富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿既有房屋結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)沉降特征及控制技術(shù)

摘" 要：砂卵石地層是力學(xué)不穩(wěn)定地層，富水砂卵石地層盾構(gòu)近距離下穿建（構(gòu)）筑物工程易引起地層損失和圍巖擾動(dòng)。該文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)方式開展富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿既有房屋結(jié)構(gòu)的地面擾動(dòng)沉降規(guī)律研究，研究結(jié)果表明，下穿過程中，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)先對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)水平變形產(chǎn)生影響，再對(duì)沉降變形產(chǎn)生影響。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，房屋結(jié)構(gòu)的最大沉降變形發(fā)生在房屋中軸線附近，而最大水平位移則發(fā)生在下穿建筑物完成后。鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內(nèi)注漿組合加固措施結(jié)合穩(wěn)定的掘進(jìn)參數(shù)控制能有效減小富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿施工對(duì)淺基房屋結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；砂卵石地層；地表沉降；掘進(jìn)參數(shù)；有限元法

中圖分類號(hào)：U455.43" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0106-04

Abstract： Sandy Cobble Stratum are mechanically unstable strata. Shield tunneling projects in water-rich Sandy Cobble Stratum can easily cause stratigraphic losses and surrounding rock disturbanceswhen passing through buildings （structures） at close distances.This paper uses numerical simulation and field tests to conduct research on disturbance settlement characteristics of shield tunneling passing through existing building structures in water-rich sandy cobble stratum. The results demonstrate that： During the penetration process， shield tunnel excavation first affects the horizontal deformation of the existing structure， and then affects the settlement deformation. As the shield tunneled， the maximum settlement deformation occurred near the central axis of the house， while the maximum horizontal displacement occurred after the tunneling was completed. The combined reinforcement measures of steel pipe isolation piles + tracking grouting + in-hole grouting combined with stable excavation parameter control can effectively reduce the impact of shield tunneling project on shallow foundation structure in water-rich sandy cobble stratum.

Keywords： shield tunnel; sandy cobble stratum; ground surface settlement; tunneling parameter; finite element method

隨著當(dāng)前我國地鐵工程的興建，盾構(gòu)施工將會(huì)面臨各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)環(huán)境，例如富水砂卵石地層[1-3]。砂卵石地層是典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，具有較高含量的卵石及漂石，較大的孔隙度、滲透率，較松散的結(jié)構(gòu)比，較低的黏聚力[4-5]。砂卵石地層在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中受頂推和旋轉(zhuǎn)切削作用將不可避免地發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)重新分布，易引起地層損失和圍巖擾動(dòng)，給隧道結(jié)構(gòu)安全以及周邊地層穩(wěn)定構(gòu)成較大危害，尤其是對(duì)于盾構(gòu)近距離側(cè)穿、下穿建（構(gòu)）筑物工程，有效控制地表沉降是首要亟待解決的技術(shù)難題[6-7]。本文以地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有老舊民房片區(qū)工程為研究對(duì)象，建立了盾構(gòu)下穿既有房屋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)施工對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，分析了既有房屋結(jié)構(gòu)變形和受力狀態(tài)，并結(jié)合工程實(shí)踐總結(jié)了地層擾動(dòng)變形控制技術(shù)，為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

本文選擇盾構(gòu)區(qū)間段的某一小區(qū)作為研究對(duì)象，該小區(qū)無地下室，地上建筑結(jié)構(gòu)形式為混合結(jié)構(gòu)，樓板及屋面板采用預(yù)制板。左線盾構(gòu)隧道與既有民房結(jié)構(gòu)水平重疊2.3～3.2 m，豎向凈距10.89～12.43 m。工程標(biāo)段區(qū)間隧道洞身基本位于密實(shí)卵石土中，該巖層顏色呈灰色、灰黃色；巖層質(zhì)感密實(shí)、飽和；卵石粒徑20～150 mm，粉細(xì)砂充填，卵石成分主要為石英巖、花崗巖，呈圓狀、亞圓狀；層厚1.3～8.9 m，呈層狀廣泛分布于基巖之上。工程標(biāo)段區(qū)間的地下水豐富，主要為填土層的上層滯水、第四系砂卵石層的孔隙水、基巖裂隙水。

