孫 波,肖龍鴿,孫正陽(yáng),殷明倫,羅澤華
(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518026;2.中建南方投資有限公司,廣東 深圳 518026;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;4.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100044)
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,越來(lái)越多的城市開(kāi)始興建地鐵隧道。盾構(gòu)法因其優(yōu)點(diǎn)很多,逐漸成為了城市地下隧道修建的首選工法。然而,在修建的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生下穿既有建(構(gòu))筑物情況。為保證既有建(構(gòu))筑物的安全,盾構(gòu)施工質(zhì)量的控制就顯得相當(dāng)重要。另外,在修建過(guò)程中還會(huì)遇到盾構(gòu)隧道前方遇到建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的情況。
綜合以往的經(jīng)驗(yàn),遇到樁基礎(chǔ)侵入隧道的情況一般從兩方面解決:一方面是考慮調(diào)整線路避開(kāi)樁基礎(chǔ);另一方面是破除樁基礎(chǔ),減少樁基對(duì)盾構(gòu)隧道施工的影響?,F(xiàn)有的破除樁基的方法主要有樁基托換破除原樁、拔樁及沖樁等[1-5]。
樁基托換適用于單一樁且上部結(jié)構(gòu)無(wú)法拆除的情況,原理為:在不影響隧道施工的位置新建樁基礎(chǔ)并通過(guò)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使新建樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)連接,將上部結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)移至新建的樁基礎(chǔ),然后拆除侵入隧道舊樁基礎(chǔ)。該方法多用于盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)橋梁等情況,該方法對(duì)場(chǎng)地的要求較高。
拔樁(或沖樁)適用于上部結(jié)構(gòu)可以拆除且樁基較易拔出(或沖擊至隧道計(jì)劃斷面以下)的情況。其原理為將樁基礎(chǔ)與周圍土體隔離開(kāi)來(lái),然后通過(guò)工程機(jī)械將樁基礎(chǔ)清除,然后回填與周圍性質(zhì)大體相同的土體。
樁基托換、拔樁及沖樁等方法可很大程度上降低樁基礎(chǔ)對(duì)于盾構(gòu)隧道施工及運(yùn)營(yíng)時(shí)的影響。
隨著技術(shù)的發(fā)展,一種新型的施工方法正逐漸地發(fā)展成形,即不進(jìn)行樁基托換,盾構(gòu)直接切削樁體進(jìn)行施工。對(duì)于盾構(gòu)直接切削樁基,國(guó)內(nèi)已有很多實(shí)驗(yàn)。王飛等[6]的實(shí)驗(yàn)證明:通過(guò)對(duì)刀盤(pán)的改造,盾構(gòu)完全可以切削直徑1 200 mm的鋼筋混凝土樁;切樁時(shí)的實(shí)際推進(jìn)速度、推力的波動(dòng)幅度較大,易造成刀具合金的崩裂;切削側(cè)部樁相比切削中部樁對(duì)刀具的損傷更大;在實(shí)際的工程中進(jìn)行應(yīng)用也同樣證明直接切削大直徑樁基是可行的。傅德明[7]關(guān)于上海盾構(gòu)的研究同樣證明通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行改造,并嚴(yán)格控制施工參數(shù),盾構(gòu)可以安全下穿樁基建筑。傅德明[8]關(guān)于盾構(gòu)切削混凝土模擬試驗(yàn)同樣證明,在對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改造的情況下盾構(gòu)直接切削混凝土樁是可行的。該方法不需要增加其他的施工工序,節(jié)約成本,方法簡(jiǎn)單,相比于破除樁基的方法縮短了工期。但對(duì)于盾構(gòu)刀盤(pán)的要求較高,需要根據(jù)不同的情況對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行改裝,還需對(duì)螺旋出土器等其他設(shè)備進(jìn)行一定程度的改裝。
既有研究基本是盾構(gòu)穿越單一樁基,或者盾構(gòu)下穿某棟建筑的幾根樁基,而長(zhǎng)距離、大面積的穿越樁基建筑群、且多根樁基貫入隧道結(jié)構(gòu)以內(nèi)的情況在國(guó)內(nèi)外并不多見(jiàn)。本文以深圳地鐵9號(hào)線盾構(gòu)工程為例,著重研究盾構(gòu)長(zhǎng)距離、大范圍下穿樁基建筑群過(guò)程中的關(guān)鍵施工技術(shù)。
