盾構(gòu)切樁穿越建筑群時房屋傾斜影響分析★

甘政政,張立亞

(湖南科技大學(xué)地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

我國當(dāng)前交通的格局已滿足不了城市發(fā)展的要求，由于城市規(guī)劃的限制，大城市土地資源又非常有限，軌道交通的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。地鐵隧道往往通過城市中心繁華地帶,區(qū)域情況復(fù)雜,傳統(tǒng)的施工方法不再適合,盾構(gòu)法地鐵隧道施工是一個極佳的選擇,它兼具安全、可靠、勞動強度低和對環(huán)境影響小的優(yōu)點，但對地層上部及影響范圍內(nèi)房屋的干擾仍舊不可避免,文獻(xiàn)[1-4]使用不同的方法和模型研究了地鐵盾構(gòu)對臨近房屋的影響；文獻(xiàn)[5]研究了不良地質(zhì)情況下盾構(gòu)下穿密集建筑群施工技術(shù)；文獻(xiàn)[6-9]研究了數(shù)值模擬、理論計算預(yù)測、自動化監(jiān)測在地鐵隧道中的應(yīng)用，但應(yīng)用都受到限制，尤其是人工監(jiān)測及時性較差；文獻(xiàn)[10]通過對地表變形引起的建筑物損壞實例統(tǒng)計分析，將建筑的傾斜變形與房屋損壞等級作為確立預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的因素之一。房屋傾斜過程會對房屋產(chǎn)生附加應(yīng)力，尤其是易引起長邊的豎向裂縫，給房屋帶來嚴(yán)重?fù)p害。目前盾構(gòu)過程，建筑物自動化變形監(jiān)測研究中大多集中在對沉降數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，而對傾斜研究相對較少。

本文以深圳地鐵九號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道切樁穿越某小區(qū)9號～13號建筑樓群為例，左、右線切樁穿越過程使用TS30測量機器人實時監(jiān)測房屋群的動態(tài)移動變形，通過計算房屋邊同一水平監(jiān)測點沉降差與距離的比值獲得相應(yīng)方向的傾斜值，以《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中對多層建筑物整體的傾斜允許值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析受到左線和右線疊加影響的9號樓以及左線單獨影響的10號和11號樓、右線單獨影響的13號和12號樓，在盾構(gòu)機推進(jìn)過程房屋長、短邊的傾斜及方向的動態(tài)變化，將房屋傾斜值作為盾構(gòu)施工預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)之一(根據(jù)房屋高度和結(jié)構(gòu)，傾斜預(yù)警值取0.004 mm/m)，根據(jù)動態(tài)斜率調(diào)整盾構(gòu)機參數(shù)，為后續(xù)類似施工提供工程經(jīng)驗。

1 工程概況

本次監(jiān)測的建筑群位于深圳地鐵九號線某區(qū)間，隧道左、右線中線間距19 m，其中9號～13號需切樁穿越，共切除137根樁基，其中左線9號切樁17根、10號切30根、11號切22根，右線9號切樁27根，13號切17根，12號切24根，切除長度為0.3 m～2.5 m，左、右線先后6次穿越，樓下區(qū)間達(dá)100.5 m，左線穿越9號、10號、11號，右線穿越9號、13號、12號，隧道埋深11 m～16 m，樓群與盾構(gòu)隧道的相對位置如圖1所示。

1.1 地質(zhì)情況

原始地貌為河谷沖、洪積平原，現(xiàn)經(jīng)過人工回填，場地地勢平坦，標(biāo)高為4.06 m～6.12 m。盾構(gòu)下穿地層從上到下依次為：素填土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖和中等風(fēng)化花崗巖。

1.2 建筑群情況介紹

某小區(qū)9號，10號，11號，12號，13號是1987年～1989年修建的住宅樓，皆采用沉管灌注樁基礎(chǔ)，樁徑0.34 m，樁底絕對標(biāo)高-6.15 m～-10.8 m，小區(qū)地表絕對標(biāo)高5.7 m～5.85 m，房屋高7層，無地下室，9號、11號樁尖貫入礫質(zhì)亞黏土層5 m左右，其余3棟樓樁尖貫入礫砂層2 m左右。

