沿海地區(qū)大直徑盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)及沉降控制

張鳳龍

(津?yàn)I城際鐵路有限責(zé)任公司，天津 300450)

0 引言

濱海地區(qū)地下工程一般位于地層的淺層，而這一地層大多以淤泥質(zhì)土為主，靈敏度高，強(qiáng)度低，極易發(fā)生蠕動(dòng)和擾動(dòng)。盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)相對(duì)較大，對(duì)其周邊建筑物的影響是客觀存在的，尤其是大直徑盾構(gòu)在濱海地區(qū)地層中掘進(jìn)，影響更為明顯。為避免過(guò)量變形對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，必須采取合理的措施對(duì)建筑物進(jìn)行保護(hù)。

一般來(lái)說(shuō)，保護(hù)措施分為地面措施和洞內(nèi)措施兩大類，地面措施包括直接針對(duì)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固的措施、針對(duì)建筑物基礎(chǔ)的加固措施以及隔離防護(hù)措施等;洞內(nèi)措施包括合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、合理實(shí)施同步注漿、及時(shí)進(jìn)行二次(多次)注漿以及深孔二次注漿等。實(shí)際施工中，必須根據(jù)建筑物與隧道的位置關(guān)系、建筑物的結(jié)構(gòu)形式、允許變形值以及土體性質(zhì)、土體變形狀況等方面的情況，并綜合考慮環(huán)境條件，選用合適的加固方式。

在京津城際延伸線，采用了在盾構(gòu)到達(dá)前進(jìn)行地面預(yù)注漿加固、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)調(diào)整控制施工參數(shù)，并進(jìn)行合理的同步注漿和二次注漿、盾構(gòu)通過(guò)后及時(shí)進(jìn)行地面跟蹤補(bǔ)償注漿和洞內(nèi)深孔注漿等措施，對(duì)鄰近建筑物進(jìn)行全過(guò)程保護(hù)，效果良好。

1 工程概況

1．1 隧道的地理位置及設(shè)計(jì)

京津城際延伸線是構(gòu)建濱海新區(qū)與北京、天津快速便捷通道，自天津站引出，并行津秦客運(yùn)專線，經(jīng)塘沽站，向南引入濱海新區(qū)商務(wù)核心區(qū)于家堡，線路全長(zhǎng)45 km，按照時(shí)速350 km/h 標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。為保護(hù)環(huán)境、降低對(duì)城市的影響，線路在塘沽站和于家堡站間采用地下隧道的形式，單洞雙線，用一臺(tái)直徑為12 m的氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)50 m，主機(jī)長(zhǎng)11．88 m，主機(jī)及其后配套設(shè)備總質(zhì)量約1 600 t，裝機(jī)總功率為3 960 kW，最大總推力14 萬(wàn)kN，最大掘進(jìn)速度60 mm/min，最小轉(zhuǎn)彎半徑350 m，盾構(gòu)機(jī)總體采用法國(guó)NFM 技術(shù)制造。

1．2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

盾構(gòu)隧道覆土厚度8 ～16 m，主要為全新統(tǒng)人工填土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等;隧道開挖范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土等。淤泥質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈黑灰色、流塑狀態(tài)，土體較敏感，雜填土以建筑垃圾為主，松散，夾大量小石塊。土壤最大凍結(jié)深度0．7 m;標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0．6 m。地下水受基底構(gòu)造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進(jìn)、海退等綜合因素的影響，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ陸相層及以下粉砂及粉土的地下水具有微承壓性，為微承壓水。

1．3 地面環(huán)境

盾構(gòu)隧道縱貫整個(gè)解放路商業(yè)街，約占掘進(jìn)總長(zhǎng)的2/3，商業(yè)街兩側(cè)為多種形式緊密排列的高層建筑物，部分建筑物建成時(shí)間至今已超過(guò)30 a。