以深圳9號(hào)線大劇院—鹿丹村區(qū)間盾構(gòu)工程為背景,詳細(xì)介紹盾構(gòu)長(zhǎng)距離、大范圍直接切削樁基礎(chǔ)方案的具體施工步驟。
深圳地鐵9號(hào)線工程大劇院—鹿丹村區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,管片外徑為6 000 mm,內(nèi)徑為5 400 mm,線路軌面埋深12~24 m。盾構(gòu)自鹿丹村區(qū)間始發(fā)后先后下穿多棟建筑物,其中主要的即為濱苑小區(qū)9—13號(hào)樓。此建筑群全部為樁基基礎(chǔ),多數(shù)樁基侵入隧道內(nèi)部,不僅嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道的安全施工,而且在隧道施工期間及后期地鐵運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)樓群也會(huì)產(chǎn)生影響。圖1為盾構(gòu)隧道與濱苑小區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系。
圖1 大鹿區(qū)間盾構(gòu)隧道與濱苑小區(qū)位置關(guān)系Fig.1 Relationship between shield tunnel from Grand Theater station to Ludan Village station and Binyuan Residential Quarter
濱苑小區(qū)9—13號(hào)樓采用沉管灌注樁基礎(chǔ),樁的完成直徑為340 mm,設(shè)計(jì)單樁承載力為350 kN,參考樁長(zhǎng)12 m,為端承摩擦樁。建筑物樁基侵入隧道情況如表1所示。
表1 樁基侵入隧道情況Table 1 Foundation piles stretching into construction clearance of Metro tunnel
區(qū)間上覆第四系主要為人工填土,軟土,沖-洪積黏性土、砂土、碎石土以及殘積土,其中人工填土主要為素填土,極個(gè)別有填石,軟土零星分布,沖-洪積砂土、碎石土主要分布于沖溝中,殘積層和全-強(qiáng)風(fēng)化帶,厚度較大。下伏基巖為燕山晚期花崗巖以及震旦系云開(kāi)群混合巖,巖面起伏較大。隧道穿越地層大部分為中微風(fēng)化花崗巖層和礫質(zhì)黏性土層,如圖2所示。
根據(jù)工程的地質(zhì)及樁基侵入隧道的情況,調(diào)線、樁基托換、拔樁及沖樁等方法很難應(yīng)用于大鹿區(qū)間的情況,主要困難如下:1)參考大鹿區(qū)間平面圖,本區(qū)間長(zhǎng)度較短,在符合地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的情況下,調(diào)整線路的方法不能行之有效地避開(kāi)濱苑小區(qū)建筑群[9];2)根據(jù)實(shí)際情況濱苑小區(qū)上部建筑不能拆除,因此拔樁及沖樁的方法并不適用;3)濱苑小區(qū)的樁基礎(chǔ)為沉管灌注樁直徑較小且數(shù)量較多,樁基托換不僅沒(méi)有場(chǎng)地條件且工期較長(zhǎng)。綜合以上條件大鹿區(qū)間下穿樁基決定采用加固建筑物下方土體,而后盾構(gòu)直接切樁下穿建筑物進(jìn)行隧道的方案進(jìn)行施工。
圖2 盾構(gòu)下穿區(qū)地質(zhì)情況Fig.2 Profile of geological conditions
而在本工程中應(yīng)用盾構(gòu)直接切樁下穿建筑物的方案應(yīng)該滿足以下方面的要求。1)保證既有建筑物的安全。在下穿的過(guò)程中必須保證建筑物的各方向偏移都不超出30 mm的警戒值;2)保證盾構(gòu)在下穿區(qū)中能夠持續(xù)安全地推進(jìn)。若盾構(gòu)在下穿區(qū)發(fā)生故障,進(jìn)而長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī),對(duì)建筑的沉降控制是相當(dāng)不利的;3)保證隧道完成后隧道結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)管片脫出盾尾時(shí)部分樁基直接作用于管片上,此時(shí)若還使用普通管片,有可能對(duì)隧道的安全造成影響。
對(duì)于盾構(gòu)下穿時(shí)上部建筑物的安全問(wèn)題,可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)做前期的分析工作。理論計(jì)算主要有2方面:在不同加固效果下單樁承載力是否滿足要求;在不同加固效果下地基梁是否滿足要求。
