土壓平衡盾構(gòu)下穿密集建筑群加固方案優(yōu)選

譚嘯峰，許超，楊志勇*

（1.中交二航局南方工程有限公司，廣東 廣州 518067；2.中交二航局技術(shù)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

盾構(gòu)法已成為廣東軟土地區(qū)城市軌道交通施工最常用的方法，土壓平衡盾構(gòu)由于其適用性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢成為盾構(gòu)施工中主要采用的施工機(jī)械[1-2]。但由于開挖面支護(hù)壓力難以保持穩(wěn)定且盾構(gòu)掘進(jìn)是一個(gè)不斷維持動(dòng)態(tài)平衡的過程，采用土壓平衡盾構(gòu)施工不可避免的將會(huì)引起地層損失，進(jìn)而導(dǎo)致沉降變形[3-5]，尤其在地面建筑密集地區(qū)沉降過大會(huì)危害周邊建筑正常使用，甚至導(dǎo)致工程事故發(fā)生[6]。因此，有必要研究如何采取輔助工法進(jìn)行地面加固降低盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響[7-8]。

1 工程概況

廣州市軌道交通十四號(hào)線土建1標(biāo)段鄧村站—江埔站區(qū)間盾構(gòu)隧道左、右線在里程Y（Z）CK60+800—Y（Z）CK61+100位置下穿姓鐘圍房屋群，長度范圍約405 m，隧道埋深10～18 m，盾構(gòu)隧道直接下穿房屋數(shù)量為15棟，隧道影響范圍內(nèi)房屋數(shù)量為38棟。隧道開挖斷面土層主要為富水砂礫地層，包括粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂和強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖。下穿房屋層高3～7層不等，一般采用條形基礎(chǔ)、磚混結(jié)構(gòu)，房屋之間間距2～15 m。

隧道與姓鐘圍房屋群之間位置關(guān)系的平面和剖面見圖1。

2 盾構(gòu)隧道下穿房屋加固方案

圖1 隧道與姓鐘圍房屋群示意圖（m）Fig.1 Sketch of tunnels and Xingzhongwei house group(m)

鄧村站—江埔站區(qū)間盾構(gòu)隧道是長距離下穿姓鐘圍房屋群，且穿越范圍內(nèi)地層分布變化較小。右線盾構(gòu)距離房屋較近，產(chǎn)生地表沉降對(duì)房屋擾動(dòng)較大，因此加固方案主要圍繞房屋基礎(chǔ)及右線盾構(gòu)隧道展開。施工過程中主要考慮了以下5種加固方案。

1）袖閥管注漿加固

袖閥管注漿加固是在盾構(gòu)掘進(jìn)到姓鐘圍房屋群前進(jìn)行，對(duì)姓鐘圍房屋群43棟房屋底部砂層部分進(jìn)行預(yù)注漿加固。沿房屋結(jié)構(gòu)外1.5 m、3.5 m線施做兩排袖閥管注漿鉆孔，同排孔間距1.5 m，打設(shè)斜孔到房屋投影下方，孔口侵入基礎(chǔ)以下深度不小于3 m，以最大程度加固房屋下基礎(chǔ)持力層。在盾構(gòu)隧道通過前，注入水泥漿液改變地基土壓縮特性，減小地層損失造成的沉降。但采用袖閥管注漿方案受地面建筑物影響較大，在建筑物周邊管線較多、房屋間距狹小等情況下，袖閥管施工可實(shí)施性難度大大增加。袖閥管注漿加固示意圖見圖2。

圖2 袖閥管注漿加固剖面圖（m）Fig.2 Sleeve valve tube grouting reinforcement section(m)

2）水平定向鉆孔注漿加固

水平定向鉆孔注漿加固技術(shù)是利用定向鉆進(jìn)行鉆探成孔，放置預(yù)制φ108鋼閥管，用低強(qiáng)度快凝材料封堵環(huán)形空間后，用水力式止?jié){塞實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量注漿。根據(jù)工程實(shí)際情況，進(jìn)行控制預(yù)注漿加固。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固范圍后，根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行補(bǔ)充跟蹤注漿。水平定向鉆注漿可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離鉆進(jìn)注漿，對(duì)建筑物等結(jié)構(gòu)環(huán)境影響較小。