據(jù)清華大學(xué)對(duì)盾構(gòu)沿線建筑物的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的檢測(cè)鑒定，沿線建筑物的允許沉降值15 ～100 mm，允許差異沉降值4 ～14 mm，經(jīng)評(píng)定，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)共有26 處，其中，極高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)8 處，高度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)5 處，中度風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)11處，在盾構(gòu)施工期間，必須采取措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)建筑物進(jìn)行保護(hù)。受環(huán)境條件的制約，傳統(tǒng)的保護(hù)方法均無(wú)法實(shí)施，如何根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的特點(diǎn)和環(huán)境條件對(duì)建筑物實(shí)施合理的保護(hù)，是工程的一大難點(diǎn)。

2 對(duì)建筑物的保護(hù)措施及沉降控制

2．1 地面沉降原因

大直徑泥水盾構(gòu)施工引起地面沉降的原因主要來(lái)自以下3 個(gè)方面:

(1)超挖引起地面沉降。主要包括盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸引起的超挖和糾偏引起的超挖。從盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，刀盤直徑為11．97 m，前盾直徑為11．87 m，尾盾直徑為11．8 m，管片外徑為11．6 m;對(duì)于糾偏來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)在曲線中掘進(jìn)，或糾偏掘進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際開挖斷面不是圓形而是橢圓形，造成實(shí)際開挖大于設(shè)計(jì)尺寸。

(2)地層固結(jié)引起地面沉降。由于盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中擠壓作用和盾尾注漿作用等因素，使周圍地層形成超孔隙水壓區(qū)，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能消散復(fù)原，在此過(guò)程中因地層發(fā)生排水固結(jié)變形引起地面沉降。

(3)地層損失引起地面沉降。主要包括開挖面土體的移動(dòng)、盾尾空隙引起的沉降以及襯砌變形和沉降三個(gè)方面。第一，當(dāng)隧道掘進(jìn)時(shí)，開挖面土體的水平支護(hù)應(yīng)力可能大于或小于原始側(cè)壓力，開挖面前方土體會(huì)產(chǎn)生隆起或下沉。第二，由于向盾尾后面隧道外圍建筑空隙中壓漿不及時(shí)、注漿量不足、壓漿壓力不易把握等原因，使盾尾后坑道周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài)，引起地層損失。第三，在土壓力作用下，隧道襯砌產(chǎn)生的變形也會(huì)引起少量地層損失，當(dāng)隧道襯砌沉降較大時(shí)會(huì)引起不可忽略的地層損失。

2．2 沉降趨勢(shì)及沉降量預(yù)測(cè)

沉降預(yù)測(cè)對(duì)于制定合理的保護(hù)措施具有重要的意義。對(duì)于沉降趨勢(shì)及沉降量預(yù)測(cè)主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、離心模型試驗(yàn)和有限元法。就目前研究狀況而言，不論何種預(yù)測(cè)方法都有其局限性，經(jīng)驗(yàn)公式法較為便捷，但預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性相對(duì)較差，離心模型試驗(yàn)和有限元法準(zhǔn)確性較經(jīng)驗(yàn)公式要高，但操作較為復(fù)雜，不便于普遍推廣運(yùn)用。同時(shí)，由于盾構(gòu)施工中，地層的復(fù)雜性、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及注漿參數(shù)的多變性，也更增加了采用離心模型試驗(yàn)和有限元法預(yù)測(cè)工作的難度。因此，經(jīng)驗(yàn)公式法在實(shí)際施工中運(yùn)用較為廣泛，目前國(guó)內(nèi)較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)公式大多是在Peck 公式的基礎(chǔ)上修正的。根據(jù)日本國(guó)內(nèi)1965 年以來(lái)所發(fā)表的文獻(xiàn)整理的74 例因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的沉降槽的事例，與Peck 的沉降槽驚人的一致，我國(guó)對(duì)北京、上海等地區(qū)的盾構(gòu)工程實(shí)例也進(jìn)行了分析，其沉降槽也與Peck 完全相符。P．B．Peck 提出的描述盾構(gòu)施工地表沉降的公式為

式中，S(x)為地面沉降量沿橫向的分布;x 為所求沉降點(diǎn)距盾構(gòu)中心線的水平距離;δmax為沿盾構(gòu)掘進(jìn)中線的最大地面沉降。

式中，vs為地面沉降體積;i 為沉降槽寬度系數(shù)，i = H/［tan(45° - φ/2)］;φ 為各土層加權(quán)平均后的摩擦角;H 為地面至隧道中心的深度。