2 自動化監(jiān)測

2.1 儀器設(shè)備

本次施工使用1臺Leica TS30測量機器人進(jìn)行自動化監(jiān)測，開始儀器架設(shè)在13號樓頂(先左線盾構(gòu))，監(jiān)測左線穿越9號、10號、11號樓時的變形量，當(dāng)盾尾脫離11號、右線刀盤距13號樓還有1環(huán)時，儀器移站到10號樓頂，監(jiān)測右線穿越13號、12號時的變形量。儀器、后視點的布設(shè)情況詳見圖1。

2.2 監(jiān)測點的布設(shè)

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》要求，監(jiān)測點應(yīng)布置在房屋承重構(gòu)件或基礎(chǔ)的角點上，長邊測點應(yīng)適當(dāng)加密，監(jiān)測點布設(shè)在屋頂以便保護(hù)和實時觀測(測點編號及布置詳見圖1)，為研究盾構(gòu)切樁穿越過程房屋群的傾斜規(guī)律，按同一方向上的監(jiān)測點，將同一水平的任意兩點為一組按沉降差和兩點間水平距離求斜率(i=Δh/ΔL)，根據(jù)斜率大小和正負(fù)區(qū)分相應(yīng)房屋邊的傾斜情況。具體分組詳見表1，表2。

表1 左線樓群監(jiān)測分類統(tǒng)計

表2 右線樓群監(jiān)測分類統(tǒng)計

3 穿越樓群傾斜數(shù)據(jù)分析

3.1 坐標(biāo)軸規(guī)定

橫坐標(biāo)：各監(jiān)測點到盾構(gòu)機刀盤的水平距離，單位為m；以盾構(gòu)機刀盤進(jìn)入樓房(9號)為原點，盾構(gòu)機的掘進(jìn)方向為正，反向為負(fù)。

縱坐標(biāo)：房屋的累計斜率；規(guī)定房屋向南、向西傾斜為正，反之為負(fù)。

3.2 盾構(gòu)切樁穿越9號時數(shù)據(jù)分析

左線盾構(gòu)穿越通過9號東北角，由圖2可知，房屋北邊、東邊的斜率在-0.24×10-3mm/m～0.06×10-3mm/m(距離0.25 m～51.09 m)之間，對房屋傾斜影響較小。刀盤位置在8 m～15.5 m時，房屋北、東斜率增大，之后受二次注漿影響斜率產(chǎn)生波動。9號單獨受左線穿越影響時(0 m～48.5 m)整體向東北向傾斜。

由圖3可知，右線盾構(gòu)穿越9號時，斜率在-1.27×10-3mm/m～1.42×10-3mm/m。

由北側(cè)斜率曲線可知，從刀盤位置12.8 m～34.6 m，房屋向西傾斜且斜率先增大后減小，并滯后(盾尾出9號樓10.5 m)達(dá)到最大值。

南側(cè)7014-7012和7014-7015線的傾斜方向相反，形成以7014點(對應(yīng)右線隧道中心)為低點的“V”型構(gòu)造。

綜合圖2，圖3分析可知，9號受左、右線掘進(jìn)疊加影響，房屋南邊形成了“V”型構(gòu)造，導(dǎo)致南側(cè)(長邊)產(chǎn)生附加應(yīng)力，東、西兩側(cè)在整個推進(jìn)過程傾斜向北，斜率較小。9號樓受左、右線穿越疊加影響向北傾斜。

3.3 盾構(gòu)左線切樁穿越10號，11號時數(shù)據(jù)分析

由圖4可知，左線盾構(gòu)穿越10號斜率在-1.57×10-3mm/m～2.13×10-3mm/m，主要變化在刀盤進(jìn)入10號樓至盾尾離開樓體。

西側(cè)斜率曲線表明，刀盤進(jìn)入10號前(24.5 m)房屋向北傾斜，進(jìn)入后向南傾斜。最大傾斜值在45.1 m處，至51.09 m位置房屋斜率趨穩(wěn)；南側(cè)、東側(cè)斜率曲線變化趨勢同西側(cè)，而距離隧道中心較遠(yuǎn)的東側(cè)，斜率最大值出現(xiàn)在盾尾脫離10號樓24 m時，說明距離盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)的位置，其變形有一定的滯后性。

