盾構(gòu)施工下穿建筑樁基的影響研究

岳鵬飛,戴 泉,何 炬

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團鄭州設(shè)計院,鄭州 430071；3.中鐵工程設(shè)計咨詢集團城交院,北京 100055)

隨著城市的發(fā)展,傳統(tǒng)的地面交通難以滿足人們出行的需求,交通擁堵已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的一大痼疾,而地鐵以其高效率,低能耗,充分利用城市空間等優(yōu)點[1]成為大中城市解決城市交通擁堵的首選。而越是需要解決交通擁堵的區(qū)域越是地面建筑繁多的地區(qū),由此不可避免地出現(xiàn)大量地鐵鄰接既有建筑施工的情況。盾構(gòu)法以其獨特的優(yōu)勢成為目前城市地鐵施工中普遍采用的方法,但仍不可避免對土體造成擾動,如何在設(shè)計中采取必要且有效的措施來控制地鐵施工對建筑物的影響,是設(shè)計單位要研究的重要問題之一。

地鐵施工對建筑物的影響不單是隧道工程或巖土工程的問題,它是隧道-土體-建筑物共同作用的結(jié)果,由于其結(jié)構(gòu)的三維特性,施工方法的差異性,很難確切計算隧道開挖對結(jié)構(gòu)的影響,目前的研究主要采取模型試驗和數(shù)值模擬的方法[2]。本工程中采用數(shù)值模擬的手段,分析盾構(gòu)對建筑物的影響,以及驗證設(shè)計措施的效果。

1 工程概況

以深圳地鐵5號線DK6+199～DK6+301(右線里程)穿越寶安區(qū)某住宅小區(qū)為研究背景。建筑物基礎(chǔ)采用φ480 mm灌注樁,每根樁的承載力為600 kN,樁體有效長度17 m。樁底距離隧道拱頂約為4 m。樁基布置在建筑物四周,共3排,橫向間距3.5 m,縱向間距4.4 m,其中前后2排各5根,中間1排2根。盾構(gòu)隧道實際開挖過程中,線路從建筑物下方偏左的位置穿過,位于左側(cè)第2列樁基正下方。隧洞開挖外徑6.28 m,內(nèi)徑5.4 m,管片厚度0.3 m,管片外為注漿層,管片寬度1.5 m。建筑樁基與隧道位置立面見圖1。

圖1 隧道與建筑樁基礎(chǔ)位置立面(單位：m)

2 數(shù)值計算模型

由于建筑基礎(chǔ)為樁基,上部結(jié)構(gòu)與樁基的協(xié)同作用對土體產(chǎn)生的約束很小,擬通過樁基的受力與變形特性來反應開挖對上部結(jié)構(gòu)的影響程度。即將上部建筑與樁基分開考慮,使建筑物的荷載直接作用于樁頂,從而簡化模型。各層土體物理力學特性見表1。

表1 地層主要物理力學指標

模型寬50 m,高34 m,長30 m,隧道中間布置,建筑物與隧道相對位置按實際工況布置,樁基位置距離初始開挖面3 m。三維計算模型見圖2。隧道施工過程分20步開挖,每步1環(huán),每環(huán)1.5 m,每一施工步包含著開挖土體、拼裝管片、壁后注漿幾個工序,如此循環(huán),直至整個施工完成。

圖2 三維計算模型

3 盾構(gòu)施工引起的地基沉降分析

地層沉降的主要原因在于施工過程中引起的地層損失和經(jīng)擾動后的土體的再固結(jié)。

而樁基的沉降[3]主要因素有：(1)樁周土下沉產(chǎn)生的負摩阻力導致的樁基下沉;(2)隧道下穿樁基時造成基底土體的沉降以及由此造成樁端承載力的下降而引起的樁基沉降;(3)土體側(cè)向移動引起的樁基的側(cè)向變形產(chǎn)生的沉降。

本文選取建筑物中間位置地面變形為研究對象,根據(jù)不同的開挖步繪制地表橫向沉降曲線。圖3為加固前樁基荷載作用下不同施工步的建筑物橫向沉降曲線。

圖3 加固前建筑物橫向沉降曲線

從地表橫向沉降曲線變化圖不難看出,在盾構(gòu)掘進的開始階段,建筑物范圍內(nèi)地表沉降較為均勻,隨著開挖的不斷推進,地面各點的沉降逐漸以隧道軸線位置為中心產(chǎn)生不均勻沉降。而豎向沉降量隨著開挖的進行表現(xiàn)出先大后小的變化規(guī)律,并最終趨于穩(wěn)定,沉降主要發(fā)生在隧道中心左右10 m范圍內(nèi),占總沉降的80%,沉降曲線接近Peck[4]曲線。

