地鐵隧道近距離側(cè)穿建筑物隔離防護(hù)技術(shù)研究*

耿 城

(信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院,464006,信陽(yáng)∥講師)

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地鐵隧道近距離側(cè)穿建筑物隔離防護(hù)技術(shù)研究*

耿 城

(信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院,464006,信陽(yáng)∥講師)

以濟(jì)南市軌道交通R1線某區(qū)間隧道近距離側(cè)穿文物保護(hù)區(qū)某6層框架結(jié)構(gòu)體系樁基建筑物為工程背景,通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值分析,深入分析了隔離防護(hù)措施在該種工況下的隔離效果。結(jié)果表明:隔離樁防護(hù)措施主要是通過(guò)阻斷盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的擾動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑將盾構(gòu)隧道穿越影響范圍限定在理想范圍之內(nèi),將受保護(hù)區(qū)與盾構(gòu)隧道影響區(qū)隔離。建筑物樁基豎向沉降、水平變形均呈現(xiàn)出平緩過(guò)渡、明顯下降、上下震蕩過(guò)程,最大振幅分別為0.90 mm、1.00 mm;鉆孔灌注樁C、D與建筑物樁基相比,豎向沉降、水平變形振幅更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),最大振幅分別為1.40 mm、5.50 mm。采取防護(hù)措施后,鉆孔灌注樁最大水平變形量從6.00 mm減小至1.00 mm;樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi),變形呈側(cè)“V”字形,隔離效果顯著,實(shí)現(xiàn)了隔離樁外側(cè)區(qū)域變形可控,確保了施工安全。

地鐵隧道; 建筑物樁基; 隔離樁; 近接施工

Author′s address Xinyang College of Agriculture and Forestry,464006,Xinyang,China

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及施工技術(shù)的不斷提高,盾構(gòu)法作為一種機(jī)械化程度高、環(huán)境污染小、施工效率高的新的施工工法被廣泛地應(yīng)用于地鐵隧道建設(shè)過(guò)程中[1-2]。但由于不同的線路規(guī)劃,地鐵隧道將不可避免地產(chǎn)生近距離穿越建筑物、構(gòu)筑物工況,其必將擾動(dòng)周圍土體,改變應(yīng)力狀態(tài),從而嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)的變形與受力,甚至導(dǎo)致上部建筑物的開(kāi)裂或破壞。因此,開(kāi)展盾構(gòu)近距離穿越建筑物樁基防護(hù)措施研究具有非常重要的工程意義[3-4]。

目前,諸多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道穿越建筑物、構(gòu)筑物工程進(jìn)行了大量的研究,取得了豐碩成果。研究發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)隧道近距離穿越重要建筑物、構(gòu)筑物時(shí),地層擾動(dòng)使建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著地應(yīng)力集中和變形突變,進(jìn)而引起上部建筑物開(kāi)裂、傾斜或倒塌。盾構(gòu)隧道近距離穿越重要建筑物防護(hù)措施主要可分為兩類:一是調(diào)整施工參數(shù),優(yōu)化盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度、推進(jìn)扭矩等參數(shù),達(dá)到減小盾構(gòu)穿越對(duì)地層的擾動(dòng)[5-6];二是打設(shè)隔離樁增加特定區(qū)域地層剛度,阻斷盾構(gòu)擾動(dòng)引起的應(yīng)力傳遞路徑,將穿越擾動(dòng)影響區(qū)限定在一定范圍,從而達(dá)到保護(hù)建筑物基礎(chǔ)的目的[7-8]。但上述研究均忽略了盾構(gòu)穿越對(duì)隔離樁自身的影響。而穿越過(guò)程中隔離樁力學(xué)響應(yīng)是體現(xiàn)隔離防護(hù)措施能夠起防護(hù)作用的重要指標(biāo),也是關(guān)系到穿越安全的關(guān)鍵因素,因此,有必要針對(duì)盾構(gòu)穿越過(guò)程中防護(hù)措施進(jìn)行專項(xiàng)研究,避免盲目施工使隔離防護(hù)措施未能達(dá)到預(yù)期要求。

本文以濟(jì)南市軌道交通R1線某區(qū)間隧道近距離側(cè)穿某重要建筑物(6層18.6 m高的樁基礎(chǔ)框架建筑物結(jié)構(gòu)體系)為工程背景,采用鉆孔灌注樁,結(jié)合高壓旋噴樁組合的隔離樁防護(hù)方案,對(duì)盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿施工過(guò)程中隔離效果進(jìn)行了理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),認(rèn)為該種加固方案可有效阻斷盾構(gòu)隧道施工引起的應(yīng)力傳遞路徑,減小穿越對(duì)建筑物基礎(chǔ)擾動(dòng),將擾動(dòng)影響區(qū)限定在樁基礎(chǔ)之外,達(dá)到了防護(hù)效果。