2.1.1 單樁承載力計(jì)算
根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的巖土層的力學(xué)參數(shù),樁基單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值,按JGJ 1994—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中5.3.5公式計(jì)算:
根據(jù)TB 10002.5—2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,樁軸向受壓的容許承載力
由于盾構(gòu)穿越時(shí)不考慮樁端阻力,因此剩余部分按摩擦樁考慮。地層未加固時(shí)單樁軸向受壓的容許承載力
施工計(jì)劃對(duì)樁基進(jìn)行注漿加固,加固長(zhǎng)度按剩余樁長(zhǎng)計(jì)算,加固效果達(dá)到最佳時(shí),側(cè)極限摩阻力的增強(qiáng)系數(shù)依照規(guī)范中后注漿灌注樁的后注漿側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)取值。地層加固后單樁軸向受壓的容許承載力
同時(shí)計(jì)算當(dāng)加固效果只有最佳效果20%,50%時(shí)單樁軸向受壓的容許承載力
理論計(jì)算認(rèn)為,當(dāng)所有被截除樁基的容許承載力全部滿足設(shè)計(jì)荷載條件時(shí),上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。
2.1.2 地基梁的理論計(jì)算
計(jì)算盾構(gòu)截除樁基對(duì)地基梁的影響。假定上部結(jié)構(gòu)荷載每層的取值,荷載均勻作用于地基梁和承臺(tái)上,淺基礎(chǔ)并不提供承載力。當(dāng)截樁后單樁承載力不滿足設(shè)計(jì)荷載要求時(shí),認(rèn)為樁不能提供反力。
地基梁為雙筋矩形截面梁,相對(duì)受壓區(qū)高度x小于2倍的混凝土保護(hù)層厚度x<2a's,可對(duì)受壓鋼筋A(yù)'s取矩,正截面受彎承載力
分別計(jì)算盾構(gòu)推進(jìn)至不同環(huán)時(shí)相應(yīng)建筑物的地基梁安全情況。
2.1.3 理論計(jì)算結(jié)果分析
地層未加固時(shí)切樁后單樁承載力和地基梁承載力均無(wú)法滿足安全要求,盾構(gòu)切樁可能會(huì)引起建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。從單樁承載力可以看出:當(dāng)土體加固效果提升50%以后,盾構(gòu)切樁后11號(hào)樓所有樁基礎(chǔ)的單樁承載力能滿足設(shè)計(jì)的要求,10號(hào)樓和12號(hào)樓需要加固效果提升100%后,單樁承載力方能滿足要求。由于盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程還會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生擾動(dòng)致使側(cè)摩阻力降低,因此建議11號(hào)樓地基加固效果也要提升至100%。
從地基梁的承載力計(jì)算結(jié)果可知:單樁的破壞并不一定會(huì)導(dǎo)致地基梁的破壞,即單樁破壞后地基梁不一定會(huì)破壞,但是當(dāng)多數(shù)單樁承載力消失后,地基梁也會(huì)逐漸破壞。結(jié)果表明:地層加固后所有地基梁的承載力均能滿足設(shè)計(jì)要求,因此建議對(duì)建筑物范圍內(nèi)地基進(jìn)行100%的加固。
根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果,開(kāi)始根據(jù)施工方案在盾構(gòu)下穿前采用袖閥管對(duì)建筑物的周邊地層進(jìn)行加固。加固完成后保留袖閥管,可供盾構(gòu)切樁掘進(jìn)時(shí)視建筑物沉降情況進(jìn)行補(bǔ)償注漿。袖閥管注漿以壓力控制為主,注漿壓力為0.5~0.8 MPa,袖閥管直徑為42 mm,孔間距為1.0 m,注漿孔距離建筑物外墻1.0 mm。注漿加固后要求土體強(qiáng)度不小于1.0 MPa,滲透系數(shù)小于1.0×10-5m/s。10號(hào)樓注漿加固袖閥管的布置情況如圖3所示。注漿加固區(qū)布置情況如圖4所示。
圖4 注漿加固區(qū)布置情況Fig.4 Layout of grouting reinforcement areas
