盾構側穿淺基礎建筑群沉降特性及施工控制技術★

王 冠

(中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300)

1 概述

伴隨著改革開放潮流，城市化進程加速發展，城市規模化增長顯著，軌道交通作為城市規模化產物應運而生。軌道交通因其高效率、大容量、低能耗特點，成為優化城市空間規劃、改善城市交通擁堵主要方法。城市形成早于軌道交通建設，因此，軌道交通建設過程中不可避免地存在穿越(下穿，側穿)、并行、疊交等高風險源。譚偉姿[1]針對盾構重疊隧道施工在穿越建筑前的穿越和穿越建筑段施工時的控制方法和盾構施工參數進行研究；常淑芬等[2]從設備選型控制、盾構掘進參數控制以及注漿控制方面著手，對地鐵盾構區間側穿建筑物施工控制技術進行分析；劉柄呈等[3]，龔興旺等[4]對盾構近距離側穿建筑物引起沉降及錨桿樁的加固作用進行數值模擬研究；張準[5]通過構建盾構隧道近距離側穿砌體結構三維有限元模型，對比深孔注漿技術運用后盾構施工過程中誘發的地表沉降與砌體建筑沉降的偏差；李又云等[6]、王謙等[7]、張軍[8]采用數值模擬和現場實測的方法，建立隧道-土體-建筑遺產三維模型，進行盾構施工前建筑遺產周邊加固效果、施工技術參數優化、施工現場實測值與數值計算值對比分析；彭剛[9]研究了區間下穿箱涵處理技術；袁東鋒等[10]、魯茜茜等[11]、奚曉廣等[12]依托盾構連續穿越高架橋工程，利用有限元數值模擬研究盾構超近距離穿越對高架橋墩的影響，并從結構變形傳遞角度揭示其傾斜機理。

本文以實際工程為背景，研究盾構施工側穿淺基礎建筑群地表變形特點，對盾構側穿淺基礎建筑群進行沉降預測分析，得到影響盾構側穿淺基礎建筑群所引起的變形主要因素，并提出相應的施工措施，建立一套盾構隧道施工側穿淺基礎建筑群的施工控制技術，為類似工程提供指導。

2 工程概況

廣州市軌道交通四號線南延段工程塘坑站—大涌站區間隧道線路出塘坑站后沿環市大道向西北方向前行，線路全部位于環市大道北側道路下方，線路兩側主要是商住綜合體及民房，區間空間位置圖如圖1所示。大塘區間離盾構始發端頭100 m左右位置，盾構近距離(3 m內)側穿塘坑村淺基礎建筑群，線路東北側2層～7層淺基礎建筑群距離線路較近。線路左側建筑物靠近隧道右輪廓線最近距離為10.27 m，右側建筑物靠近隧道左輪廓線最近距離為31.97 m，隧道側穿建筑物情況如表1所示。

表1 隧道側穿建筑物

3 盾構側穿淺基礎建筑群沉降特性分析

3.1 計算模型

采用有限元MIDAS GTS進行數值模擬，盾構直徑6.25 m，隧頂土層厚度13 m，上、下行線隧道凈距為14 m，隧道中心點向兩側各取35 m，即X方向取80 m，在Z方向結合地質勘查報告取39 m，沿盾構側穿掘進方向即Y方向，綜合實際監測情況，脫出盾尾7 d后基本穩定，平均7 d開挖35環(52.5 m)，在Y方向取120 m。

3.2 計算參數

根據MIDAS GTS中Mohr-Coulomb彈塑性本構模型對輸入參數的要求，參照巖土工程勘察報告土層特性，土體參數如表2所示。其中土體彈性模量由土體的壓縮模量換算而得。

表2 土體物理力學參數

3.3 房屋結構有限元模擬

本工程盾構施工采用先后掘進的方法，取最不利工況，即大塘區間離盾構始發端頭100 m左右位置，盾構近距離(3 m內)側穿塘坑村淺基礎建筑群，本文取盾構側穿的其最具有代表性，層數最多的一棟建筑物A和近距離側穿的建筑物B為研究對象進行數值模擬，側穿淺基礎建筑群房屋A層高為11 m，4層，房屋建筑輪廓18 m×9 m，淺基礎埋置深度為4 m，磚混結構。側穿淺基礎建筑群房屋B層高為23 m，7層，房屋建筑輪廓22 m×14 m。隧道與建筑物關系剖面示意圖如圖2，圖3所示。有限元模型如圖4～圖7所示。

3.4 沉降監測點布置

本文依托工程所側穿建筑群均為淺基礎，地表抗變形能力差，因此整個監測重點是隧道區間影響范圍內的地表及淺基礎沉降，其他監測項目還包括地下水位、隧道收斂和隧道拱底變形。取本工程區間側穿建筑群最危險工況進行分析，沉降監測控制點如圖8所示。

