大道，至區(qū)間終點(diǎn)北京路站東端頭井。該區(qū)間線路兩側(cè)主要為各類民用建筑物、工業(yè)廠房、安徽工商聯(lián)企業(yè)總部、在建工地、空地及綠化等。隧道區(qū)間線間距12～15.17m，隧道頂部埋深為11.5～21.1m，曲線最小半徑為350m。隧道與貢街平面位置如圖4；隧道與貢街地下室及圍護(hù)樁剖面位置關(guān)系如圖5。

地下室底板標(biāo)高為20.1m，下部抗拔樁長(zhǎng)約1.6m；隧道軸線距離抗拔樁底距離約為8.5m；貢街地塊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800@1500圍護(hù)樁，與區(qū)間隧道相交處部分圍護(hù)樁侵入隧道結(jié)構(gòu)，區(qū)間施工前需拔除；貢街下方隧道埋深約18m，周線距離15m；穿越處地層為⑥2黏土層。

3.2 數(shù)值模擬

本文對(duì)盾構(gòu)下穿貢街模型做了簡(jiǎn)化，旨在研究一般性規(guī)律，用以本工程參考。隧道與地下室即圍護(hù)樁數(shù)值分析模型如圖6。

圖4 隧道與貢街平面位置

圖5 隧道與結(jié)構(gòu)相對(duì)位置

圖6 數(shù)值分析模型

圖7 開(kāi)挖結(jié)束后地面沉降云圖

從上圖中可以看出：沉降云圖在建筑物附近發(fā)生彎曲，建筑物周圍沉降相對(duì)較小，而對(duì)應(yīng)右側(cè)沉降范圍增大，應(yīng)是由于建筑自重，使得土體往右下方產(chǎn)生沉降，因此上部荷載對(duì)地表沉降有一定的影響作用。而在圍護(hù)樁附近，地層的變形沒(méi)有明顯的變化，由此可見(jiàn)，地層沉降對(duì)于無(wú)上部荷載的圍護(hù)樁并無(wú)太大影響。

左線隧道開(kāi)挖后，從沉降云圖中可以看出，最大沉降處在隧道正上方，并由此向外遞減傳遞。橫向沉降云圖出現(xiàn)明顯區(qū)域之分，隧道軸線左右約10m之內(nèi)沉降較大，10～20m次之，20m之外基本可忽略影響。

圖8 左線開(kāi)挖后地層沉降云圖

圖9 右線開(kāi)挖后地層沉降云圖

圖10 放大數(shù)倍后地層沉降云圖

通過(guò)分析圖7、圖8可知，待右線開(kāi)挖完成后，沉降最大值出現(xiàn)在兩隧道之間，右線隧道開(kāi)挖時(shí)，對(duì)左側(cè)土體造成二次沉降，沉降效果出現(xiàn)累加。圖9為沉降云圖放大后效果，地面沉降規(guī)律與橫向沉降槽曲線規(guī)律基本一致。

圖11 建筑物沉降放大后對(duì)比云圖

通過(guò)模擬所得數(shù)據(jù)得知，地下室最大沉降量為3.579mm，地層最大沉降量為6.888mm,對(duì)比隧道和地下室沉降情況可見(jiàn)，地下室沉降量應(yīng)小于隧道沉降，因地下室本身具有一定結(jié)構(gòu)剛度，因此在地面發(fā)生沉降時(shí)，地下室沉降會(huì)受到本身剛度的限制，因此當(dāng)實(shí)際工程中，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度也是控制沉降十分有效的方法。

4 安全控制

4.1 工程重點(diǎn)和難點(diǎn)

①該隧道大連路～北京路站區(qū)間下穿貢街地下室車庫(kù)，對(duì)貢街地下室基礎(chǔ)保護(hù)是本工程重點(diǎn)兼難點(diǎn)所在。

②貢街面積較大，地下車庫(kù)部分處于隧道軸線正上方，周圍荷載較為復(fù)雜，在考慮開(kāi)挖引發(fā)地面沉降時(shí)需考慮較多因素，同時(shí)該處隧道走向?yàn)榍€，容易造成不均勻沉降。

③盾構(gòu)開(kāi)挖需要穿過(guò)貢街圍護(hù)樁群，部分圍護(hù)樁侵入隧道，因此要提前拔除。在圍護(hù)樁拔除之后，地層原有的受力形態(tài)遭到破壞，則開(kāi)挖屬于二次破壞，地層受土體開(kāi)挖影響加重，施工難度較高，應(yīng)特別注意。

④對(duì)于貢街地下室來(lái)說(shuō)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)遭到破壞，加之盾構(gòu)開(kāi)挖二次影響，因此出現(xiàn)事故的幾率較大，大大增加了施工難度。

4.2 控制措施

根據(jù)理論和模型的分析，工程中擬通過(guò)調(diào)整施工參數(shù)對(duì)施工造成的地表和建筑物變形進(jìn)行合理控制。具體措施如下：

4.2.1 土倉(cāng)壓力控制

在盾構(gòu)穿越貢街階段，推進(jìn)時(shí)應(yīng)設(shè)置梯度壓力，根據(jù)土體的變形情況調(diào)整壓力大小，盡量使盾構(gòu)機(jī)勻速施工，保持開(kāi)挖面穩(wěn)定。設(shè)定壓力時(shí)，將實(shí)際值設(shè)定至理論值的105%～115%左右，即預(yù)備壓。推進(jìn)時(shí)，要加強(qiáng)地層變形監(jiān)測(cè)，將地面沉降嚴(yán)格控制在-10mm～+8mm內(nèi)。

4.3 掘進(jìn)速度

盾構(gòu)掘進(jìn)相對(duì)于出土速度過(guò)快時(shí)，開(kāi)挖面會(huì)因過(guò)度擠壓而導(dǎo)致土體向上隆起，反之沉降，因此要避免開(kāi)挖速度過(guò)快或過(guò)慢，根據(jù)出土能力控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)。本工程擬控制掘進(jìn)速度每分鐘2～3 cm。這樣可以充分釋放盾構(gòu)掘進(jìn)所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而避免由于掘進(jìn)應(yīng)力過(guò)大造成土體破壞，減輕土體擾動(dòng)。

4.4 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)開(kāi)挖穿越貢街地下室和圍護(hù)樁的過(guò)程中，要保持姿態(tài)的穩(wěn)定。在進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時(shí)要小幅度、均勻糾偏，減小盾構(gòu)行進(jìn)對(duì)盾殼周圍土體和圍護(hù)樁的影響。保持盾構(gòu)姿態(tài)變化曲線緩和，將垂直方向變化控制在-50～+20 mm范圍內(nèi)，水平方向變化控制在±50 mm范圍內(nèi)。

4.5 注漿及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

管片拼裝完成后，要及時(shí)跟進(jìn)壁后注漿，注漿量和注漿壓力以理論計(jì)算值為基礎(chǔ)，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)反饋信息調(diào)整注漿量和注漿壓力的大小。

6 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)下穿上部建筑和既有樁基時(shí)，首先要根據(jù)工程特點(diǎn)預(yù)測(cè)沉降規(guī)律和不同程度范圍。然后針對(duì)性的采取控制措施，控制好施工參數(shù)，保持開(kāi)挖穩(wěn)定，嚴(yán)格控制施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，盡可能減小施工對(duì)周圍環(huán)境的破壞，必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。同時(shí)應(yīng)提前做好全面分析，制定應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)施工過(guò)程控制。