綜上可知，10號樓在刀盤位于24.5 m前向東北向傾斜，之后房屋向西南方向傾斜。

左線穿越11號最大斜率為-2.61×10-3mm/m。西側(cè)斜率曲線表明，房屋向北傾斜，盾構(gòu)推進(jìn)過程，受二次注漿影響房屋斜率整體較?。荒蟼?cè)斜率曲線表明，房屋向東傾斜，但南側(cè)斜率遠(yuǎn)大于西側(cè)和北側(cè)。據(jù)工況可知，掘進(jìn)至51.09 m處因機械故障停滯6 d，恢復(fù)掘進(jìn)后1 d內(nèi)推進(jìn)15 m使得南側(cè)隧道正上方點沉降較快。綜上分析，11號整體向東北傾斜。

3.4 盾構(gòu)右線切樁穿越12號、13號時數(shù)據(jù)分析

由圖5可知，右線盾構(gòu)只穿越了13號房屋東北角，整個過程房屋傾斜較小，最大斜率為-0.59×10-3mm/m。

南、北兩側(cè)傾斜始終向東，從刀盤位于42.1 m開始斜率迅速增加，直到57.4 m斜率趨穩(wěn)，在82.3 m斜率出現(xiàn)波動后趨穩(wěn)。

東側(cè)斜率曲線表明，刀盤推進(jìn)到52.6 m，房屋傾斜方向由南轉(zhuǎn)北，隨刀盤繼續(xù)推進(jìn)斜率值增大，直至穿越整個樓群后趨穩(wěn)。

右線穿越12號房屋傾斜值在-0.61×10-3mm/m～0.71×10-3mm/m之間變化，波動較大出現(xiàn)在距離57.4 m～86.7 m之間。

南側(cè)形成以7035為低點的“V”型，從刀盤推進(jìn)至66.5 m處斜率快速增大，至80.9 m斜率達(dá)最大。由于地面和洞內(nèi)同步注漿，房屋斜率直線下降，推進(jìn)至82.3 m盾尾出12號完成穿越后趨穩(wěn)。

東側(cè)斜率曲線表明，刀盤推進(jìn)至57.4 m，東側(cè)傾斜方向經(jīng)歷由北向南逆轉(zhuǎn)，最大傾斜值在77.8 m處，之后地面和洞內(nèi)同時注漿，斜率短暫波動后趨穩(wěn)。

綜合以上分析，以盾尾脫離13號為界(57.4 m)，13號整體傾斜方向由東南轉(zhuǎn)東北。12號傾斜方向由東北轉(zhuǎn)東南。

3.5 盾構(gòu)切樁穿越房屋最大傾斜分析

左線穿越9號切樁17根，整個過程只穿過該樓東北角，房屋向東北傾斜，斜率較小。右線穿越9號切樁27根，最大斜率1.42×10-3mm/m，影響相對較大，且右線穿越疊加使得長邊傾斜方向由東轉(zhuǎn)西，短邊的傾斜方向不變，但斜率最大值增加；10號切樁30根，房屋向西南傾斜且斜率較大；11號切樁22根，房屋傾斜向東北，是因盾構(gòu)機在穿越時掘進(jìn)速度太快，導(dǎo)致隧道中心正上方的點(6529)沉降過大。右線從13號東北角穿越切樁17根、12號切樁24根，最終傾斜值均較小，是因盾尾出12號后，地面及時進(jìn)行二次注漿，使房屋傾斜急劇減小(見表3)。

表3 9號～13號樓最大傾斜值 mm/m

4 結(jié)論

1)左、右線先后穿越9號，疊加應(yīng)力對長邊有利，可減小長邊方向(東西向)的傾斜值，但并未改變房屋短邊方向(南北向)的傾斜值；房屋長邊“V”型構(gòu)造產(chǎn)生的附加拉力會引起房屋外墻豎直方向的裂縫。

2)左線盾構(gòu)穿越10號、11號過程，房屋長邊方向(先接觸刀盤)的傾斜值大于對邊和臨邊的斜率，斜率變化主要集中在刀盤進(jìn)入房屋至盾尾離開期間，并滯后出現(xiàn)最大斜率，且監(jiān)測邊距離盾構(gòu)中心越遠(yuǎn)，滯后現(xiàn)象越明顯；快速切樁掘進(jìn)會導(dǎo)致長邊傾斜值迅速增大。

3)右線盾構(gòu)機穿越12號、13號過程，房屋短邊傾斜方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，斜率變化集中在刀盤進(jìn)入建筑物下至盾尾出房屋期間，12號樓長邊“V”型構(gòu)造產(chǎn)生的附加拉力易引起房屋損壞，地面同步注漿能快速減小房屋的傾斜，達(dá)到房屋糾偏的目的。