地鐵盾構(gòu)下穿建筑物群地層沉降控制技術(shù)研究

曹紅林

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 武漢 430050)

盾構(gòu)法因其優(yōu)點多，逐漸成為城市地下隧道修建的首選工法[1]。但盾構(gòu)法施工不可避免地會對周圍土層產(chǎn)生擾動，改變原地層的狀態(tài)，引起一定的地層位移和地表沉陷，危及鄰近建(構(gòu))筑物的安全，對周圍的環(huán)境造成一定損害[2]。因此，盾構(gòu)施工能產(chǎn)生多大的沉降或隆起，會不會影響相鄰建(構(gòu))筑物的安全，是地鐵隧道盾構(gòu)施工中最關(guān)鍵的問題[3]。要在地鐵工程施工前對工程可能引起的地面沉降問題有所估計，首先需要了解盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物的主要施工安全風(fēng)險及施工引起地地面沉降的一般規(guī)律和機理，進(jìn)而提出相應(yīng)的控制措施，達(dá)到事先防控的目的。

一般情況下，在盾構(gòu)隧道施工前采用地面地基加固的方法對鄰近重要建筑物基礎(chǔ)或管線進(jìn)行地基預(yù)加固處理是盾構(gòu)隧道施工過程中常用和可靠的措施[4]。但在建(構(gòu))筑物群間距小、密集度大，沒有地面加固所需空間的情況下，只能從設(shè)計和施工本身來解決地層損失，減少對地層的擾動，達(dá)到最終控制地面沉降，保護建(構(gòu))筑物的目的。

本文結(jié)合武漢地鐵8號線三期野芷湖站-中間風(fēng)井區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿李橋村三期多棟還建小區(qū)樓房施工為背景，研究了通過惰性漿液三次注漿的工法來控制地層損失和地表沉降量的工藝。

1 工程概況

武漢地鐵8號線三期野芷湖站-中間風(fēng)井區(qū)間右線全長1 779.1 m，左線全長1 773.9 m，線間距13.0～23.0 m，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間在右DK35+067.720-右DK35+271.298(對應(yīng)管片環(huán)號196～332環(huán))段下穿李橋村三期還建小區(qū)，見圖1，該小區(qū)房屋為磚混4層房屋，水泥土攪拌樁復(fù)合地基，樁入土深度13.5 m或14.5 m，隧道頂與水泥土攪拌樁復(fù)合地基豎向最小凈距約0.080 m，隧道埋深約為15 m。

區(qū)間采用2臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)機刀盤直徑6 280 mm，隧道襯砌管片外徑6 200 mm，厚度300 mm，內(nèi)徑5 600 mm，環(huán)寬1 200 mm，采用錯縫拼裝。

2 施工安全風(fēng)險分析

2.1 工程地質(zhì)風(fēng)險

區(qū)間右線隧道下穿小區(qū)段洞身范圍內(nèi)地層主要為(7-3)粉質(zhì)黏土、(3-4)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，拱頂覆土厚度14.1～15.9 m，拱頂?shù)貙幼韵露现饕獮?3-4)淤泥質(zhì)黏土、(3-1)黏土、(1-2a)淤泥混素填土、(1-1)雜填土層，地層自穩(wěn)性差、抗擾動性差，極易受到掘進(jìn)的擾動，掘進(jìn)過程土壓的波動、出土量的波動、注漿參數(shù)的波動均會造成地表發(fā)生沉降或者隆起，從而造成地表、房屋出現(xiàn)裂紋和傾斜。

下穿房屋群段隧道水平方向位于右轉(zhuǎn)400 m圓曲線上、豎直方向位于0.91%下坡段，盾構(gòu)糾偏過程容易產(chǎn)生單側(cè)超挖和單側(cè)擠壓，從而造成土體蠕動引起地面沉降或者隆起。

2.2 與房屋特殊相對下穿位置風(fēng)險

盾構(gòu)均從房屋拐角位置下方下穿，且每棟房屋跨度大，整體基礎(chǔ)和墻體長度長，地面沉降控制不當(dāng)極易造成墻體開裂。區(qū)間隧道與房屋基礎(chǔ)平面關(guān)系見圖1。

圖1 區(qū)間隧道與房屋基礎(chǔ)平面關(guān)系示意圖

2.3 刀盤開挖范圍侵入房屋基礎(chǔ)加固體風(fēng)險

房屋樁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)凈距0.08 m，刀盤開挖外徑6 460 mm，管片外徑6 200 mm，刀盤開挖輪廓與管片背部間距為0.13 m，刀盤開挖范圍侵入到房屋復(fù)合地基0.05 m，其相對位置示意見圖2、圖3。