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通R1線某區(qū)間隧道近距離側(cè)穿文物保護(hù)區(qū)某6層框架結(jié)構(gòu)的建筑物位于區(qū)間里程K21+577～K21+627。其中,建筑物外側(cè)樁基礎(chǔ)與盾構(gòu)隧道最小水平距離僅為8.20 m,建筑物為標(biāo)準(zhǔn)6層框架式結(jié)構(gòu)體系(高×長(zhǎng)×寬=18.6 m×15.6 m×32.0 m),其基礎(chǔ)為三排規(guī)則分布的樁基礎(chǔ),長(zhǎng)15.0 m,水平間距5.0 m,縱向間距為2.1 m。采用土壓平衡式盾構(gòu)法結(jié)合盾尾同步注漿系統(tǒng)、二次補(bǔ)強(qiáng)注漿系統(tǒng)進(jìn)行施工;襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50,抗?jié)B等級(jí)P10。盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)內(nèi)徑為5.8 m,外徑為6.4 m,開(kāi)挖毛洞直徑為6.68 m,埋深為23.0 m。

由于盾構(gòu)隧道距離建筑物較近,故盾構(gòu)隧道穿越施工必定對(duì)建筑物樁基礎(chǔ)造成嚴(yán)重影響,如若處理不當(dāng),將引起建筑物關(guān)鍵部位應(yīng)力集中或變形突變。因此,需進(jìn)行專項(xiàng)防護(hù)措施研究。

地質(zhì)勘查資料揭示了鉆孔深度30 m范圍內(nèi),地層自上而下以雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、膠結(jié)砂、黏土、較破碎的中風(fēng)化花崗巖為主,其彈性模量較低,盾構(gòu)施工易引起較大的擾動(dòng)變形。地下水位位于-15.5 m,以潛水(水位標(biāo)高11.53～18.14 m)和灰?guī)r裂隙水(水位標(biāo)高18.14～30.14 m)為主;等代層是盾尾間隙及回填注漿作用的抽象概括。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)械參數(shù)及施工工藝確定后,等代層的厚度及其力學(xué)參數(shù)是一定的。盾構(gòu)隧道與建筑物相對(duì)位置如圖1所示,地質(zhì)條件物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與建筑物樁基相對(duì)位置圖

地層名稱厚度/m重度/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)雜填土2.917.580.351016黃土4.118.5120.322018粉質(zhì)黏土5.819300.32426黏土9.718400.283034膠結(jié)砂2.321800.264024黏土3.419500.283235

2 盾構(gòu)近距離側(cè)穿建筑物變形控制

2.1 隔離樁作用機(jī)理分析

假定未采取防護(hù)措施時(shí),隧道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力傳遞依照松散體圍巖壓力理論,沿45°+φ/2(φ為方向向上傳遞)[9-10]。通過(guò)打設(shè)隔離樁,可阻斷了盾構(gòu)隧道施工的應(yīng)力傳遞路徑,將施工影響限定在預(yù)定范圍,從而達(dá)到隔離建筑物基礎(chǔ)的效果(見(jiàn)圖2)。

2.2 隔離樁防護(hù)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

防護(hù)方案的隔離樁采用鉆孔灌注樁結(jié)合高壓旋噴樁雙樁組合。其中,鉆孔灌注樁樁徑為0.8 m,樁長(zhǎng)約17 m,樁心距為0.9 m。旋噴樁樁徑為1.0 m,樁長(zhǎng)約16.0 m,咬合0.4 m。鉆孔樁緊靠旋噴樁組合施作。隧道左側(cè)雙樁隔斷范圍距離建筑物樁基外緣3.80 m,右側(cè)距離隧道中心軸線4.40 m,加固長(zhǎng)度約45.00 m。

圖2 隔離防護(hù)措施下盾構(gòu)隧道影響區(qū)

為研究隔離樁對(duì)建筑物的隔離效果,以建筑物樁基A、B、C、D作為變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中,豎向變形采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè),水平位移通過(guò)測(cè)斜管監(jiān)測(cè)。隔離樁防護(hù)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 隔離樁防護(hù)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 隔離樁對(duì)建筑物樁基監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

盾構(gòu)穿越過(guò)程中,樁基A、B和鉆孔灌注樁C、D為重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。

