高壓旋噴樁控制地鐵盾構(gòu)施工沉降的技術(shù)措施研究

摘 要：鄭州地區(qū)城中村密集，建筑多為多層砌體結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較差。為減小地鐵盾構(gòu)施工沉降引起的建筑變形，提出了高壓旋噴樁的控制技術(shù)措施，即在地鐵隧道與建筑中間設(shè)置多排咬合高壓旋噴樁。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場沉降、變形監(jiān)測驗證了高壓旋噴樁的可行性，為相關(guān)工程提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)；沉降；高壓旋噴樁；技術(shù)措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.008

1 引言

近年來，我國地鐵得到大量建設(shè)，地鐵施工通常采用盾構(gòu)法，盾構(gòu)施工往往會對周邊建筑物帶來影響，如何降低和避免地鐵盾構(gòu)施工沉降對周邊既有建（構(gòu)）筑物的影響、提高施工安全已經(jīng)成為備受社會關(guān)注的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前，隔離墻（樁）是降低地鐵盾構(gòu)施工引起沉降常用的一種方式，隔離墻一般指地下連續(xù)墻，而隔離樁一般采用混凝土灌注樁[1]。

相關(guān)人員對隔斷墻（樁）在實(shí)際工程中的隔離效果進(jìn)行了一定的研究：周玉兵[2]以大連地鐵1號線黑石礁車站為工程實(shí)例，在風(fēng)道與橋樁之間按照一定間距設(shè)置設(shè)鋼管隔離樁，有效地保證了隧道近距離穿越橋樁施工的安全。王文斌等[3]以西安地鐵2號線鐘樓段的盾構(gòu)施工為例，建立運(yùn)用三維有限元模型模擬了有無隔離樁情況下盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地面點(diǎn)沉降。鐘樓周圍地表和鐘樓臺四角點(diǎn)沉降的動態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果表明，隔離樁能有效隔斷外部的地表沉降（隔離樁內(nèi)外地表沉降差達(dá)到14.1mm）。紀(jì)新博等[4]對某地鐵新建隧道側(cè)穿鄰接淺基建筑的隔離樁進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，探討了隔離樁的樁長及間距，優(yōu)化了樁的參數(shù)。

高壓旋噴樁作為一種地基處理手段，能夠加固土體，抵制地鐵地鐵盾構(gòu)施工引起的沉降[5，6]，但高壓旋噴樁作為隔離墻措施來減小地鐵盾構(gòu)施工沉降的研究還未見報道。鄭州軌道線網(wǎng)（含地鐵和輕軌）共規(guī)劃21條線路，覆蓋整個鄭州市區(qū)和郊區(qū)，與其他地區(qū)不同，鄭州城市的城中村廣泛分布，且建筑多為多層砌體結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定性較差，本文提出了高壓旋噴樁作為隔離墻的控制技術(shù)措施，并運(yùn)用有限元對多排咬合高壓旋噴樁對隔離效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)測結(jié)果驗證了可行性。

2 高壓旋噴樁的減沉機(jī)理

隔離墻（樁）是建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)防護(hù)的常用方法，它可以把建（構(gòu)）筑物周邊隧道施工、基坑開挖等工程施工引起的地層變形有效地限制在隔離樁之間[7]。隔離墻（樁）的結(jié)構(gòu)形式可分為樹根樁、灌注樁、地下連續(xù)墻和攪拌樁等。為有效控制土體變形，隔離墻（樁）需具備一定的強(qiáng)度和剛度。但剛度達(dá)到一定極限后，繼續(xù)增加隔離墻（樁）的剛度，其減沉效果不會有明顯提高。但由于地下連續(xù)墻、混凝土灌注樁的費(fèi)用高、施工周期長，本文提出了多排咬合旋噴樁作為隔離墻（樁）的技術(shù)措施。

造成盾構(gòu)施工地表沉降的因素有可歸納為以下幾個方面：（1）開挖掌子面的土壓力不平衡引起的土體損失；（2）盾構(gòu)糾偏施工引起的土體損失；（3）盾尾、襯砌環(huán)之間的空洞未及時充填引起的土體損失；（4） 注漿材料固結(jié)引起的收縮；（5）隧道滲漏水引起的土體固結(jié)和土體流失；（6）襯砌環(huán)的壓扁變形；（7）土體擾動后的重新固結(jié)產(chǎn)生的壓縮變形。隔離墻（樁）的主要作用為：隔離土體主動土壓力，阻擋或減弱隧洞周邊土體往隧洞產(chǎn)生滑移變形的趨勢，提高滑移面處的抗剪和抗滑能力，截斷側(cè)向壓力向盾構(gòu)方向的傳遞，抵制樁后土體的變形，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)建（構(gòu)）筑物變形的目的。