2" 數(shù)值模擬

2.1" 基本假設(shè)條件

盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有建筑物擾動(dòng)數(shù)值模型采用地層-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算方法。在破壞準(zhǔn)則上，土體采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則，房屋結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)考慮在彈性范圍內(nèi)工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。在邊界條件上，模型底部施加豎向固定約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)施加扭轉(zhuǎn)約束。

2.2" 計(jì)算參數(shù)

模型的工程相對(duì)位置和網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型中地層尺寸為120 m×200 m×27 m，地層自淺而深分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、密實(shí)砂卵石和強(qiáng)風(fēng)化泥巖。房屋建筑三維尺寸為70 m×40 m×21 m，隧道直徑8.3 m，兩者在水平面上重疊3 m。模型中地層、盾構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)見表1。

2.3" 模擬結(jié)果分析與討論

圖2分別展示了隧道下穿淺基民房施工過程中巖土層及房屋結(jié)構(gòu)的沉降變形及水平位移情況。由圖可知，既有民房結(jié)構(gòu)與左線盾構(gòu)隧道投影的重疊區(qū)域發(fā)生了顯著隆起抬升現(xiàn)象，隆起強(qiáng)度沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向逐步降低，由下穿區(qū)域向非下穿區(qū)域逐步降低。既有房屋結(jié)構(gòu)沉降變形在樓板、墻體與地面相連的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處的強(qiáng)度最大。相對(duì)遠(yuǎn)離隧道的右側(cè)房屋區(qū)域沒有發(fā)生明顯的水平位移情況，民房結(jié)構(gòu)水平變形位置主要集中在相對(duì)靠近隧道的左側(cè)房屋區(qū)域的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處，且距離隧道越近，水平位移越大。

圖3展示了隧道下穿淺基民房施工過程中沉降-位移變形情況。在距離民房建筑垂直地下空間10 m處，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)開始對(duì)房屋結(jié)構(gòu)沉降產(chǎn)生明顯影響。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，房屋建筑沉降量展露出指數(shù)級(jí)增長趨勢，房屋結(jié)構(gòu)沉降變形最大值（約0.5 mm）出現(xiàn)在下穿建筑物中軸線（掘進(jìn)距離105 m）附近。隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘行，房屋建筑沉降量開始逐漸減小直至盾構(gòu)駛出民房建筑垂直地下空間，此后房屋結(jié)構(gòu)沉降變形將持續(xù)保持平穩(wěn)。房屋結(jié)構(gòu)的水平位移變形在整個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中呈S型增長趨勢。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)在距離民房建筑垂直地下空間50 m處就已經(jīng)開始對(duì)房屋結(jié)構(gòu)水平變形產(chǎn)生了明顯影響，該時(shí)間節(jié)點(diǎn)顯著早于能影響沉降變形的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，房屋建筑水平位移增長速率逐漸加快；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至下穿建筑物中軸線時(shí)，房屋建筑水平位移增長速率進(jìn)一步提升；當(dāng)盾構(gòu)駛出民房建筑垂直地下空間時(shí)，房屋建筑水平位移將保持穩(wěn)定。既有房屋結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.3 mm，發(fā)生在盾構(gòu)施工完成時(shí)。