樁基沉降觀測(cè)點(diǎn)A1、B1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可以看出,樁基沉降變化分為5個(gè)階段。

(1) 鉆孔灌注樁施工階段(0～12 d)。該階段的樁基沉降可劃分為沉降不顯著段及下降段。這是由鉆孔灌注樁由遠(yuǎn)及近靠近建筑物樁基施工所致。

(2) 高壓旋噴樁施工階段(13～25 d)。此階段樁基有隆起趨勢(shì)。這是由于高壓旋噴樁施工中的攪拌與切削對(duì)土體有擠壓作用,故而產(chǎn)生樁基隆起。

(3) 左線隧道施工階段(26～70 d)。此階段樁基沉降出現(xiàn)上下振蕩,最大沉降量從0.1 mm增至1.0 mm。這是由于盾尾脫環(huán)及推進(jìn)作用時(shí),盾殼對(duì)樁基外側(cè)的擠壓摩擦力交互作用所致。樁基B最大振幅為0.8 mm,小于樁基A。這說(shuō)明距離是影響盾構(gòu)施工擾動(dòng)程度大小的關(guān)鍵因素。

(4) 右線隧道施工階段(103～118 d)。此階段,樁基沉降呈現(xiàn)小幅振蕩。樁基A最大振幅僅為0.7 mm。這是因?yàn)橛揖€隧道距樁基較遠(yuǎn),對(duì)樁基的變形影響較左線小。

整體來(lái)看,采用隔離防護(hù)措施后,樁基最大隆起量為0.4 mm,最大沉降量為1.0 mm,符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 盾構(gòu)穿越時(shí)觀測(cè)點(diǎn)A1、B1的沉降監(jiān)測(cè)

鉆孔灌注樁C、D受盾構(gòu)穿越施工引起的沉降變形如圖5所示。與建筑物樁基相比,鉆孔灌注樁受盾構(gòu)施工擾動(dòng)更嚴(yán)重,沉降幅度更大。這是由于鉆孔灌注樁距盾構(gòu)隧道更近、更密集,在穿越過(guò)程中承擔(dān)了大部分?jǐn)D壓力。左線施工引起的最大振蕩幅值為1.40 mm,位于隧道距樁基水平距離最近處;右線施工引起的樁基C、D振蕩幅度較左線小1.10 mm。這也說(shuō)明距離是樁基受擾動(dòng)程度的關(guān)鍵因素。

圖5 盾構(gòu)穿越過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)C、D沉降監(jiān)測(cè)

2.5 側(cè)穿施工對(duì)建筑物樁基水平變影響

建筑樁基A、B在盾構(gòu)穿越施工過(guò)程中水平變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖6所示。在圖6中,“正值”代表背離加固區(qū)方向,“負(fù)值”代表趨向加固區(qū)方向。

由圖6可見(jiàn),建筑物樁基產(chǎn)生背離加固區(qū)趨勢(shì),鉆孔灌注樁水平變形向著隧道開(kāi)挖一側(cè)移動(dòng)。這是由于隧道開(kāi)挖土體卸載,土壓力減小所致。隔離樁防護(hù)措施下,樁基水平變形顯著減小;樁基沿隔離樁加固區(qū)方向移動(dòng),最大變形量為1.10 mm,且樁基A、B變形量相差不大。隔離樁起到了良好的隔離作用,水平位移得到了較好的控制。

圖6 建筑物樁基A、B水平變形示意圖

盾構(gòu)穿越過(guò)程中,鉆孔灌注樁水平方向變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7可見(jiàn),與豎向沉降變化規(guī)律一致,鉆孔灌注樁由于距離隧道較近,盾構(gòu)推力、刀盤切削土體、盾尾脫環(huán)對(duì)建筑物樁周土體引起的水平變形影響更加顯著。其具體表現(xiàn)為鉆孔灌注樁水平位移觀測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅度更大,水平變形量大幅增加。鉆孔灌注樁C、D最大水平位移變化幅度分別為5.50 mm和3.50 mm,與建筑物樁基的1.10 mm、1.06 mm形成鮮明對(duì)比?？梢?jiàn)。隔離樁對(duì)建筑物樁基起到了較好的防護(hù)作用。