同時,選取第1排樁沉降值為考察對象,如圖4所示,其中樁號按從左往右的順序排列。從沉降曲線可以看出,樁基的沉降大致與地表土體沉降規(guī)律一致,但在上部荷載作用下其最終沉降量略大。

圖4 第1排樁基不同施工步橫向沉降曲線

這種沉降規(guī)律對于上部建筑物來說,在開挖的初始階段,建筑物隨著土體均勻沉降,上部結(jié)構(gòu)變形較小,不會產(chǎn)生拉、壓破壞。而隨著開挖的推進,后方土體逐漸固結(jié)穩(wěn)定,由于擾動程度不同,其最終沉降量表現(xiàn)為差異沉降,此時建筑物很容易產(chǎn)生受拉或受壓破壞。因此根據(jù)預測沉降量,設(shè)計考慮采用加固措施保護建筑物。

4 風險控制措施分析

隧道開挖過程中無論采用何種工法難免會對土體產(chǎn)生擾動,土體的變化又必然會影響樁基礎(chǔ)的受力特性,從而對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響[5]。根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果,如盾構(gòu)采用一般參數(shù)正常推進,將造成該建筑物不均勻沉降超限,進而危及建筑物安全及使用,為此必須要考慮下穿建筑物的影響。

目前下穿建筑物的處理措施主要以下幾種：

(1)在選線時盡量繞避建筑物及管線；

(2)地面采取主動措施對建筑物進行加固；

(3)施工時采取洞內(nèi)加強注漿、調(diào)整盾構(gòu)機掘進參數(shù)等洞內(nèi)措施；

(4)拆除建筑物,異地重建,或地鐵施工后原地重建。

在本工程中,該小區(qū)位于線路轉(zhuǎn)彎段,不可避免要下穿部分小區(qū),調(diào)線方案不可實施；拆除方案適用于小型建筑物,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較,如拆遷難度小,且費用低于加固費用可以考慮拆遷,本工程為入住10年以上的成熟大型居民小區(qū),拆除方案不適用。

繼續(xù)對比洞內(nèi)加固方案與地面加固方案,如采用洞內(nèi)加固,超前注漿施做對盾構(gòu)施工有干擾,壁后注漿作為補充,對控制沉降作用有限。

如采用地面注漿方案,對建筑物樁基周邊土體進行加固,可提高地基承載力、加強周邊土體對樁基的摩擦力以及加強盾構(gòu)通過區(qū)域土體的整體性,且注漿工藝成熟,加固效果較理想。經(jīng)過現(xiàn)場考察,該小區(qū)物業(yè)同意地面注漿加固方案,也提供現(xiàn)場作業(yè)條件。

經(jīng)上述分析,最終采取地面深孔加固方案。

在地面采取預注水泥-水玻璃雙液漿,沿隧道軸線方向在地面先外側(cè),后內(nèi)側(cè),間隔鉆孔注漿。注漿壓力控制在1.0～2.0 MPa,注漿結(jié)束標準為當單孔注漿終壓達到2.0 MPa,持續(xù)20 min,吸漿量很少或不吸漿時,結(jié)束注漿,注漿后地面建筑物實際監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 加固后建筑物橫向沉降曲線

在采用深孔加固措施后,隧道目前安全下穿通過該居民區(qū)。

5 結(jié) 論

通過對建筑物等風險源的數(shù)值模擬、加固方案及加固效果對比,得出以下幾點結(jié)論。

(1)盾構(gòu)從樁基以下通過時,樁基隨土體一起下沉,沉降規(guī)律大致與地表土體沉降規(guī)律一致,都表現(xiàn)為槽形不均勻沉降,但樁基在上部荷載作用下其最終沉降量較土體沉降略大。因此，當沉降量超過允許沉降值時需對地基做加固處理。

(2)對于隧道開挖斷面分布的樁基礎(chǔ),距隧道越近,受到的影響越大。樁基礎(chǔ)在隧道開挖的過程中有向隧道偏移的趨勢,應該引起足夠的重視。

(3)通過盾構(gòu)施工引起地表沉降理論分析和監(jiān)測結(jié)果對比,驗證設(shè)計措施對建筑物保護的有效性,為今后類似風險工程的處理提供一定的參考。

[1] 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 戴泉.地鐵盾構(gòu)施工與鄰近建筑樁基相互影響的研究[D].蘭州：蘭州交通大學,2010.

[3] 阮林旺,李永盛.軟土盾構(gòu)法施工引起相鄰樁體變形和受力研究[J].隧道及地下工程,1997,18(3):18-23.

[4] Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground[C]∥Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City: State of the Art Report,1969:225-290.

[5] 劉建航,侯學淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國鐵道出版社,1991.