盾構(gòu)隧道近接樁基影響及加固方式研究

郭文琦，陳 兵

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著我國地鐵的大量建設(shè)和盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)法在地鐵建設(shè)中成為首選的工法[1]。同時，由于地鐵、樁基等交通基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，使得兩者近接的情況愈發(fā)常見[2-3]。

針對地鐵隧道與其他建筑物接近施工的情況，學(xué)者們進行了一系列研究。丁智等[4]通過模型試驗、數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對橋梁樁基礎(chǔ)與地鐵隧道近接施工的相互影響及控制保護技術(shù)進行了研究。陳卓等[5]通過FLAC3D三維數(shù)值模型，分析計算了地鐵車站隧道群近接橋梁結(jié)構(gòu)施工引起的附加變形及受力，并且對橋梁加固措施的安全性進行了評價。沈建文等[6]以盾構(gòu)隧道穿越橋樁實際工程為依托，通過有限元數(shù)值計算方法模擬了盾構(gòu)隧道施工對臨近橋樁的樁體沉降、樁體側(cè)移、地表沉降的影響，并將結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了驗證。單生彪等[7]通過數(shù)值模擬的方法計算不同注漿壓力和不同近接距離下盾構(gòu)隧道施工的過程，并且分析了襯砌結(jié)構(gòu)近接橋樁的施工力學(xué)響應(yīng)。毛新穎等[8]通過數(shù)值計算的方法對盾構(gòu)到達公路隧道前、穿越過程中、盾尾離開公路隧道的全過程進行了三維數(shù)值模擬，得出了盾構(gòu)下穿近接公路隧道的影響規(guī)律。

現(xiàn)有的研究主要集中在隧道接近建筑物施工對建筑物的影響。本文以佛山地鐵2號線工程為依托，通過數(shù)值計算的方法，研究了盾構(gòu)隧道周圍土體在不同注漿加固方式下施工對地層沉降及樁基變形的影響。

1 工程概況

佛山地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿文登河公路涵，公路涵樁基的松木樁樁長5 m，樁徑0.12 m，樁身間距0.48 m。隧道位于粉細(xì)砂、中粗砂地層，距離樁基凈距為7.6 m，隧道埋深約16.8 m，覆蓋層從上至下主要為：素填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。根據(jù)沿線建構(gòu)筑物保護分類原則的規(guī)定，需做主動加固處理，通過合理的施工方案和施工組織控制地層位移，并采取信息化設(shè)計和信息化施工的措施。采用洞內(nèi)注漿加固方式進行加固，同時也能改善開挖面土體性質(zhì)，有利于盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定和盾構(gòu)姿態(tài)的控制。區(qū)間隧道與文登公路涵的松木樁平面上基本呈正交，區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系見圖1。

圖1 區(qū)間隧道與樁基剖面關(guān)系景

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

盾構(gòu)隧道開挖過程采用在開挖邊界上釋放節(jié)點荷載的方式進行模擬。建筑物樁基所受荷載包括建筑物自重、樓面荷載等恒載及活載，在建模中，不考慮基礎(chǔ)及其以上部分，本文研究的是盾構(gòu)掘進過程產(chǎn)生的附加應(yīng)力和附加位移對樁基的影響，故計算時不考慮作用在樁基礎(chǔ)頂面上的豎向均布面力。建模過程中，土體、管片及樁基選用Solid45三維實體單元模擬。模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿足與隧道凈距均大于等于3D要求，其長寬高分別為48 m×24 m×37 m。襯砌管片厚0.3 m，幅寬1.2 m，隧道埋深約16.8 m。

為了減小下穿對文登河公路涵樁基的影響，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制地層損失率以及盾構(gòu)推進壓力等盾構(gòu)掘進參數(shù)，盾構(gòu)通過前對開挖斷面周圍土體進行適量預(yù)注漿加固，同時為了減小砂土地層對盾構(gòu)開挖的影響，對砂土地層進行了注漿加固處理，注漿加固區(qū)域如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)周圍土體注漿加固

2.2 模型材料參數(shù)

按照地質(zhì)縱斷面圖，有限元模型中自上而下取五種不同土(巖)層進行計算，自上而下分別為素填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)中粗砂、中粗砂、強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。采用不同的材料分別模擬地層、樁基礎(chǔ)、注漿加固區(qū)、管片襯砌。模型選取管片材料參數(shù)及隧道所穿越地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計算采用土體及襯砌材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

本試驗中共對四種盾構(gòu)隧道周圍土體進行研究，分別是原狀土和每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg、300 kg、400 kg的改良土。

3.1 地層沉降分析

左洞開挖后地表參考面沉降曲線和雙洞開挖后地表參考面沉降曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 左洞開挖后地表參考面沉降曲線

圖4 雙洞開挖后地表參考面沉降曲線

左洞開挖后，對于未進行加固改良的原狀土，隧道正上方地表地層沉降值為25.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為17.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為14.5 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為10.2 mm，比未加固地層減小了15.2 mm。

雙線貫通后，對于未進行加固改良的原狀土，兩隧道中間正上方地表地層沉降值為35.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為23.8 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為15.2 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為12.9 mm，比未加固地層減小了63.76 %。如圖4所示，說明注漿加固能有效減小地表沉降。

3.2 樁基變形分析

將四種盾構(gòu)隧道周圍土體下樁基的變形結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 加固前后樁基位移最大值對比 mm

由表2可知，對于未進行加固改良的原狀土，樁基最大X方向位移為5.3 mm，最大Y方向位移為36.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥200 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.8 mm，最大Y方向位移為24.2 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥300 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.1 mm，最大Y方向位移為18.7 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，樁基最大X方向位移為2.4 mm，比未加固地層減少了54.72 %，最大Y方向位移為13.8 mm，比未加固地層減少了62.3 %。因此，注漿加固可顯著減小樁基的變形。

4 結(jié)論

本文以佛山地鐵2號線盾構(gòu)隧道工程為依托，通過 ANASYS軟件盾構(gòu)隧道下穿文登河公路涵樁基的工況進行了建模計算，并對比了不同加固方式下地表沉降和樁基的變形，得到以下有益結(jié)論：

(1)與未加固的土體相比，對砂土地層進行注漿加固處理后，隧道正上方處地表沉降量顯著減少。雙線貫通后，對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降比未加固地層減小63.76 %。

(2)對砂土地層注漿加固可顯著減小上方公路涵樁基的變形。對于每1 m3原狀土摻加超細(xì)水泥400 kg的改良土，樁基最大水平位移比未加固地層減小54.72 %，樁基最大豎向位移比未加固地層減小62.3 %。

(3)為減小本工程中盾構(gòu)隧道施工對鄰近公路涵樁基的影響，建議本工程中砂土地層地基加固采用每1 m3摻入400 kg超細(xì)水泥的加固方案。