盾構(gòu)施工下穿既有建筑物沉降變形分析與控制

韓偉，王余鵬，石端文

1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 南平 353000； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430000

0 引言

地鐵盾構(gòu)施工不可避免會(huì)穿越城市建筑物下部結(jié)構(gòu)或其鄰近區(qū)域，下穿施工擾動(dòng)了原有土層，使施工近接區(qū)的地層、地表及建筑物產(chǎn)生一定的沉降變形，影響既有建筑物的使用壽命，危及人們的生命安全，對(duì)城市地鐵隧道工程建設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，在盾構(gòu)施工中，近接建筑物防護(hù)技術(shù)的系統(tǒng)化和完善愈來(lái)愈重要。

目前對(duì)沉降變形的控制和計(jì)算方法主要有理論法、試驗(yàn)法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析法等。文獻(xiàn)[1-4]從理論上研究盾構(gòu)行進(jìn)中對(duì)土層的影響，分析雙線盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[5-10]通過(guò)注漿試驗(yàn)，從壁后注漿、同步注漿及雙液注漿角度分析隧道施工對(duì)建筑基礎(chǔ)的影響，得到注漿壓力、注漿量等參數(shù)對(duì)地面沉降的影響，將數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，指出數(shù)值模擬法具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[11-13]采用數(shù)值模擬法，針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)源，分析研究某地鐵站區(qū)間盾構(gòu)下穿建筑物地表沉降的規(guī)律，總結(jié)了橋樁沉降和內(nèi)力變化特點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]采用三維數(shù)值分析軟件FLAC3D模擬研究不同土質(zhì)下隧道埋深對(duì)地表沉降的影響，分析了盾構(gòu)周邊各區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)變。

為研究盾構(gòu)下穿既有建筑物引起的地表和上部建筑物的沉降變形規(guī)律，本文依托福州某地鐵隧道盾構(gòu)下穿文化街項(xiàng)目，采取全過(guò)程分階段風(fēng)險(xiǎn)控制措施，并建立三維數(shù)值模型，分析沉降規(guī)律，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，以便為類似隧道盾構(gòu)下穿既有建筑物項(xiàng)目的施工提供參考。

1 盾構(gòu)近接施工區(qū)既有建筑物的防護(hù)

為控制盾構(gòu)下穿施工對(duì)近接施工區(qū)域既有建筑物結(jié)構(gòu)沉降的影響，應(yīng)對(duì)該區(qū)的既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行防護(hù)。

1.1 調(diào)查、評(píng)估

施工前，應(yīng)調(diào)查近接施工區(qū)建筑物的產(chǎn)權(quán)單位、建設(shè)年代、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)層數(shù)(包括地上和地下)、基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)埋深等。根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖，利用測(cè)量放線，放出近接施工區(qū)建筑物的隧道中線在路面上的實(shí)際位置，確定隧道與近接施工區(qū)建筑物的平面關(guān)系與垂直關(guān)系。對(duì)近接施工區(qū)建筑物進(jìn)行評(píng)估，確定危險(xiǎn)等級(jí)，編制建筑物結(jié)構(gòu)調(diào)查及評(píng)估報(bào)告。

1.2 地層空洞超前探測(cè)

為避免施工前存在的地層缺陷和因施工干擾產(chǎn)生的地層隱患造成的地質(zhì)災(zāi)害，施工前對(duì)盾構(gòu)近接施工區(qū)地層進(jìn)行超前探測(cè)。采用探地雷達(dá)進(jìn)行地層超前探測(cè)的操作流程為：根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，沿隧道中線及中線左、右兩側(cè)2 m處各布置一條測(cè)線，確保精確探測(cè)到盾構(gòu)近接施工區(qū)域內(nèi)的地層特性；對(duì)道路、管道、各種建筑物基層以下的各類土層進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)對(duì)象產(chǎn)生的反射波形狀和強(qiáng)度，確定探測(cè)參數(shù)；根據(jù)預(yù)先確定的不同結(jié)構(gòu)、物質(zhì)反射波的強(qiáng)度和波形，分析雷達(dá)圖像并提供檢測(cè)結(jié)果和建議，形成最終的檢測(cè)報(bào)告。