因此，在京津城際延伸線，也主要采用了較為方便的Peck 公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且通過(guò)施工監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正后，用于指導(dǎo)后期施工及對(duì)建筑物的保護(hù)，操作簡(jiǎn)單，效果較好。

2．3 沉降階段劃分及各階段沉降量統(tǒng)計(jì)

對(duì)盾構(gòu)施工引起的沉降劃分階段，并估算各階段沉降值所占比例，對(duì)于分析了解各種因素引起的地表沉降機(jī)理和制定應(yīng)對(duì)措施非常重要。一般來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)施工地表沉降可劃分為5 個(gè)階段，即盾構(gòu)到達(dá)前地表沉降、盾構(gòu)到達(dá)時(shí)地表沉降、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)地表沉降、盾尾沉降和后續(xù)沉降。對(duì)于不同的地層、不同類型的盾構(gòu)、不同的埋深以及不同的環(huán)境條件所引起的各階段沉降量是各不相同的。在京津城際延伸線，12 m 大直徑泥水盾構(gòu)位于成分相對(duì)復(fù)雜的淤泥質(zhì)地層，埋深8 ～16 m，盾構(gòu)上方為城市交通主干道或步行街，其早期施工地面沉降分階段統(tǒng)計(jì)情況如表1。

表1 盾構(gòu)施工地表沉降分階段統(tǒng)計(jì) mm

從控制沉降的措施方面來(lái)說(shuō)，前方沉降、開挖面沉降、通過(guò)沉降和盾尾沉降這四個(gè)階段的沉降占總沉降量的76．01%，是必須通過(guò)地面加固的方式來(lái)控制的，如果洞內(nèi)措施能及時(shí)跟進(jìn)，可對(duì)地面加固的效果予以補(bǔ)充;后續(xù)沉降占總沉降量的23．99%，則可以通過(guò)洞內(nèi)加固的方式來(lái)控制。

2．4 保護(hù)措施思路的確定

保護(hù)措施是根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果并結(jié)合沉降原因，同時(shí)考慮各階段沉降量來(lái)制定的。

通常，選擇對(duì)建筑物的保護(hù)措施會(huì)優(yōu)先考慮洞內(nèi)措施，但洞內(nèi)措施是帶有滯后性特點(diǎn)的。由于濱海地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性，地面變形過(guò)于敏感，同時(shí)基于對(duì)沉降原因的分析對(duì)沉降趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和對(duì)沉降階段的統(tǒng)計(jì)，因此，單純的洞內(nèi)措施滿足不了對(duì)建筑物保護(hù)的要求，濱海地區(qū)大直徑盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的保護(hù)必須采取地面措施。地面措施主要有兩種作用效果:第一，完全抵抗地層變形對(duì)建筑物的影響，即不允許建筑物產(chǎn)生絲毫變形，盾構(gòu)施工不能對(duì)建筑物產(chǎn)生影響。第二，在可承受范圍內(nèi)，接受地層變形對(duì)建筑物影響，然后進(jìn)行控制和補(bǔ)償，即允許建筑物產(chǎn)生一定量的變形，然后再采取簡(jiǎn)單易行的綜合措施控制住變形的進(jìn)一步發(fā)展，使變形不再威脅建筑物的安全。相比而言，第二種作用效果操作較為靈活，受環(huán)境制約較小，且費(fèi)用較低，但風(fēng)險(xiǎn)較大。

在京津城際延伸線，主要采用了第二種作用效果，對(duì)建筑物保護(hù)的總體思路是:首先通過(guò)采取地面措施，減緩地面及建筑物的變形，并確?？刂谱冃卧诳沙惺芊秶畠?nèi)，直至盾構(gòu)通過(guò)并具備采取洞內(nèi)措施的條件，然后，通過(guò)及時(shí)實(shí)施洞內(nèi)措施對(duì)地層損失進(jìn)行補(bǔ)償，從而控制地面及建筑物的進(jìn)一步變形，或?qū)ψ冃屋^大的部位實(shí)施針對(duì)性回彈。

