雙液注漿法在盾構(gòu)下穿建筑物基礎(chǔ)時(shí)的應(yīng)用效果研究

寇衛(wèi)鋒

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

城市地下空間建筑物基礎(chǔ)密布，地鐵規(guī)劃建設(shè)中難免遇到盾構(gòu)隧道下穿高層、橋梁等建筑物基礎(chǔ)。盾構(gòu)隧道下穿建筑物基礎(chǔ)成為城市軌道建設(shè)中一個(gè)難題，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已對(duì)此開展了研究。文獻(xiàn)[1]通過數(shù)值模擬得出盾構(gòu)施工對(duì)高架橋樁基的影響主要體現(xiàn)在樁體的豎向和水平方向位移上，且樁體水平方向的位移要大于豎向；文獻(xiàn)[2]以天津地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿多層建筑物為例，將有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得出在精細(xì)化分析軟土地區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)上方建筑物的影響時(shí)應(yīng)考慮土體小應(yīng)變的影響。文獻(xiàn)[3]基于沉降預(yù)測(cè)理論及數(shù)值分析軟件，以廣州地鐵區(qū)間隧道下穿某7層框架結(jié)構(gòu)建筑為例，研究了不同工況下隧道施工引起的地層沉降對(duì)該建筑物的影響。文獻(xiàn)[4]結(jié)合南寧地鐵1號(hào)線盾構(gòu)下穿友愛居民小區(qū)工程，提出下穿時(shí)應(yīng)以開挖倉壓力為控制指標(biāo)，提高轉(zhuǎn)速、降低泥漿黏度是減少參數(shù)波動(dòng)的有效措施。文獻(xiàn)[5-9]從注漿方式、注漿液配合比等方面，對(duì)不同地層中盾構(gòu)下穿建筑物注漿技術(shù)進(jìn)行了分析。

以上工程實(shí)例中針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿建筑物基礎(chǔ)多采用注漿、托換技術(shù)或兩者同時(shí)實(shí)施。但對(duì)基礎(chǔ)埋置較深且盾構(gòu)隧道從地下水位以下穿越的工程，在基礎(chǔ)底部注漿難以達(dá)到較理想的效果，基礎(chǔ)托換耗時(shí)長(zhǎng)，相應(yīng)工程造價(jià)較高，而采用雙液注漿法可克服上述缺點(diǎn)。

工程實(shí)際應(yīng)用中雙液注漿法又被稱為克泥效工法。文獻(xiàn)[10-11]介紹了克泥效工法在盾構(gòu)隧道近距離下穿地鐵既有線路工程中的應(yīng)用，結(jié)果顯示采用克泥效工法不僅解決了盾體通過時(shí)的地層變形問題，而且可減少二次注漿的頻次，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。但有關(guān)雙液注漿法在盾構(gòu)隧道下穿建筑物基礎(chǔ)中的應(yīng)用還未見相關(guān)文獻(xiàn)?；诖耍疚囊脏嵵菔熊壍澜煌?號(hào)線盾構(gòu)隧道施工為例，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿建筑物基礎(chǔ)時(shí)雙液注漿法的應(yīng)用效果進(jìn)行探究。

1 工程概況

鄭州市軌道交通5號(hào)線農(nóng)業(yè)東路站—心怡路站區(qū)間盾構(gòu)隧道在ZDK13+662.558—ZDK13+711.322(684—715環(huán)，長(zhǎng)度約48.764 m)和YDK13+694.410—YDK13+714.582(706—719環(huán)，長(zhǎng)度約20.172 m)斜交下穿鄭河小區(qū)1號(hào)樓、側(cè)穿2號(hào)樓，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿鄭河小區(qū)平面示意(單位：m)

1號(hào)、2號(hào)樓為7層磚砌體結(jié)構(gòu)，房高18.8 m，采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，埋深4.3 m，無地下室，地基為φ500 mm@450 mm水泥深層攪拌樁。樁頂距地面3.8 m，復(fù)合地基承載力特征值不小于160 kPa。結(jié)合鄭州市地質(zhì)情況，穿越段采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)將截?cái)嘣薪ㄖ锼嗤翑嚢铇?.6～3.7 m，盾構(gòu)截?cái)鄶嚢铇蹲缶€約224根，右線約114根。右線距離2號(hào)樓最近處為2.1 m。下穿鄭河小區(qū)1號(hào)樓盾構(gòu)區(qū)間隧道頂覆土厚11.7～13.5 m，建筑物基礎(chǔ)下方地基剖面示意如圖2。

圖2 建筑物基礎(chǔ)下方地基剖面示意

隧址區(qū)由上至下巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

隧址區(qū)地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水和微承壓水。潛水埋深5.1～10.3 m。微承壓水靜止水位位于地面下8.0～14.0 m，承壓水水頭3.0～5.0 m。

2 建筑物變形及地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

為使盾構(gòu)安全、順利地下穿該建筑物基礎(chǔ)，根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定以及房屋鑒定報(bào)告，綜合分析確定地表沉降及建筑物豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 地表沉降及建筑物豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)

3 建筑物變形及地表沉降控制措施

3.1 盾構(gòu)隧道施工過程中各階段沉降控制措施

超挖、盾構(gòu)與襯砌間的間隙等問題使實(shí)際挖土量比用隧道斷面面積計(jì)算出的挖土量大，這是引起地層損失的主要原因[12]?？蓪⒍軜?gòu)隧道施工引起的沉降過程分為5個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道施工引起的沉降過程