圖2 區(qū)間隧道與房屋基礎(chǔ)剖面關(guān)系示意圖(單位：m)

圖3 刀盤開挖范圍侵入房屋基礎(chǔ)加固體示意圖(單位：m)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤切削加固體造成震動，可能會引起房屋開裂，或壓力控制不當(dāng)會造成加固體沉降和隆起，從而帶來地面、房屋墻體的開裂和房屋的傾斜。

加固體周邊土體與加固體之間存在斷層，掘進(jìn)時極易造成此部分薄弱土體整體剝落，造成超方，從而使加固體整體下沉，引起地面沉降、房屋墻體開裂、房屋傾斜等風(fēng)險。

3 盾構(gòu)下穿房屋群安全控制措施

3.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

土壓主要取決于刀盤前的土體壓力，一般以刀盤中心處的土體壓力為準(zhǔn)，可按式(1)計算[5]。

P1=k0×γ×h

(1)

式中：P1為土倉內(nèi)土壓力；k0為側(cè)壓力系數(shù)，取0.46；γ為土的容重，取18.4 kN/m3；h為刀盤中心的埋深，過房屋段隧道中心埋深從17.2 m線性過渡到19 m。

根據(jù)盾構(gòu)機的掘進(jìn)位置及相應(yīng)的情況，選取相應(yīng)的參數(shù)代入式(1)，始發(fā)段土倉壓力P1=1.456～1.608 bar。

掘進(jìn)過程隨著隧道的前進(jìn)土壓逐步從1.46 bar變化到1.61 bar。土壓力控制根據(jù)理論計算及地質(zhì)情況，在盾構(gòu)穿越過程中，根據(jù)地面監(jiān)測反饋的信息及時進(jìn)行調(diào)整。土倉壓力以土壓傳感器為控制標(biāo)準(zhǔn)，波動幅度應(yīng)盡量控制在±0.2 bar以內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)表

為保持土壓的穩(wěn)定，盡量減小土壓波動，掘進(jìn)過程須保持各項參數(shù)的平穩(wěn)，同時降低泡沫系統(tǒng)氣體的流量，如無法控制可停用泡沫氣體，采用純液體改良渣土。

3.2 姿態(tài)控制

水平方向處于400 m半徑右轉(zhuǎn)圓曲線段，水平姿態(tài)前點宜保持在+40～+60 mm之間，水平中點已保持在+10～+20 mm之間，水平后點宜保持在-10～+10 mm之間，確保能夠滿足糾偏需求的同時，保證成型隧道的擬合。

垂直方向盾構(gòu)機處于0.91%的下坡段，應(yīng)盡量減小刀盤切削房屋地基加固體深度，降低刀盤切削過程對房屋造成的影響，垂直方向前點宜保持在-60～-40 mm之間，垂直方向中點宜保持在-30～-20 mm之間，垂直方向后點宜保持在0～-10 mm之間。隧道軸線偏差見表2。

表2 隧道軸線偏差表 mm

3.3 地面沉降控制

鑒于房屋段具有重大安全風(fēng)險，針對上述安全風(fēng)險分析，結(jié)合盾構(gòu)施工引起地面沉降規(guī)律，見圖4，地面沉降的控制主要體現(xiàn)在地面沉降規(guī)律的5個階段[6](累計沉降控制在-10～+6 mm之間，變化速率控制在3 mm/d)。

圖4 盾構(gòu)施工引起地面沉降規(guī)律示意圖

3.3.1前期沉降

前期沉降主要來自于盾構(gòu)掘進(jìn)過程土壓或者推力的不當(dāng)，造成前方土體形成擠壓或者失壓引起沉降，因此主要控制掘進(jìn)過程的推力和土壓，采用超前監(jiān)測，隨時根據(jù)監(jiān)測變化情況反饋指導(dǎo)參數(shù)的調(diào)整。

3.3.2掘進(jìn)過程中的沉降

掘進(jìn)過程中的沉降主要來自土壓的控制和是否超挖土體，過程中嚴(yán)格控制土壓、出土速度、刀盤轉(zhuǎn)速等，保證各項參數(shù)的平穩(wěn)，控制掘進(jìn)速度在30～50 mm/min，及時進(jìn)行監(jiān)測反饋指導(dǎo)土壓的調(diào)整，掘進(jìn)過程嚴(yán)格控制螺旋機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)，防止超挖，嚴(yán)格按照要求量測、計算、控制出渣量。

3.3.3掘進(jìn)過程中盾體上方的沉降

進(jìn)行設(shè)備改造，將同步注漿其中3根注漿管路做三通改裝，將每根管路一分為二，在保證4根管路同步注漿的基礎(chǔ)上，增加在1和11點位徑向孔勻速注入惰性漿液、和盾尾后方1～11點位注入惰性漿液，在保證盾體不被裹住的情況下及時填充了盾體上方的間隙。漿液配比見表3。