1.3 施工前加固處理

依據(jù)對(duì)既有建筑物結(jié)構(gòu)調(diào)查及評(píng)估報(bào)告和探地雷達(dá)探測(cè)報(bào)告，確定是否實(shí)施加固、處理以及實(shí)施的范圍。若有需要，可以采用雙液注漿技術(shù)及時(shí)對(duì)地層進(jìn)行加固處理，抑制地層沉陷。

1.4 施工過(guò)程數(shù)值模擬

結(jié)合以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)、施工圖設(shè)計(jì)、巖土勘察和雷達(dá)探測(cè)報(bào)告、建筑物結(jié)構(gòu)調(diào)查評(píng)估報(bào)告以及試驗(yàn)段確定的施工參數(shù)和地表沉降數(shù)據(jù)等，確定計(jì)算參數(shù)，建立盾構(gòu)近接施工的計(jì)算模型。編制盾構(gòu)近接施工數(shù)值模擬報(bào)告，并給出施工建議。

1.5 施工過(guò)程控制

1.5.1 施工前預(yù)防措施

依據(jù)工程概況，理論計(jì)算和室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合100 m試驗(yàn)段掘進(jìn)情況，確定盾構(gòu)施工的關(guān)鍵參數(shù)，例如出土量、土壓力、注漿壓力、同步注漿量等。注漿液中水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂、水的質(zhì)量比為100：450：60：600：500。對(duì)盾構(gòu)機(jī)及其配套設(shè)備進(jìn)行全面、徹底的檢修，對(duì)可能產(chǎn)生的故障預(yù)先做好應(yīng)急預(yù)案，確保盾構(gòu)機(jī)24 h連續(xù)、勻速推進(jìn)或盡量縮短停機(jī)時(shí)間，減少因長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生沉降、裂縫等。配備充足的管理人員和施工人員，保證人不離崗。與施工物資供貨商簽訂協(xié)議，確保物資供應(yīng)的連續(xù)性。將盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整到最佳狀態(tài)，復(fù)測(cè)隧道內(nèi)的測(cè)量控制網(wǎng)、地面控制點(diǎn)及井下測(cè)量控制點(diǎn)，確認(rèn)無(wú)誤后，根據(jù)測(cè)得的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，將盾構(gòu)機(jī)軸線誤差調(diào)整到小于10 mm，保證盾構(gòu)機(jī)以準(zhǔn)確的姿態(tài)推進(jìn)[15]。

1.5.2 施工中控制措施

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中，將軸線高程或平面偏差控制在30 mm以內(nèi)，避免不必要的大糾偏對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)[16]。結(jié)合對(duì)每環(huán)土樣的地質(zhì)情況分析，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。嚴(yán)格控制出土量，防止超排，避免因此造成周?chē)嬖诳斩椿蛐纬傻貙与[患。采用同步注漿量和同步注漿壓力控制雙重控制標(biāo)準(zhǔn)，以確保節(jié)段后面孔隙填充的致密性。指派專人每天24 h進(jìn)行檢查，監(jiān)測(cè)注漿量和注漿壓力，如果發(fā)現(xiàn)任何異常，根據(jù)情況采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行處理。

1.5.3 施工后控制措施

繼續(xù)對(duì)盾構(gòu)近接施工區(qū)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，直至沉降速度≤5 mm/d，發(fā)現(xiàn)異常狀況，立即采取措施進(jìn)行處理[17]。

2 工程實(shí)例

以福州地鐵某線隧道盾構(gòu)施工為例，闡述其盾構(gòu)近接施工區(qū)的防護(hù)措施，通過(guò)數(shù)值模擬分析盾構(gòu)近接施工區(qū)地表和建筑物結(jié)構(gòu)的沉降變形情況。

2.1 工程概況與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

福州地鐵某線隧道盾構(gòu)施工區(qū)域位于主干道梁厝路下方，東西方向下穿文化街，周邊遍布居民住宅，沿線電力、電信、雨水、污水、燃?xì)?、路燈、軍用電纜等地下管道線路眾多，且工程地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)軟硬不均、地下水豐富，故下穿文化街的盾構(gòu)施工存在一定風(fēng)險(xiǎn)，需采取有效措施對(duì)盾構(gòu)近接施工區(qū)的文化街進(jìn)行防護(hù)。

文化街建成于2005年，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面在小里程端和大里程端距離隧道頂部?jī)H為5.2 m和6.1 m。文化街位于繁華的梁厝路下方，沿梁厝路方向長(zhǎng)約102.65 m，垂直于梁厝路方向?qū)捈s32 m，為地下兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。文化街與盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示(圖1b)中的A、B、C、D、E點(diǎn)為沉降觀測(cè)點(diǎn))。

a)平面圖 b)橫斷面圖圖1 文化街與盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)關(guān)系