3" 工程措施

3.1" 加固措施

圖4展示了區(qū)間隧道與既有結(jié)構(gòu)的加固措施方案，盾構(gòu)區(qū)間穿越既有民房結(jié)構(gòu)區(qū)間采用鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內(nèi)注漿3種加固措施來減少圍巖變形、地層損失和地面沉降。其中，鋼管隔離樁采用直徑219 mm鋼管，隔離樁之間相距0.35 m，隔離樁長度均深入隧道底以下1 m左右。地面跟蹤注漿加固一般采用φ48 mm袖閥管，間距定為1.5 m×1.5 m，注漿材料為水泥單液漿，注漿壓力及注漿量是根據(jù)盾構(gòu)過程中的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行反饋調(diào)控的。洞內(nèi)注漿加固采用長度一般不小于2.5 m的φ42 mm的鋼花管，加固范圍是為隧道拱頂225°外擴(kuò)3 m區(qū)域。注漿材料采用水泥單液漿，并預(yù)備速凝材料以供特殊緊急情況使用，注漿壓力0.8 MPa，注漿量為22 m3。

3.2" 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)過程中需要設(shè)定適當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)參數(shù)并進(jìn)行嚴(yán)格控制，其中主要包括：刀盤配置、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、千斤頂總推力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、外加劑選擇及注入量等。同時(shí)在施工過程中通過對(duì)刀盤面板土壓力和土艙壓力、出土量及出土狀態(tài)進(jìn)行密切觀察和記錄，將數(shù)據(jù)反饋到盾構(gòu)控制中心，及時(shí)調(diào)整或優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。在盾構(gòu)下穿施工段中，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 r/min，注漿量設(shè)定為13 m3/環(huán)；土倉壓力控制在0.9～1.7 bar，平均值為1.1 bar；工作壓力控制在200～250 bar，平均值為220 bar；總推力控制在30 800～48 800 kN，平均值為39 200 kN；刀盤扭矩控制在7 800～15 600 kN·m，平均值為11.5 kN·m；螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制在9.4～13.6 r/min，平均值為11.89 r/min；超（欠）方控制在-4～3 m3/環(huán)；渣土重量控制在210～230 t/環(huán)，平均值為214 t/環(huán)；掘進(jìn)速度控制在60～98 mm/min，平均值為82.3 mm/min。

3.3" 監(jiān)控量測

在盾構(gòu)施工及相關(guān)輔助施工（如地基加固、地層同步補(bǔ)償注漿等）過程中，對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示。圖6展示了盾構(gòu)下穿過程中建筑物代表性節(jié)點(diǎn)的沉降時(shí)態(tài)曲線，由圖可知，距離盾構(gòu)隧道較近的房屋結(jié)構(gòu)易發(fā)生沉降現(xiàn)象，距離盾構(gòu)隧道較遠(yuǎn)的房屋結(jié)構(gòu)則易發(fā)生隆起現(xiàn)象。在下穿建筑物起點(diǎn)至其中軸線區(qū)段，建筑物沉降現(xiàn)象變化較為明顯；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)過建筑物中軸線后，建筑物沉降總體保持穩(wěn)定不變。整體來看，盾構(gòu)下穿對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)對(duì)其沉降的影響很小，基本控制在5 mm以下，符合沉降控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

4" 結(jié)論

1）下穿過程中，隧道掘進(jìn)面對(duì)既有房屋結(jié)構(gòu)沉降變形、水平變形、傾斜變形產(chǎn)生明顯影響的初始掘進(jìn)位置有差異。隧道掘進(jìn)面在距離民房建筑垂直地下空間50 m處開始產(chǎn)生水平變形影響，10 m處產(chǎn)生沉降變形影響。

2）下穿過程中，既有房屋結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)形變主要集中在下穿房屋區(qū)域的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)處，并且房屋結(jié)構(gòu)的沉降、水平隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)展現(xiàn)出了不同的形變規(guī)律。沉降量關(guān)于下穿房屋的中軸線呈非完全對(duì)稱分布，而水平位移則呈S型增長趨勢，其變化趨勢拐點(diǎn)均與房屋中軸線相關(guān)。

3）對(duì)于富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿既有房屋結(jié)構(gòu)工程，建議采用鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內(nèi)注漿組合加固措施來控制既有房屋結(jié)構(gòu)的水平位移及沉降。

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