圖7 鉆孔灌注樁C、D水平變形示意圖

2.6 隔離效果數(shù)值分析

根據(jù)FLAC3D數(shù)值計(jì)算分析,有無(wú)防護(hù)措施下,單向盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿樁基建筑物引起的土體水平位移云圖如圖8所示。由圖8可見(jiàn),未防護(hù)時(shí),水平位移呈對(duì)稱分布,樁基最大水平位移位于樁底,約6.4 mm。采用隔離樁施作防護(hù)后,盾構(gòu)施工引起的應(yīng)力傳遞路徑被隔斷,樁基位移得到了有效控制;最大水平位移仍位于樁底,為1.3 mm。對(duì)比有無(wú)隔離措施下建筑物樁基底部變形可知,采取隔離樁防護(hù)措施后,水平位移減幅達(dá)79.7%。這說(shuō)明隔離樁防護(hù)措施對(duì)建筑物樁基的保護(hù)效果顯著。

圖8 有無(wú)防護(hù)措施下左線隧道開(kāi)挖水平位移圖

圖9為鉆孔灌注樁C、D背后土體在有無(wú)防護(hù)措施下水平變形圖?？梢?jiàn)有無(wú)隔離防護(hù)措施時(shí),樁基C、D背后土體水平變形分別為1.0 mm和6.0 mm,隔離效果顯著,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。鉆孔灌注樁C、D變形趨勢(shì)沿樁身范圍內(nèi)呈現(xiàn)側(cè)“V”字形,最大水平位移發(fā)生在隧道埋深位置?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)對(duì)此處樁基位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),以確保施工安全。

3 結(jié)論

依托濟(jì)南市軌道交通R1線某區(qū)間隧道近距離側(cè)穿6層樁基建筑物工程,深入分析了隔離樁在該種工況下隔離效果,得到主要結(jié)論如下:

(1) 隔離樁防護(hù)措施主要是通過(guò)阻斷盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的擾動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑將盾構(gòu)隧道穿越影響范圍限定在理想范圍之內(nèi),從而將受保護(hù)區(qū)與盾構(gòu)隧道影響區(qū)隔離,使受保護(hù)免受盾構(gòu)擾動(dòng)影響。

圖9 有無(wú)防護(hù)措施樁基C、D背后土體水平變形變形曲線

(2) 建筑物樁基豎向沉降呈現(xiàn)出平緩過(guò)渡(稍遠(yuǎn)鉆孔灌注樁施工)、明顯下降(較近的鉆孔灌注樁基高壓旋噴樁施工)、上下震蕩過(guò)程(盾構(gòu)穿越過(guò)程);樁基A、B最大振幅分別為0.9 mm、0.8 mm;鉆孔灌注樁C、D最大振幅為1.40 mm、1.10 mm,隔離效果顯著。

(3) 隔離樁防護(hù)措施下,鉆孔灌注樁C、D水平變形振幅高達(dá)5.50 mm、3.50 mm;建筑物樁基A、B水平最大振幅分別為1.10 mm、1.06 mm,隔離效果顯著,達(dá)到了預(yù)期目的。

(4) 鉆孔灌注樁C、D背后土體在有無(wú)隔離樁作用下最大水平變形位于隧道埋深位置,最大水平變形量從6.0 mm減小至1.0 mm;樁身變形呈側(cè)“V”字形。隔離效果顯著,實(shí)現(xiàn)了隔離樁外側(cè)區(qū)域變形可控,確保了施工安全。

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Safety Control Technology of Subway Tunnels Crossing under the Adjacent Buildings

GENG Cheng

A section tunnel on Jinan metro R1 Line is taken as the example, which crosses under a six-storied frame pile-building in the cultural relics protection area, the effect of isolation precautions taken in this condition is studied by way of theoretical analysis, field testing and numerical analysis. The result shows that the protection measures of isolation pile could successfully isolate the protected area and the shield tunnelling affected zone, by blocking the stress transmission path of the disturbance. The vertical settlement and horizontal deformation of building piles demonstrate different stages of gradual transition, significant decrease and the process of shaking up and down, in which the maximum amplitude of vertical, horizontal deformations are 0.90 mm and 1.00 mm respectively. Compared with the building pile, the vertical settlement and the horizontal deformation, pile C and pile D show a greater amplitude and a longer duration, the maximum amplitude are 1.40 mm and 5.50 mm respectively. Numerical calculation indicates, with and without protective measures, the maximum horizontal deformation amount of bored piles could be reduced from 6.00 mm to 1.00 mm; the deformation within the range of pile length appears in a "V" shape, and the isolation effect is remarkable. Therefore, the isolation pile could successfully isolate the building from the affected zone of shield tunnelling, and ensure the construction safety.

subway tunnel; building pile; isolation pile; close construction

*青年科學(xué)基金項(xiàng)目(201302009)

TU 478

10.16037/j.1007-869x.2016.09.024

2016-05-25)