3.5 淺基礎建筑群沉降特性分析

3.5.1 周邊地表沉降分析

盾構側穿淺基礎建筑群采用雙線開挖施工工況后，淺基礎建筑群周邊地表沉降變形云圖與周邊地表最大沉降豎向位移云圖如圖9所示。

數值計算結果如圖9所示：1)隧道開挖后地表產生明顯的沉降槽，雙線開挖后地表最大沉降為12.14 mm；2)雙線開挖后隧道拱頂最大沉降為14.17 mm。

3.5.2 淺基礎建筑群房屋基礎沉降特性分析

根據實際情況，采取步長L=6 m的盾構掘進模擬工況，Y方向為120 m，右線先掘進60 m，后左右兩線同時掘進，這樣左右兩線就有30個施工步。具體計算步驟如下：

步驟1：平衡地應力，清零位移。

步驟2：右線開挖隧道一環。

步驟3：施加一環襯砌以及注漿層。

步驟4：繼續開挖下一環，同時硬化上一環注漿層。

步驟5：右線隧道挖完60 m，左線右線再同步開挖，施工步序同上。

圖10，圖11分別為測點J1～J4和測點J5～J8隨施工過程沉降變化曲線。其中，第5個施工步為右線隧道施工到達第一棟建筑物，第5個～第10個施工步為隧道施工經過第一棟建筑物，第10個～第15個施工步為隧道經過第二棟建筑物。

4 盾構側穿淺基礎建筑群施工控制技術

盾構側穿淺基礎建筑群施工技術措施是一個隨機動態平衡過程，為了對盾構側穿淺基礎建筑群的沉降進行有效控制，確保盾構側穿淺基礎建筑群的安全，本文擬將盾構側穿淺基礎建筑群分為3個階段，并制定相應的沉降控制標準。因淺基礎建筑群所涉及到的多為磚混及框架結構，抵抗沉降變形能力儲備不足，依據GB 50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范和GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范，確定不同階段盾構穿越淺基礎建筑群的沉降累計變形允許值和每日沉降變形允許值增量。各階段具體情況如表3所示。

表3 各階段控制指標及控制措施

盾構側穿淺基礎建筑群施工控制技術是一個隨機動態平衡過程，以實際監測數據為依據，結合現場實際情況，根據不同地質、穿越淺基礎建筑群不同結構類型對施工參數進行動態調整，以達到人-機-環的高度統一，具體施工控制技術如下：

1)盾構姿態控制：本工程根據掌子面地層情況、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素，及時調整盾構機姿態、糾正偏差，盾構機姿態糾正偏差控制在4 mm/環。

2)掘進速度控制：掘進速度應根據刀盤扭矩、推力、地層狀況等綜合考慮。本工程盾構側穿淺基礎建筑群掘進速度控制在25 mm/min～35 mm/min。

3)土倉壓力：一般來說實際土倉壓力的設定稍高于理論值，可以有效地控制盾構側穿淺基礎建筑群施工時盾構掌子面土層的隆起量。本工程土倉壓力控制在0.18 MPa～0.20 MPa，糾偏范圍為±0.1 MPa。

4)出土量：本工程管片內徑φ5 400 mm，管片外徑φ6 000 mm，最大開挖直徑為φ6 250 mm。管片寬度1.5 m/環。φ6 250 mm土壓平衡盾構機每環理論出土量：

土方量=π/4×(R2×L)=π/4×(6.252×1.5)=46.02 m3/環。

實際出土量由于地下水作用及渣土松散，要比理論出渣量大。根據廣州地區施工經驗，渣土的松散系數在1.4～1.5之間，即實際每環出渣量分別在64.43 m3～69.03 m3之間。

5)管片拼裝質量：管片拼裝嚴格按照以批準的施工方案進行，通過實際監測數據對方案進行修正，并注意成品的保護。

6)同步注漿：本工程注漿配比如表4所示。

表4 同步注漿漿液配合比

7)二次注漿：當盾構機掘進一定距離后進行二次雙液注漿，一般在距離盾尾10環的距離進行注漿密封，將管片與土體之間的空隙用雙液漿填充。注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿。

5 結論

本文以廣州市軌道交通4號線南延段工程塘坑站—大涌站區間側穿淺基礎建筑群為依托，采用有限元三維模擬對盾構側穿淺基礎建筑群進行沉降特性分析，并根據沉降特性相應的施工控制技術，具體結論如下：1)基于三維數值軟件對盾構側穿淺基礎建筑群進行沉降特性分析，并得到相應的沉降規律。2)將盾構側穿淺基礎建筑群分為3個階段，并確定不同階段盾構穿越淺基礎建筑群的沉降累計變形允許值和每日沉降變形允許值增量。3)從盾構姿態控制、掘進速度控制、土倉壓力、出土量、管片拼裝質量、同步注漿、二次注漿7個方面進行具體施工控制技術分析，并針對不同因素提出了具體施工參數，形成了人-機-環高度統一的施工控制技術。