表3 惰性漿液(厚漿)配合比

徑向孔位于前盾(直徑6 440 mm)上方，每掘進(jìn)一環(huán)需要的惰性漿液用量V1=0.3 m3，注漿壓力與土壓相同(保持地面沉降穩(wěn)定的同時，確保漿液不會被打入刀盤前方，造成漿液浪費和土壓波動)，徑向注漿見圖5。

圖5 徑向注漿示意圖

3.3.4脫出盾尾襯砌環(huán)管片上方沉降

1) 同步注漿。管片背部理論建筑空隙(即理論注漿量)，V0=3.9 m3，取1.3～1.5的擴散系數(shù)，則每環(huán)同步注漿量V2=(1.3～1.5)V0=5.1～5.9 m3，注漿壓力取1.2倍的靜止土壓力1.6～2.0 bar，實際操作過程中根據(jù)地面監(jiān)測情況及時進(jìn)行調(diào)整。

2) 二次注漿。掘進(jìn)過程中盾尾后方倒數(shù)第四～五環(huán)管片上部注入惰性漿液，注入量和注漿壓力根據(jù)地面沉降反饋情況進(jìn)行選擇，注漿壓力應(yīng)不大于同步注漿壓力，二次注漿施工工藝示意見圖6。

圖6 二次注漿施工工藝示意圖

3) 三次注漿。為了穩(wěn)定盾尾后方沉降，在盾尾倒數(shù)6～10環(huán)管片頂部開孔注入雙液漿及時填充管片頂部間隙，及時控制沉降。雙液漿采取純水泥漿∶水玻璃溶液(體積比)=(1～2)∶1的比例進(jìn)行混合注入，水泥漿∶水灰比(體積比)=1∶1，水玻璃溶液中水玻璃∶水(體積比)=1∶1。采用少量多點的方式進(jìn)行施工，具體注漿量和注漿壓力根據(jù)地表沉降參數(shù)和管片變形情況進(jìn)行調(diào)整。

4) 后續(xù)沉降控制。后續(xù)沉降主要通過4次或者多次注漿的形式進(jìn)行填充，可以采用單液漿和雙液漿進(jìn)行填充間隙控制沉降。具體注漿位置和注漿參數(shù)取決于地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.4 刀盤切削房屋樁基掘進(jìn)的其他控制措施

房屋地基加固體侵入刀盤開挖輪廓范圍共5.496 m，對應(yīng)管片環(huán)號為196～200環(huán)。樁基侵入刀盤開挖輪廓見圖7。

圖7 樁基礎(chǔ)侵入到刀盤開挖輪廓線范圍示意圖(單位：m)

主要控制措施：

1) 降低盾構(gòu)掘進(jìn)垂直方向前點軸線偏差至-70～-50 mm，盡量降低刀盤切削加固體的范圍和深度，減小掘進(jìn)對加固體的擾動，從而降低對房屋的影響。

2) 土壓力控制在1.4～1.5 bar(根據(jù)進(jìn)入加固體掘進(jìn)前參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)整)，土壓的波動控制在±0.1 bar以內(nèi)，降低刀盤轉(zhuǎn)速至0.6 r/min，降低掘進(jìn)速度在20～30 mm/min。

3) 嚴(yán)格控制出土量，確保不會出現(xiàn)超挖和欠挖現(xiàn)象。

4) 地面24 h派專人盯控房屋、每隔2～3 h監(jiān)測1次此棟房屋沉降變形情況，快速、及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)至施工一線指導(dǎo)施工。

4 三維數(shù)值分析

4.1 模型建立

在盾構(gòu)隧道穿越小區(qū)前，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型，對盾構(gòu)穿越小區(qū)進(jìn)行模擬分析，所建模型尺寸190 m×50 m×130 m(橫向×豎向×縱向)，節(jié)點數(shù)5 628，單元數(shù)4 940，模型見圖8、圖9。

圖8 建筑平面布置圖(單位：m)

圖9 三維模擬計算模型圖

4.2 數(shù)值模擬步驟

如圖8所示，區(qū)間左、右線分別下穿6棟房屋，結(jié)合現(xiàn)場實際考慮盾構(gòu)錯開，并按最不利原則考慮左、右線同時下穿，具體模擬施工步驟如下。

施工步1。右線盾構(gòu)先行施工，完成下穿24號樓。

施工步2。 右線盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，完成下穿23號樓，同時左線后續(xù)跟進(jìn)到達(dá)23號樓前。