2．5 地面加固保護(hù)措施

傳統(tǒng)的地面措施一般有:對(duì)已有建筑物進(jìn)行加固、對(duì)兩者中間地基采取隔斷、地基改良等三個(gè)方面。主要做法就是直接加固已有建筑物來(lái)提高剛度的方法、支承已有建筑物通過(guò)托換將支持層轉(zhuǎn)移到下部的方法等，以及地基強(qiáng)化、改良防護(hù)以及隔斷地基變形等。不論在何種情況下，地面措施的選取都必須考慮相鄰建筑物的密集程度、現(xiàn)場(chǎng)制約條件、既有建(構(gòu))筑物的重要程度以及地質(zhì)條件等，綜合評(píng)價(jià)施工性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)工期、環(huán)境影響等。采取的措施必須經(jīng)濟(jì)合理，行之有效。在京津城際延伸線，由于受環(huán)境條件限制，最為可行的保護(hù)措施就是隔斷地基變形。而采用隔斷法也有多種形式，如鉆孔隔離樁、地下連續(xù)墻、冷凍法、注漿等等，經(jīng)過(guò)充分比選，最終采用了目前被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最可靠的注漿工法——袖閥管地面注漿法。主要做法為:在需要保護(hù)的建筑物與盾構(gòu)隧道之間打設(shè)3 ～5 排注漿孔，排距0．5 m，孔距0．75 m，孔位呈梅花形布置，開孔直徑為110 mm，孔內(nèi)預(yù)置Φ50 mm PVC 袖閥管。根據(jù)條件，注漿孔可直打，也可以設(shè)置一定角度斜打。袖閥管長(zhǎng)度為至破裂面以下至少3 m。在盾構(gòu)到達(dá)前，預(yù)先壓注水泥漿液。在盾構(gòu)通過(guò)期間，根據(jù)地表和建筑物沉降的情況，實(shí)施跟蹤補(bǔ)充注漿。

在注漿材料側(cè)選擇上，對(duì)于普通水泥來(lái)說(shuō)，因其顆粒較大，滲透能力有限，一般只能深入大于0．1 mm的裂隙。經(jīng)注漿試驗(yàn)取芯結(jié)果證明，在濱海淤泥質(zhì)地層條件下，采用普通水泥注漿，漿液擴(kuò)散很難控制，基本形成不了均勻的固結(jié)體。對(duì)于超細(xì)水泥，其化學(xué)成分與性質(zhì)和水泥類似，其粒徑小于10 μm 占到90%以上，平均粒徑僅4 μm 左右，比表面積在600 ～800 m2/kg 以上，這一性質(zhì)使超細(xì)水泥漿液具有良好的可注性。用超細(xì)水泥制備的漿液經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，具有良好的物理力學(xué)特性。漿液黏度在同樣水灰比的情況下比普通水泥漿液黏度低。漿液穩(wěn)定性好，齡期3 d 的結(jié)石強(qiáng)度可達(dá)25 MPa 以上，91 d 齡期可達(dá)62 MPa。注入能力與脲醛樹脂和木質(zhì)素化學(xué)漿液相似，其強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于這些化學(xué)材料。因此在注漿材料的選擇上，考慮到滲透固結(jié)效果，超細(xì)水泥是最為理想的，而普通水泥注漿形成的壓密、劈裂效果可對(duì)滲透固結(jié)產(chǎn)生的隔離效果予以加強(qiáng)，并在一定程度上降低成本。因此，采用了將兩種漿液結(jié)合的方式，即:靠近隧道一側(cè)的1 ～2 排壓注超細(xì)水泥，靠近建筑物一側(cè)的1 ～2 排壓注普通水泥。注漿系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 注漿系統(tǒng)示意圖