實(shí)施方法為：在姓鐘圍房屋群范圍兩個(gè)端頭內(nèi)成孔，在左、右線隧道上方2～3 m處平行打設(shè)一排鋼閥管形成管棚，打設(shè)長度約360 m（含120 m造斜段）。鋼閥管間距3 m，共設(shè)置16根。通過管內(nèi)注漿將鋼閥管與周圍砂土層固結(jié)成整體，從而減少盾構(gòu)下穿過程中拱頂砂土的流失，減少地面沉降風(fēng)險(xiǎn)。

3）MJS樁隔離加固

對(duì)于盾構(gòu)側(cè)穿建構(gòu)筑物時(shí)，可在房屋與隧道間采用旋噴樁隔離的方式，目前工法主要為單（多）重管旋噴加固及衍生高壓旋噴樁工法MJS、RJP等。加固的主要目的是阻斷或減弱地層變形的傳遞，減少盾構(gòu)隧道施工階段超挖等形成水土流失對(duì)建筑物的影響，起到對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)作用。普通旋噴樁施工過程中對(duì)房屋影響較大，往往成樁過程中已造成地表沉降或隆起；采用MJS工法樁可有效控制地基內(nèi)壓力，減少地基變形。MJS工法樁能夠在較小的空間里對(duì)土體進(jìn)行加固，對(duì)施工場地要求不高。

根據(jù)加固范圍設(shè)計(jì)方案擬在隧道拱頂土體進(jìn)行加固處理，針對(duì)隧道與居民房相對(duì)位置不同共劃分成5個(gè)加固區(qū)，每個(gè)加固區(qū)MJS樁傾斜角度隨隧道和房屋之間的位置關(guān)系變化，變化范圍為28°～66°，MJS樁體直徑分別為1 m和1.3 m兩種，相鄰樁之間咬合部分寬度分別為0.2 m和0.3 m。MJS樁加固剖面見圖3。

圖3 重點(diǎn)房屋段MJS樁加固剖面圖Fig.3 MJSpilereinforcementsectioninkeyhousingsection

4）超前大管棚加固

鑒于周邊環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，且考慮到左線隧道外側(cè)為已建成的公路下穿隧道，具備大管棚施工的條件，可以通過預(yù)先打設(shè)超長大管棚加固地層。在從化大道已建成公路隧道內(nèi)向盾構(gòu)隧道左、右線上方打設(shè)一排大管棚，打設(shè)范圍約140 m。隧道頂上覆土約3～5 m，采用直徑108 mm的大管棚，間距300 mm，單根長度20 m，管棚施打長度超過右線隧道影響范圍內(nèi)房屋邊線3 m，單根總長度約50～60 m。管棚施工地層主要為粉質(zhì)黏土層。管節(jié)需鉆眼形成出漿孔，通過管棚鋼管內(nèi)注漿，將管棚與周圍巖土體固結(jié)成整體，增加圍巖強(qiáng)度；理想狀態(tài)下能夠形成一層薄殼狀加固體，提高地基承載力。由于公路隧道長度有限，剩余100 m部分房屋下方仍無法進(jìn)行大管棚施工，需要其他輔助工法加固。大管棚加固斷面見圖4。

圖4 管棚加固橫斷面布置圖Fig.4 Cross section plan of pipe shed reinforcement

5）隧道內(nèi)部注漿加固

當(dāng)?shù)孛娼ㄖ芗療o法滿足注漿加固施工條件時(shí)，也可采用地下注漿加固的方式。通過先期在左線隧道內(nèi)注漿加固右線未推進(jìn)隧道頂部土層，減小右線隧道通過時(shí)地層沉降。洞內(nèi)加固注漿采用水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿，注漿時(shí)在不改變地層組成的情況下，將土層顆粒間水?dāng)D出，使顆粒間的空隙充滿漿材并使其固結(jié)，達(dá)到改良土層性狀的目的。具體實(shí)施方式為：在待掘進(jìn)隧道中心以上6 m及隧道中心兩側(cè)各5 m，縱向240 m長度范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固。注漿孔孔底間距0.9～1.5 m，隧道內(nèi)每環(huán)管片設(shè)計(jì)6個(gè)注漿孔。隧道240 m加固長度共布設(shè)954個(gè)注漿孔。注漿加固斷面見圖5。