第1階段早期沉降占總沉降的比例?。坏?階段盾構(gòu)到達(dá)前沉降可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)(如盾構(gòu)推進(jìn)速度、推力等)降低其值；第3階段盾構(gòu)通過時(shí)沉降、第4階段盾尾通過后沉降可采取同步注漿、二次注漿控制。此外，盾構(gòu)下穿前后徑向注漿、渣土改良、糾偏、嚴(yán)格控制管片拼裝質(zhì)量等也是盾構(gòu)隧道下穿建筑物時(shí)采取的常規(guī)措施。

在盾構(gòu)隧道下穿建筑物基礎(chǔ)時(shí)，為確保盾構(gòu)安全推進(jìn)，一般是在建筑物基礎(chǔ)底部采用注漿或基礎(chǔ)托換技術(shù)。本次盾構(gòu)隧道在地下水位以下，注漿效果難以控制。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，將雙液注漿法引入本工程。

3.2 雙液注漿法

雙液注漿法是一種兩液型注入材料，它是用特制的黏土泥漿(A液)與強(qiáng)塑劑(水玻璃，B液)以一定的比例混合，形成的一種可塑性黏土材料。盾構(gòu)施工時(shí)，利用盾體預(yù)留的徑向注漿孔在盾體與其外側(cè)土體之間的間隙同步進(jìn)行注漿，并根據(jù)地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的沉降情況，及時(shí)調(diào)整注漿壓力和注入量。

4 沉降控制效果分析

4.1 工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

采用雙液注漿法加固。監(jiān)測(cè)點(diǎn)(JC-01，JC-02，JC-03)布置參見圖2。選取其中出現(xiàn)最大位移的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC-02數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)隧道下穿時(shí)建筑物的沉降，見圖4?？芍憾軜?gòu)到達(dá)建筑物基礎(chǔ)前，建筑物有少量豎向起伏；隨著盾構(gòu)逐漸接近，建筑物沉降明顯，約有1.2 mm；在盾構(gòu)通過時(shí)，建筑物先繼續(xù)下沉而后隆起；盾構(gòu)通過后，由于盾尾間隙建筑物繼續(xù)下沉，并逐漸趨于穩(wěn)定。最終，建筑物沉降穩(wěn)定在3.6 mm左右，滿足表2中關(guān)于建筑物沉降的要求。

圖4 盾構(gòu)下穿時(shí)建筑物沉降曲線(2017年7月)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

盾構(gòu)隧道下穿鄭河小區(qū)數(shù)值分析模型(見圖5)尺寸為120 m(長(zhǎng))×80 m(寬)×60 m(高)，劃分為 35 022 個(gè)單元。土體采用實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片采用板單元模擬，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定對(duì)復(fù)合地基進(jìn)行等強(qiáng)度計(jì)算。

圖5 盾構(gòu)隧道下穿鄭河小區(qū)數(shù)值分析模型

對(duì)于雙液注漿法，采用在盾構(gòu)管片周圍設(shè)置圓形不透水環(huán)的方法來模擬，不透水環(huán)在性質(zhì)上類似土體，但是滲透系數(shù)大大降低，可有效減少盾構(gòu)隧道施工過程中的滲水量。由此得到建筑物沉降曲線，參見圖4。數(shù)值模擬所得建筑物沉降云圖見圖6。將該模型中的不透水環(huán)去除，即改為一般土體，模擬采用常規(guī)措施時(shí)盾構(gòu)隧道下穿建筑物，沉降曲線參見圖4。

圖6 采用雙液注漿法時(shí)數(shù)值模擬所得建筑物沉降云圖(單位：m)

對(duì)比圖4和圖6可知：數(shù)值模擬所得建筑物沉降曲線與實(shí)測(cè)曲線變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值模擬所得最終沉降穩(wěn)定在3.43 mm，與實(shí)測(cè)值3.6 mm較為接近，證明數(shù)值模擬參數(shù)取值合理。而采用常規(guī)措施時(shí)數(shù)值模擬得到的建筑物沉降為5.9 mm，不符合樓房沉降控制要求。采用雙液注漿法時(shí)建筑物沉降模擬值比采用常規(guī)措施時(shí)減少2.47 mm，降幅達(dá)42%?？梢姸軜?gòu)隧道下穿建筑物時(shí)采用雙液注漿法能有效減小建筑物的沉降。

5 結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)在地下水位以下盾構(gòu)隧道下穿建筑物時(shí)采用雙液注漿法的應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1)采用常規(guī)措施時(shí)建筑物沉降數(shù)值模擬值為5.9 mm，不滿足建筑物沉降控制要求。采用雙液注漿法時(shí)盾構(gòu)隧道下穿引起的建筑物沉降實(shí)測(cè)值為3.6 mm，與采用常規(guī)措施時(shí)相比降幅達(dá)39.0%。

2)該工法能夠在盾構(gòu)機(jī)周圍形成一道可靠的不透水環(huán)，該不透水環(huán)具有良好抗?jié)B性能，使注漿效果不會(huì)因下穿施工位于地下水位以下而受影響，從而有效減少施工過程中滲水量，提高施工安全系數(shù)。