盾構(gòu)隧道頂部與文化街基礎(chǔ)之間的距離小于1倍的隧道掘進(jìn)直徑(6.16 m)；文化街基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，整體性差，對(duì)不均勻沉降敏感，且雙線隧道的中線位于結(jié)構(gòu)柱正下方；結(jié)構(gòu)建成至現(xiàn)在已近15 a，建成時(shí)間較久；文化街內(nèi)商販林立、人員眾多，往返不斷；文化街位于城市繁華區(qū)主要交通干道——梁厝路下方。因此，下穿文化街盾構(gòu)施工為I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目。

2.2 文化街附近地層空洞探測(cè)情況

采用探地雷達(dá)探測(cè)，下穿區(qū)間文化街南北兩端外8 m、梁厝路東西兩側(cè)寬32 m，地面以下4 m范圍內(nèi)存在土層脫落空區(qū)。

2.3 文化街附近地層的加固處理

施工前采取雙液注漿的方式進(jìn)行加固處理。加固平面范圍為文化街周?chē)瑑啥送? m，兩側(cè)外4 m，如圖2所示。加固深度為12.5 m(文化街基礎(chǔ)以下1 m)。試驗(yàn)段注漿參數(shù)：注漿壓力為0.3 MPa，注漿量為理論注漿量的1.5倍，漿液初凝時(shí)間為20～30 s；水灰比為1.5；水玻璃與水泥漿的體積比為0.35，水玻璃的密度為1.19～1.22 g/cm3。

圖2 土層脫空區(qū)加固平面圖

2.4 盾構(gòu)下穿文化街?jǐn)?shù)值模擬

施工前，對(duì)盾構(gòu)下穿文化街施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]盾構(gòu)施工過(guò)程引起地層運(yùn)動(dòng)的時(shí)空效應(yīng)，本文采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，分析盾構(gòu)施工引起的地表沉降和建筑物沉降等分布規(guī)律，驗(yàn)證模擬參數(shù)取值是否合理。

2.4.1 建立模型

巖土物理學(xué)參數(shù)按物理力學(xué)指標(biāo)選取，具體參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

模型尺寸的選取應(yīng)考慮盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)文化街建筑的影響范圍，模型長(zhǎng)度為100 m，寬度為90 m，高度為50 m，三維網(wǎng)格模型如圖3所示，模型共計(jì)104 150個(gè)單元，87 650個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。計(jì)算模型考慮了空間效應(yīng)、開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)加固、地層加固、邊界效應(yīng)等多因素影響[18]。

圖3 盾構(gòu)下穿文化街?jǐn)?shù)值分析模型

注漿壓力、注漿量等參數(shù)均采用試驗(yàn)段的參數(shù)，下穿模擬完成后沉降位移如圖4所示(圖中數(shù)字的單位為mm)。

a)左線 b) 右線圖4 盾構(gòu)下穿文化街沉降位移云圖

由圖4可以看出：雙線隧道盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)，左、右線會(huì)對(duì)上方地表和建筑物產(chǎn)生沉降影響，地表最大沉降為5.5 mm，建筑結(jié)構(gòu)最大沉降為4.9 mm，由于沉降產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，使圖1中觀測(cè)點(diǎn)C的地表沉降和結(jié)構(gòu)沉降最大，而隧道下穿線路建筑物正上方時(shí)，由于已進(jìn)行有效加固措施，沉降較小。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]的要求，下穿鐵路地面沉降≤10 mm，建筑結(jié)構(gòu)沉降≤5 mm，本文的數(shù)值模擬結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

(1)開(kāi)課前的準(zhǔn)備：開(kāi)課前，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)制定符合混合式教學(xué)的教學(xué)任務(wù)，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的整體劃分，為每個(gè)知識(shí)點(diǎn)編寫(xiě)教學(xué)目標(biāo)。初步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，發(fā)布課程介紹、教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、教師信息、課程通知，對(duì)選課學(xué)生、教學(xué)權(quán)限進(jìn)行管理，完善試題試卷庫(kù)和常見(jiàn)問(wèn)題庫(kù)。同時(shí)，搜集教學(xué)視頻或錄制微課。