3 高壓旋噴樁的施工技術(shù)要求

（1）三軸攪拌樁采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比1.2，強(qiáng)加固區(qū)水泥摻入比20%，弱加固區(qū)水泥摻入比10%。

（2）樁身采用一次攪拌工藝，水泥和原狀土須均勻拌合，下沉及提升均為噴漿攪拌，為保證水泥土攪拌均勻，必須控制好鉆具下沉及提升速度，鉆機(jī)鉆進(jìn)攪拌速度一般在1m/min，提升攪拌速度在1.0 ～ 1.5m/min，在樁底部分重復(fù)攪拌注漿。

（3）提升速度不宜過快，以免出現(xiàn)真空負(fù)壓、孔壁塌方等現(xiàn)象。攪拌樁成樁應(yīng)均勻、持續(xù)、無頸縮和斷層，嚴(yán)禁在提升噴漿過程中斷漿，特殊情況造成斷漿應(yīng)重新成樁施工。垂直偏差≤L/200（L為樁長）。

（4）三軸攪拌樁養(yǎng)護(hù)時間28d，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1. 0MPa。加固體以上擾動部分需要弱加固，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.4MPa。

4 高壓旋噴樁減沉的有限元模擬

4.1 巖土體參數(shù)

采用通用有限元軟件ANSYS對高壓旋噴樁的隔沉效果進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元模型尺寸如下：① 厚度：由現(xiàn)地坪取至隧道正下方3D（D為隧道直徑），取40.0m；② 寬度：左右兩側(cè)各取6D，即92.0 m；③ 長度：進(jìn)沿隧道掘進(jìn)方向取10D，取60.0 m。

盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層土體主要為粉土和黏質(zhì)粉土，主要物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

盾構(gòu)管片和高壓旋噴樁的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.2 有限元數(shù)值模擬結(jié)果

有限元模型施加結(jié)束如下：四周邊界采用徑向約束，底邊界采用固支約束，上邊界完全自由，隧道盾構(gòu)內(nèi)邊界自由，整個模型施加重力加速度。

通過有限元模擬，得到了地面的最大沉降值（即盾構(gòu)開挖之后與開挖之前的沉降差），代表性的沉降云圖（取中間位置，即長度方向30.0m處的模擬結(jié)果）如圖1所示。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，得到了沉降槽曲線，如圖2。

從圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)：

（1）未采取加固措施時，左線盾構(gòu)開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線呈左右對稱的V形，最大地表沉降值為-9.41mm；左、右線盾構(gòu)全開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線則呈左右對稱的W形，最大值為-11.07 mm，略大于前者，說明雙線盾構(gòu)施工存在著相互影響；

（2）采用高壓旋噴樁加固后，左線盾構(gòu)開挖（設(shè)置高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的V形，形狀不如左線盾構(gòu)開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）規(guī)則，高壓旋噴樁后面的沉降值明顯減小，最大地表沉降值為-8.91mm，略小于左線盾構(gòu)開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）；而左、右線盾構(gòu)全開挖（設(shè)置高壓旋噴樁）的地表沉降槽曲線基本呈左右對稱的W形，形狀也不如左、右線盾構(gòu)全開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）規(guī)則，最大地表沉降值為-10.66mm，也略小于左、右線盾構(gòu)全開挖（未設(shè)高壓旋噴樁）。

（3）隧道兩側(cè)4D之外區(qū)域的地表沉降為零，地表最大沉降發(fā)生在兩個盾構(gòu)隧道的正上方區(qū)域，也就是說，地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起沉降的區(qū)域集中在盾構(gòu)隧道中心線左右兩側(cè)各4D范圍之內(nèi)。

5 高壓旋噴樁減沉的現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及建（構(gòu)）筑物的調(diào)查情況，確定建（構(gòu)）筑物變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)隧道盾構(gòu)施工，確保建（構(gòu)）筑物的安全，本次通過建（構(gòu)）筑物均為砌體建筑，房屋基礎(chǔ)差，構(gòu)造簡單，質(zhì)量極差，施工過程中可能因為地面的變化而發(fā)生房屋坍塌。