在左線開(kāi)始下穿之前,設(shè)置50 m的試驗(yàn)段,根據(jù)試驗(yàn)段的施工情況,確定盾構(gòu)下穿時(shí)的施工參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)段的掘進(jìn)過(guò)程確定下穿時(shí)的主要施工參數(shù)如下:推力為15 000~16 000 kN;刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為1.2~1.4 r/min;上部土倉(cāng)壓力為0.12~0.14 MPa;刀盤(pán)扭矩為1 000~1 200 kN·m;掘進(jìn)速度為10~20 mm/min。實(shí)際施工中根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的情況調(diào)整施工參數(shù),并嚴(yán)格做到“不超挖、不超排、不掘進(jìn)、不注漿”。
盾構(gòu)在開(kāi)始下穿9號(hào)樓之前對(duì)刀具孔進(jìn)行檢修及更換,保證盾構(gòu)的順利下穿,在掘進(jìn)至10號(hào)樓與11號(hào)樓之間時(shí)再次進(jìn)行換刀作業(yè),共計(jì)4把中心滾刀,10把邊緣滾刀,23把正面滾刀。刀具更換時(shí)采購(gòu)原廠配置刀具,刀具安裝時(shí)按照原設(shè)計(jì)安裝,未作調(diào)整。盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中,若遇到灌注樁遺留套管,根據(jù)掌子面穩(wěn)定性情況,選擇帶壓進(jìn)倉(cāng)割除的方式進(jìn)行處理,將套管割斷取出后繼續(xù)掘進(jìn)。當(dāng)盾構(gòu)切削下的樁體進(jìn)入螺旋輸送機(jī)時(shí),有可能導(dǎo)致螺旋出土機(jī)卡死,因此在螺旋輸送機(jī)上設(shè)置多個(gè)檢查孔,當(dāng)出現(xiàn)螺旋機(jī)卡死的情況時(shí),打開(kāi)檢查孔將障礙物破碎或取出。
根據(jù)設(shè)計(jì)院對(duì)樁基礎(chǔ)直接作用在現(xiàn)有管片上的計(jì)算,得出現(xiàn)有管片并不能保證隧道完成后處于安全狀態(tài)的結(jié)論。因此必須采用特殊的鋼管片,如圖5所示。
圖5 特殊鋼管片F(xiàn)ig.5 Special steel segment
為實(shí)時(shí)地監(jiān)控建筑物的沉降,在建筑物的頂層布置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)反映建筑物沉降和位移,通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)決定盾構(gòu)二次注漿的管片位置及地面袖閥管加固注漿的位置,真正地做到動(dòng)態(tài)施工。除此之外,還布有人工檢測(cè)測(cè)點(diǎn),隨時(shí)監(jiān)測(cè)地面有無(wú)沉降或隆起。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)如下:建筑物各方向累計(jì)偏移30 mm,偏移速率為3 mm/d,建筑物裂縫寬度為1 mm,整體傾斜率為0.004(Hg≤24)。測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖6所示。
左右線自2013年11月16日開(kāi)始,至12月6日結(jié)束,用時(shí)23 d完成4棟建筑物共計(jì)137根樁切除,安全通過(guò)4棟建筑物,現(xiàn)已恢復(fù)建筑物,業(yè)主入駐。
現(xiàn)以左線盾構(gòu)下穿時(shí)的實(shí)際控制情況及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析建筑物的位移變化情況。左線盾構(gòu)共下穿3棟建筑物(濱苑小區(qū)9號(hào)樓、10號(hào)樓、11號(hào)樓),下穿9號(hào)樓用時(shí)76 h,10號(hào)樓117 h,11號(hào)樓35 h。推進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)控制情況及通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件得出的建筑群在盾構(gòu)下穿過(guò)程中和最終各方向偏移情況如表2所示。由表2可知:盾構(gòu)下穿9號(hào)樓時(shí)的位移量較小,南北方向位移大于東西方向,結(jié)果表明9號(hào)樓周圍的土體加固達(dá)到了預(yù)期的效果。盾構(gòu)下穿10號(hào)樓時(shí)樓體的偏移過(guò)程為:盾構(gòu)到達(dá)樓體的南側(cè)時(shí),西南側(cè)土體受擾動(dòng),樓體開(kāi)始向西南偏移;之后盾構(gòu)到達(dá)樓體北側(cè),西北側(cè)土體受擾動(dòng),樓體開(kāi)始向西北偏移。