2.4.2 沉降模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)方案，在文化街布置A、B、C、D、E5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1b)所示，測(cè)量各點(diǎn)的結(jié)構(gòu)沉降和地表沉降，并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

由表2可知：數(shù)值模擬得到的沉降結(jié)果接近實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。

表2 盾構(gòu)下穿文化街測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬沉降對(duì)比 mm

2.5 盾構(gòu)下穿文化街的過(guò)程控制

2.5.1 下穿前預(yù)防措施

1)增設(shè)試驗(yàn)段。下穿前100 m范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)掘進(jìn)，確定切實(shí)可行的技術(shù)參數(shù)和措施。

2)設(shè)備檢修。對(duì)盾構(gòu)機(jī)及其它輔助設(shè)備進(jìn)行徹底檢修，保證掘進(jìn)工作順利運(yùn)行。

3)復(fù)測(cè)。對(duì)隧道內(nèi)的所有測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行全面復(fù)測(cè)，并將盾構(gòu)軸線誤差調(diào)整到小于10 mm[20]，盡可能減小隧道下穿過(guò)程中因測(cè)量誤差造成的不利影響。

2.5.2 下穿時(shí)加固措施

圖5 地面注漿工藝流程

2)選取合適的注漿壓力控制每孔注漿量，如果壓力太小將無(wú)法有效的加固填充縫隙，壓力過(guò)大則會(huì)引起地面的隆起，所以壓力控制設(shè)定為2～4 MPa，則每孔注漿量

Q=πR2Hηαβ，

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑，R=0.5～1.0 m；H為小導(dǎo)管有效長(zhǎng)度；η為土體孔隙率；α為注漿系數(shù)，α=0.7～0.9；β為漿液損耗系數(shù)，β=1.1～1.4。

注漿順序由中心到頂部進(jìn)行，注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力范圍后觀察30 min，如壓力下降，繼續(xù)進(jìn)行注漿，當(dāng)壓力不再下降時(shí)，關(guān)閉灌漿端閥門(mén)，每孔漿液注入量約為4 m3。在盾構(gòu)開(kāi)挖面前方1.5 m上部形成約為120°范圍的混凝土保護(hù)層，保護(hù)上方土體不坍塌，從而確保安全開(kāi)倉(cāng)更換刀具。超前注漿示意圖如圖6所示。

圖6 超前注漿示意圖

3)跟蹤注漿，每2 h監(jiān)測(cè)一次，如有必要，增加監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)給予反饋，并根據(jù)反饋調(diào)整注漿量。注漿必須按程序進(jìn)行，每部分的注漿量必須準(zhǔn)確，并且注漿壓力必須由專人嚴(yán)格控制和操作[21]。

4)合理布置測(cè)點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)頻率。

5)采用探地雷達(dá)對(duì)下穿施工進(jìn)行全過(guò)程跟蹤探測(cè)。

2.5.3 下穿后控制措施

1)繼續(xù)對(duì)施工區(qū)段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，直至沉降速度收斂。

2)及時(shí)對(duì)盾構(gòu)上方120°范圍的地層進(jìn)行二次補(bǔ)漿或多次補(bǔ)漿，采取地表注漿加固[22-27]。

3 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)建立數(shù)值仿真模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)下穿文化街的地表和建筑結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了盾構(gòu)施工對(duì)建筑物和地表沉降的影響。雙線施工完成且沉降穩(wěn)定后，結(jié)構(gòu)最大沉降為4.9 mm，地表最大沉降為5.5 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)盾構(gòu)下穿文化街?jǐn)?shù)值模擬中結(jié)構(gòu)及地表的最大沉降的位置與實(shí)測(cè)最大沉降的位置相同。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的沉降大小分布規(guī)律基本一致，證明數(shù)值模擬參數(shù)取值合理，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

3)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)沉降和地表沉降均在可控范圍內(nèi)，表明下穿前的預(yù)防措施和下穿過(guò)程中的加固措施效果明顯。下穿前采用雙液注漿法對(duì)文化街附近地層的加固有效抑制了地表沉降；下穿時(shí)采用同步注漿量和同步注漿壓力控制雙重控制標(biāo)準(zhǔn)，確保了節(jié)段后面孔隙填充的致密性，并根據(jù)地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的沉降情況，及時(shí)調(diào)整注漿壓力和注漿量，有效減少了施工中的地表和建筑結(jié)構(gòu)沉降。