注漿施工要點(diǎn)如下:①嚴(yán)格按注漿配合比進(jìn)行漿液配制，隨時(shí)量測(cè)漿液比重。②注漿過(guò)程中漿液要連續(xù)攪動(dòng)，防止水泥沉淀。③每段注漿量必須準(zhǔn)確控制。當(dāng)壓力突然上升或漿液從孔壁、地面溢出時(shí)，應(yīng)立即停止注漿。④注漿過(guò)程中，容易發(fā)生相鄰孔串漿地現(xiàn)象，這時(shí)，可關(guān)閉該串漿孔繼續(xù)注漿，若發(fā)生頻繁，應(yīng)加大鉆孔與在注漿孔的間隔或鉆一孔注一孔，減少串漿現(xiàn)象。⑤注漿過(guò)程中，如跑、漏漿現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，可通過(guò)間歇注漿或通過(guò)調(diào)整漿液配比縮短凝膠時(shí)間的方法進(jìn)行封堵，無(wú)效時(shí)，暫停該孔注漿，分析原因后采取其它措施。⑥地面預(yù)注漿施工必須在盾構(gòu)到達(dá)前30 d 完成。

2．6 洞內(nèi)措施

經(jīng)過(guò)地面預(yù)注漿加固的建筑物，比一般建筑物對(duì)變形的反應(yīng)要滯后，且變形值大大減小，因此，地面注漿加固可在一定期間內(nèi)保護(hù)建筑物的變形不會(huì)超出限值，保證建筑物的安全。根據(jù)京津城際延伸線統(tǒng)計(jì)，這一安全期間一般可達(dá)到8 d 以上，為進(jìn)一步采取后續(xù)保護(hù)措施提供了可能(如果變形過(guò)快，后續(xù)措施就跟不上了)。但是，一旦后續(xù)措施長(zhǎng)時(shí)間不能跟上，則后期徐變?nèi)匀粫?huì)造成建筑物變形超限，因此，洞內(nèi)措施作為控制后期徐變的主要措施及時(shí)跟進(jìn)是非常必要的。洞內(nèi)措施一般有控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿、二次注漿、深孔加強(qiáng)注漿等，均為成熟技術(shù)，在此不做詳述。需指出的是，同步注漿是補(bǔ)償?shù)貙訐p失最及時(shí)最有效的措施，應(yīng)充分重視同步注漿的漿液配合比的設(shè)計(jì)，有效發(fā)揮其填充作用。

3 實(shí)施效果

通過(guò)將多種措施合理運(yùn)用，京津城際延伸線大直徑盾構(gòu)隧道順利通過(guò)了多處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)建筑物，按照清華大學(xué)對(duì)建筑物評(píng)估指標(biāo)，最小允許差異沉降為4 mm，實(shí)際最大差異沉降為1．5 ～2．8 mm，且歷經(jīng)6 d 以上的時(shí)間，建筑物安全可控。詳見表2。

表2 盾構(gòu)已經(jīng)過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)建筑物沉降情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的影響因素復(fù)雜，且很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，采用單一的保護(hù)措施，也很難達(dá)到理想的效果，比較可靠的方法就是多種措施結(jié)合進(jìn)行全過(guò)程防護(hù)。

(2)大直徑盾構(gòu)施工中對(duì)鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于因土體擾動(dòng)而導(dǎo)致的地層沉降，因此在保護(hù)措施的制定中沉降控制是關(guān)鍵。

(3)在進(jìn)行保護(hù)措施設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮沉降的時(shí)空效應(yīng)，建筑物的變形到某一個(gè)限值一般會(huì)有一個(gè)過(guò)程，通過(guò)采取措施，將這一過(guò)程合理延長(zhǎng)，可降低保護(hù)施工難度，節(jié)約工程成本。

(4)京津城際延伸線在施工前對(duì)建筑物進(jìn)行了充分合理的評(píng)估，并充分分析原因、進(jìn)行預(yù)測(cè)，為指導(dǎo)各項(xiàng)保護(hù)措施的制定和實(shí)施起到了關(guān)鍵的作用。

受條件制約，洞內(nèi)措施可實(shí)施的保護(hù)措施比較單一，其技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，在業(yè)內(nèi)也已形成共識(shí)，實(shí)際施工中只需將有關(guān)參數(shù)適當(dāng)調(diào)整，即可有效實(shí)施。地面措施則有較大的實(shí)施空間，但受環(huán)境條件影響較大，對(duì)于每一處建筑物，都可以產(chǎn)生多種有效地保護(hù)措施，如何根據(jù)具體情況實(shí)施更加合理的保護(hù)，還需要長(zhǎng)期的探索。

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