施工步3。右線盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，完成下穿7號樓(右線下穿區(qū)段貫通)，同時左線跟進(jìn)施工，完成下穿23號樓。

施工步4。左線盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，完成下穿5號樓，左線下穿區(qū)段貫通。

盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中考慮隧道洞周注漿加固，加固圈厚3 m，按原狀土參數(shù)(c、φ、Es)提高30%進(jìn)行簡化考慮。

4.3 模擬計算結(jié)果和分析

根據(jù)《建筑地基設(shè)計規(guī)范》，高壓縮性土中多層建筑地基變形按整體傾斜控制值為0.3%。數(shù)值計算結(jié)果見圖10～圖17。

圖10 初始狀態(tài)地層豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖11 初始狀態(tài)地層水平應(yīng)力云圖(隧道橫向)(單位：Pa)

圖12 隧道貫通后場地豎向變形云圖(單位：m)

圖13 隧道貫通后場地水平變形云圖(隧道橫向)(單位：m)

圖14 隧道貫通后場地水平變形云圖(隧道縱向)(單位：m)

圖15 隧道貫通后房屋豎向變形云圖(單位：m)

圖16 隧道貫通后房屋水平變形云圖(隧道橫向)(單位：m)

圖17 隧道貫通后房屋水平變形云圖(隧道縱向)(單位：m)

由圖10～圖17可知：

24號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為4.0，17.5 mm，最大整體傾斜0.045%<0.3%。

30號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為3.9，6.8 mm，最大整體傾斜0.01%<0.3%。

23號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為14.4，19.1 mm，最大整體傾斜0.016%<0.3%。

15號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面長邊方向，沉降極值為9.8，0.9 mm，最大整體傾斜0.03%<0.3%。

5號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面短邊方向，沉降極值為12.0，22.2 mm，最大整體傾斜0.102%<0.3%。

7號樓沉降差發(fā)生在樓棟平面短邊方向，沉降極值為10.4，23.7 mm，最大整體傾斜0.133%<0.3%。

5 施工監(jiān)測

5.1 監(jiān)測項目和報警值

施工監(jiān)測包括地表沉降、地表隆起、范圍沉降、傾斜和裂縫監(jiān)測、區(qū)間隧道拱頂沉降、管片收斂等[7]。各監(jiān)測的報警值見表4。

表4 監(jiān)測項目和監(jiān)測報警值

5.2 監(jiān)測點的布置

房屋沉降和水平位移測點布置在其外墻四角和或承重柱處。每隔2根承重柱布設(shè)1個監(jiān)測點；對于低于5層(含5層)的房屋，可只在底層布置測點，房屋邊長超過50 m時，在邊長中部按約10 m布置1個測點。對距離隧道中線30 m以內(nèi)的房屋布置測點納入監(jiān)測范圍。房屋傾斜監(jiān)測點沿主體結(jié)構(gòu)頂部、底部上下對應(yīng)按組布設(shè)，且中部增加監(jiān)測點；僅對3層以上房屋進(jìn)行傾斜監(jiān)測，每棟房屋傾斜監(jiān)測數(shù)量不少于2組，每組的監(jiān)測點不少于2個。裂縫寬度監(jiān)測點按組布設(shè)在裂縫的最寬處及裂縫首、末端，每組布設(shè)2個監(jiān)測點，并分別布設(shè)在裂縫兩側(cè)，且其連線應(yīng)垂直于裂縫走向。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

2017年9月14-28日盾構(gòu)穿越小區(qū)房屋群段，監(jiān)測結(jié)果見圖18～圖21。

圖18 小區(qū)地表最大沉降變化圖

圖19 小區(qū)地表最大隆起變化圖

圖20 小區(qū)房屋最大沉降變化圖

圖21 小區(qū)房屋最大隆起變化圖

由圖21～圖24可知，小區(qū)地表最大日均沉降1.72 mm，房屋最大沉降23.7 mm，均在數(shù)值計算值范圍內(nèi)。表明采取控制措施后，地表和建筑物的沉降等變形均控制在允許的范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

盾構(gòu)施工不可避免會產(chǎn)生地面沉降和隆起，穿越建(構(gòu))筑物時存在較大安全風(fēng)險，故應(yīng)充分了解盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降的規(guī)律，詳細(xì)分析盾構(gòu)施工存在的安全風(fēng)險，有針對性地采取措施，控制風(fēng)險。

通過精細(xì)化施工、合理設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，調(diào)整和控制盾構(gòu)姿態(tài)、合理配置注漿漿液，采取同步和多次注漿、加強監(jiān)測、 信息化施工等綜合技術(shù)措施，可將盾構(gòu)上方老齡小區(qū)建筑群的地面和建筑物沉降及變形控制在安全范圍之內(nèi)。