最終結(jié)果為:由于向南和向北的2次偏移,盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)樓體南北方向的影響不大;由于盾構(gòu)位于樓體西側(cè),在整個(gè)下穿過(guò)程中10號(hào)樓始終向西偏移;整個(gè)下穿過(guò)程中豎直方向的位移表現(xiàn)為下沉。分析11號(hào)樓各方向沉降可知:盾構(gòu)下穿過(guò)程中11號(hào)樓向西偏移;豎直方向表現(xiàn)為沉降??傮w來(lái)說(shuō)左線的下穿是成功的,在盾構(gòu)下穿過(guò)程中及隧道施工完成后,建筑物的變形均在警戒值內(nèi)。在9號(hào)樓與10號(hào)樓上選取特征測(cè)點(diǎn)得到其豎直方向位移時(shí)間的歷程曲線,如圖6和圖7所示,其中特征測(cè)點(diǎn)選取隧道上方的測(cè)點(diǎn)及接近隧道的測(cè)點(diǎn),9號(hào)樓選取測(cè)點(diǎn)6513,6514,6515;10號(hào)樓選取測(cè)點(diǎn)6517,6518,6519,6520。
圖6 左線下穿時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖Fig.6 Layout of automatic monitoring points
表2 盾構(gòu)下穿建筑群時(shí)控制參數(shù)及建筑物各方向位移Table 2 Shield boring parameters and building displacement
深圳地鐵9號(hào)線大鹿區(qū)間下穿樁基建筑群工程,樁基數(shù)量之多、穿越距離之長(zhǎng)在國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn),基于現(xiàn)有的研究成果,總結(jié)出一種新的施工技術(shù),完成了該區(qū)間隧道施工,工程應(yīng)用效果良好,其關(guān)鍵技術(shù)及結(jié)果如下。
1)下穿前的理論計(jì)算。在盾構(gòu)下穿前進(jìn)行理論分析是非常必要,理論計(jì)算可以驗(yàn)證隧道及既有建筑的安全情況,針對(duì)具體的安全狀態(tài)提出不同的解決辦法。
2)試驗(yàn)段的設(shè)置。在盾構(gòu)下穿前選取與下穿段相似地層的部分區(qū)間設(shè)置試驗(yàn)段,初步確定盾構(gòu)下穿時(shí)的掘進(jìn)參數(shù),為盾構(gòu)正式下穿提供參考。
3)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。在建筑物上布置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)建筑物的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,確保盾構(gòu)穿越構(gòu)成建筑物的安全。
4)盾構(gòu)的改造。對(duì)盾構(gòu)的刀具及螺旋出土器進(jìn)行改造,以適應(yīng)盾構(gòu)切削樁基礎(chǔ)。
5)土體注漿加固。合理的注漿參數(shù)能夠保證建筑物的沉降在可控范圍內(nèi),預(yù)留的袖閥管也可以在后期的控制建筑物各方向位移發(fā)揮重要的作用。
土壓力、刀盤(pán)扭矩及推力等盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定與控制對(duì)下穿過(guò)程中建筑物位移的控制至關(guān)重要。建議施工前必須根據(jù)地層情況確定上述參數(shù)的設(shè)定范圍,施工過(guò)程中嚴(yán)格根據(jù)預(yù)先設(shè)定的范圍進(jìn)行操作,同時(shí)根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)反饋的結(jié)果,對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,確定盾構(gòu)穿越樁基建筑群的安全。
圖7 盾構(gòu)下穿過(guò)程中9號(hào)樓特征測(cè)點(diǎn)各方向位移時(shí)間歷程曲線(2014年)Fig.7 Time-dependent curves of displacement of No.9 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014
圖8 盾構(gòu)下穿過(guò)程中10號(hào)樓特征測(cè)點(diǎn)各方向位移時(shí)間歷程曲線(2014年)Fig.8 Time-dependent curves of displacement of No.10 building measured at typical monitoring points during shield boring in 2014
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