盾構(gòu)近距離穿越高架樁基的施工影響與保護(hù)措施

劉延生

摘要：伴隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市中的高層建筑以及高架橋梁等不斷涌現(xiàn)，而這些建筑項(xiàng)目大部分采用的是樁基礎(chǔ)形式。同時(shí)加之地下空間以及選路選線等因素的影響，使得在進(jìn)行隧道開挖的過程中經(jīng)常需要從既有樁基的周圍穿越，而盾構(gòu)隧道在開挖的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致地層移動(dòng)作用于樁身上，進(jìn)而影響到樁基的承載性能以及上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此探討盾構(gòu)隧道開挖時(shí)對臨近樁基的施工影響以及保護(hù)措施極為必要。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；近距離穿越；高架樁基；施工影響；保護(hù)措施

一、盾構(gòu)機(jī)的種類及盾構(gòu)施工基本原理概述

1.盾構(gòu)機(jī)分類

目前，盾構(gòu)機(jī)種類繁多，一般可根據(jù)平衡開挖面前方水土壓力方法的不同將其大致分為土壓平衡式、泥水加壓式、壓縮空氣平衡式、機(jī)械支撐穩(wěn)定式、敞口開胸式以及混合式等幾種類型。到目前為止，從盾構(gòu)機(jī)使用數(shù)量及使用范圍來說，土壓平衡式和泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)較為常見。其中泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)主要由盾構(gòu)機(jī)殼、開挖部分、推進(jìn)部分、送排泥漿部分、拼裝機(jī)構(gòu)和其他一些附屬裝置組成，其常被應(yīng)用于含水率較高的軟弱土質(zhì)中，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是一種在泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新型盾構(gòu)機(jī)，同樣主要由盾構(gòu)機(jī)殼、開挖部分、推進(jìn)部分、排土部分、拼裝部分和一些附屬裝置組成，但其常被應(yīng)用于在沖積粘土、砂質(zhì)土、砂、砂礫、卵石等地質(zhì)中的施工。另外，泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)工作效率要明顯高于土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)。

2.盾構(gòu)法施工的基本原理

①在盾構(gòu)隧道開挖的起始端和終端分別建立一個(gè)工作井；②盾構(gòu)機(jī)的各個(gè)部分被安放在工作井內(nèi)，然后安裝就位；③將盾構(gòu)機(jī)放置于工作井后壁前方，依靠千斤頂?shù)耐屏?，將盾?gòu)機(jī)從起始工作井的墻壁開孔處推出，進(jìn)入設(shè)計(jì)軸線；④盾構(gòu)機(jī)在沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)的同時(shí)，不斷利用掘進(jìn)部分的輸送設(shè)備將開挖掉的土體運(yùn)送出隧道，利用龍門吊車將土體從工作井運(yùn)到地面處理，并及時(shí)安裝襯砌管片；⑤在安裝襯砌管片期間，需通過盾構(gòu)機(jī)周圍預(yù)先設(shè)置好的注漿管及時(shí)地向襯砌周圍空隙注漿，以固定襯砌環(huán)位置，補(bǔ)充地層損失和防止地層移動(dòng)；⑥盾構(gòu)機(jī)完成預(yù)定區(qū)間工程的施工，進(jìn)入終端的工作井，之后被拆除或者再繼續(xù)向前推進(jìn)。

二、盾構(gòu)近距離穿越高架樁基的施工影響

1.地層變形與樁基相互作用關(guān)系

第一，由于盾構(gòu)隧道施工參數(shù)以及支護(hù)設(shè)施參數(shù)的改變，隧道施工時(shí)將不可避免地?cái)_動(dòng)周圍土體，這些原來處于穩(wěn)定狀態(tài)的土體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力場將發(fā)生改變，平衡狀態(tài)被打破，進(jìn)而導(dǎo)致其發(fā)生變形，從而其自身將對這種改變進(jìn)行調(diào)整，一直到新的應(yīng)力場平衡狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)地層變形才會(huì)終止。第二，盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的地層變形傳遞到既有建筑樁基周圍，樁周土體的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力場也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)生變化，樁基承載力降低，進(jìn)而使樁基產(chǎn)生一定的沉降。第三，樁基產(chǎn)生沉降之后，沉降必定逐漸傳遞到上部結(jié)構(gòu)物，而當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的在同一基礎(chǔ)中的不同樁基產(chǎn)生不同程度的沉降時(shí)，即出現(xiàn)了差異沉降，其將導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的附加應(yīng)力，進(jìn)而引起局部開裂等工程問題。另外，上部結(jié)構(gòu)剛度對樁基的內(nèi)力改變也有一定的約束作用，在一定程度上會(huì)減小樁基沉降。

2.樁間差異沉降對建筑物安全性的影響

所謂樁間差異沉降，對于單樁基礎(chǔ)而言是指相鄰兩單樁之間的沉降差，而群樁基礎(chǔ)的樁間差異沉降則是指樁群內(nèi)各基樁之間的沉降差。在隧道施工過程中，無論穿越單樁基礎(chǔ)，還是群樁基礎(chǔ)都應(yīng)重點(diǎn)控制樁間差異沉降，這樣才能有效地保證上部結(jié)構(gòu)的安全使用。樁間差異沉降對上部建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力的危害時(shí)，其中剛性基礎(chǔ)比較敏感，一旦總應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備時(shí)，結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生開裂和破損；對柔性基礎(chǔ)來說，也會(huì)使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲或者變位，但程度較小。