由于地基形式的不均勻等因素產(chǎn)生的變形，對于砌體承重墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有局部傾斜控制，砌體承重墻結(jié)構(gòu)沿縱墻方向6～10m內(nèi)的基礎(chǔ)兩點(diǎn)之間的沉降差與其距離的比值應(yīng)進(jìn)行控制：對于中、低壓縮性土為0.002，對于高壓縮性土為0.003。

在地鐵盾構(gòu)穿越施工之前，對周邊建（構(gòu)）筑物及盾構(gòu)上方對應(yīng)地表布設(shè)了沉降監(jiān)測點(diǎn)，部分測點(diǎn)如圖3和4所示。

由圖3可以看出，3月29日，盾構(gòu)刀盤距建（構(gòu)）筑物為10m時，建（構(gòu)）筑物沉降呈上抬趨勢，最大累計值為0.82mm。4月1日刀盤剛下穿建（構(gòu)）筑物時段，建（構(gòu)）筑物沉降明顯呈下沉趨勢，日變量最大值為-1.03mm，測點(diǎn)為JCJ-1。4月2日盾構(gòu)拼裝至68環(huán)，刀盤位于72環(huán)，盾構(gòu)機(jī)已完全拖出建（構(gòu)）筑物，建（構(gòu)）筑物沉降日變量增大，最大日變量為-0.69mm，直至4月9日建（構(gòu)）筑物沉降測點(diǎn)均已日變量為-0.10mms持續(xù)增長，于4月10日～4月12日變化速率減小，4月12日后續(xù)觀測期間，建（構(gòu)）筑物沉降穩(wěn)定，最大沉降-2.81mm。4月22日，盾構(gòu)右線側(cè)穿建（構(gòu)）筑物，建（構(gòu)）筑物沉降有所增大，5月7日，沉降趨于穩(wěn)定，測點(diǎn)JCJ-1的沉降仍最大，為-3.77m，右線施工時，引起額外的沉降為-0.96mm。

盾構(gòu)左、右線側(cè)穿建（構(gòu)）筑物時，進(jìn)行了沉降監(jiān)測，由于存在對稱性，選取了DB75-1～DB75-6共6個測點(diǎn)，繪制了地表沉降曲線，如圖4所示。

與建（構(gòu)）筑物的沉降曲線相似，地表累計沉降曲線可知，隧道軸線沉降測點(diǎn)累計沉降量最大，累計沉降最大值為-8.65mm，隨距離隧道軸線垂直距離越遠(yuǎn)累計沉降量越小，根據(jù)距隧道軸線距離由近到遠(yuǎn)沉降測點(diǎn)DBZ75-4、DBZ75-3、DBZ75-2、DBZ75-1，歷時累計最大沉降值分別為-9.51mm、-6.38 mm、-3.19 mm、-1.89 mm，越靠近隧道中心線，沉降越大，與圖4的數(shù)值模擬曲線一致。左線穿越時，地表沉降主要發(fā)生在4月2日～4月8日，最大沉降為-6.90mm，右線穿越時，地表沉降主要發(fā)生在4月25日～5月1日，最大沉降為-9.51mm，右線穿越產(chǎn)生的額外沉降為-2.86mm，說明雙線盾構(gòu)施工存在一定的影響。

圖3和4的實(shí)測的建（構(gòu)）筑物和地表沉降最大沉降分別為-3.77mm和-9.51mm，與數(shù)值模擬結(jié)果-3.43mm和-9.06mm基本接近，說明本文采用的數(shù)值模擬方法是合理的。

6 結(jié)論

（1）介紹了高壓旋噴樁作為控制地鐵盾構(gòu)施工沉降措施（即減沉措施）的機(jī)理和施工技術(shù)要求；

（2）采用ANSYS通用軟件建立了三維有限元模型，計算了高壓旋噴樁設(shè)置與否的盾構(gòu)施工引起的沉降，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗證了高壓旋噴樁作為控制地鐵盾構(gòu)施工沉降措施的可行性，為鄭州和國內(nèi)其他地區(qū)的地鐵盾構(gòu)施工提供了技術(shù)支撐。

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基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（No. 162102210019）

作者簡介：段紅海（1979-），男，湖北武漢人，工程師，主要從事盾構(gòu)工程方面的研究。