三、盾構(gòu)隧道臨近建筑物樁基施工時(shí)的對策

1.樁間差異沉降的控制措施

施作鉆孔灌注樁和復(fù)合錯(cuò)桿樁能夠有效減小地表沉降，自身吸收了盾構(gòu)開挖所產(chǎn)生的大部分變形，緩解了橋梁樁基周圍土體的擾動(dòng)，對既有建筑結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的影響通到了良好的保護(hù)作用；同時(shí)施作復(fù)合錨桿樁對既有結(jié)構(gòu)保護(hù)的效果更佳。

2.盾構(gòu)隧道臨近建筑物樁基施工的技術(shù)措施

2.1盾構(gòu)隧道臨近建筑物施工的監(jiān)測

①監(jiān)測原有建筑物的裂縫寬度、傾斜度和沉降量；②建筑物周圍地基土體的監(jiān)測，包括水土壓力、土體變形的監(jiān)測；③對盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括盾構(gòu)機(jī)施工姿態(tài)、土倉壓力、出土率、注漿填充率和注漿壓力等的監(jiān)測。必須在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前15天完成監(jiān)測的測點(diǎn)布置工作。監(jiān)測的頻率應(yīng)視變化值確定，在盾構(gòu)機(jī)頭到達(dá)前1天和盾尾脫出后3天為監(jiān)測的重點(diǎn)時(shí)段，在該時(shí)段內(nèi)應(yīng)增大監(jiān)測頻率。另外，監(jiān)測信息必須及時(shí)地反饋給盾構(gòu)隧道施工單位和工程監(jiān)理單位。

2.2盾構(gòu)隧道臨近建筑物施工的加固措施

（1）對建筑物實(shí)施加固措施

對建筑物本體進(jìn)行加固，可以通過加筋、加固墻、設(shè)置支撐等來直接對建筑物上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，也可通過加固樁，錨桿等對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行加固。實(shí)際工程中需要根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)特點(diǎn)選用相適應(yīng)的方法。

（2）對地基實(shí)施加固措施

①加固盾構(gòu)機(jī)周圍的土體，防止周圍土體松弛和擾動(dòng)，進(jìn)而控制盾構(gòu)上部地層的變形；②在建筑物與盾構(gòu)隧道之間，施工隔離帷幕排樁，隔離因盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)而引起的地基變形；③加固建筑物的地基，提高地基自身強(qiáng)度和承載力，控制建筑物沉降。①、③措施一般采用注漿加固、攪拌樁、旋噴樁等加固地基土質(zhì)的方法。而對于②措施，則主要針對盾構(gòu)機(jī)側(cè)穿建筑物的情況。

（3）對盾構(gòu)施工參數(shù)實(shí)時(shí)控制的措施

盾構(gòu)隧道施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，所以對施工參數(shù)要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通常來說，盾構(gòu)施工參數(shù)主要有：①切口泥水壓力（[Pt]）。可以根據(jù)公式[Pt=kγH/1000]（其中：Pt為切口水壓實(shí)際設(shè)定值，MPa；k為側(cè)向土壓力系數(shù) ；γ為土體容重，k N/m3；H為地表至隧道中心埋深，m。）對土壓力進(jìn)行初步設(shè)置，實(shí)際土壓力設(shè)定值再根據(jù)沉降數(shù)據(jù)值及土層分布及隧道埋深情況進(jìn)行微調(diào)。②掘進(jìn)速度：根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在穿越區(qū)施工過程中，設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)速度為1.0cm/min。③盾構(gòu)姿態(tài)：直線段穿越過程中，盡可能使盾構(gòu)勻速、直線通過，做到勤糾、少糾。推進(jìn)時(shí)多注意觀察管片與盾殼的間隙，采用穩(wěn)坡法推進(jìn)，以減少盾構(gòu)施工對樁基及上部結(jié)構(gòu)、地面路面的影響。在曲線段施工，利用盾殼注漿孔，在曲線外側(cè)進(jìn)行注漿，及時(shí)補(bǔ)充超挖引起的地層損失。同時(shí)，漿液硬化后可以在曲線外側(cè)給盾構(gòu)機(jī)一個(gè)側(cè)壓力，使盾構(gòu)機(jī)頭部向曲線內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)。④同步注漿。施工中對注漿點(diǎn)進(jìn)行壓力、注漿量雙參數(shù)控制，保證填充效果。施工過程中確保注漿管通暢，壓漿量和壓漿壓力視地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)作相應(yīng)微調(diào)。⑤泥水指標(biāo)。例如在淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土中，由于這些土層的自造漿能力比砂性土強(qiáng)，故進(jìn)泥密度可以適當(dāng)降低。⑥控制隧道上浮措施。為防止隧道上浮，還應(yīng)適時(shí)施工隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如“口”子件、隧道兩側(cè)下部牛腿及車道板等，增加隧道自重荷載，從而抑制隧道上浮。

總之，盾構(gòu)隧道在具體施工過程中，不可避免的會(huì)臨近建筑物的樁基周邊的土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)作用，進(jìn)而對樁基的安全性和穩(wěn)定性等產(chǎn)生不利的影響。針對此類現(xiàn)象，文章提出了控制差異沉降的的措施監(jiān)測以及加固保護(hù)技術(shù)措施，期望對類似工程能夠提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱學(xué)銀.大直徑平衡盾構(gòu)近距離穿越軌交高架樁基施工技術(shù)[J].中國市政工程，2014，06

[2]李博.深圳地鐵龍崗線盾構(gòu)隧道穿越樁基施工的數(shù)值模擬研究[D].上海交通大學(xué)，2012

[3]梁玉.北京某大直徑盾構(gòu)下穿既有地鐵橋梁影響研究[D].北京交通大學(xué)，2014