圖5 隧道內(nèi)注漿加固示意圖Fig.5 Grouting reinforcement in tunnel

3 方案比選及綜合分析

不同加固方案比較如表1所示。

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，綜合考慮各加固方案的可靠性、可實(shí)施性、工藝的成熟程度等，在兼顧經(jīng)濟(jì)性合理的同時(shí)，也要考慮縮短工期所節(jié)約的時(shí)間成本，得出以下結(jié)論：

1）各種輔助工法在實(shí)施過程中均不同程度地受到場地限制、環(huán)境限制等影響，特別是常規(guī)的袖閥管注漿施工，需要進(jìn)行大面積人員臨遷，可實(shí)施性最低；而水平定向鉆注漿對(duì)環(huán)境影響最小，可實(shí)施性最高，但其在市政加固項(xiàng)目應(yīng)用較少，可借鑒經(jīng)驗(yàn)少且加固效果仍有待驗(yàn)證。

2）各種輔助工法中，大管棚加固效果最佳，并且成功應(yīng)用于淺埋暗挖等地質(zhì)條件較差、地面沉降控制要求較高的市政工程中，具有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。但其在施工前需要進(jìn)行工作井施工，本項(xiàng)目中雖可借助現(xiàn)場已有公路隧道結(jié)構(gòu)物進(jìn)行工作井施工，但成本較高。

3）洞內(nèi)注漿方案可在隧道內(nèi)進(jìn)行，對(duì)地面環(huán)境影響小。但其必須在一條已建隧道作為加固施工區(qū)，對(duì)盾構(gòu)施工組織造成較大影響，并且目前洞內(nèi)注漿加固主要針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工加固，并沒有大面積使用的可借鑒經(jīng)驗(yàn)，對(duì)區(qū)域管片造成的影響還需要進(jìn)一步分析和研究。

表1 不同加固方案比較Table 1 Comparison of different reinforcement schemes

4）MJS高壓旋噴樁工法通過地內(nèi)主動(dòng)排漿監(jiān)測系統(tǒng)，有效控制地內(nèi)壓力，對(duì)地面房屋影響較??；同時(shí)高壓旋噴成樁，成樁半徑、樁身強(qiáng)度可控，加固效果僅次于管棚法；MJS工法樁施工設(shè)備已開始國產(chǎn)化，施工成本比袖閥管注漿工藝略高，但遠(yuǎn)低于管棚法施工，經(jīng)濟(jì)性較好。

綜上所述，在類似地質(zhì)條件復(fù)雜且地面房屋密集無遷改條件下，采用MJS工法樁對(duì)房屋進(jìn)行隔離加固方案在加固效果、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)境影響等綜合條件比選下最為有利。

4 MJS工法樁加固效果

采用MJS樁加固后，盾構(gòu)順利穿越房屋密集群，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中房屋沉降統(tǒng)計(jì)值見圖6。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中右線隧道下穿后房屋沉降曲線波動(dòng)較大，對(duì)房屋影響較大；局部對(duì)個(gè)別房屋沉降較大，最大累計(jì)沉降值12 mm，這主要是因?yàn)槭┕み^程中打設(shè)該位置時(shí)咬合樁連續(xù)打設(shè)，受到場地影響未能按照“打一跳二”的既定施工順序施工。綜合分析，雙線盾構(gòu)通過工程中，房屋沉降基本控制在±4 mm以內(nèi)，差異沉降量控制在±1 mm左右，房屋傾斜度滿足規(guī)范要求。由此說明采用高壓微擾動(dòng)旋噴樁（MJS）咬合加固對(duì)房屋起到了很好的保護(hù)作用。

圖6 房屋沉降統(tǒng)計(jì)Fig.6 Housing settlement statistics

5 結(jié)語

本文結(jié)合廣州地鐵14號(hào)線盾構(gòu)下穿姓鐘圍房屋群，提出了5種地層加固方案，對(duì)5種方案進(jìn)行優(yōu)選分析，得出以下主要結(jié)論：

1）5種加固方案均具有一定的加固效果。針對(duì)本項(xiàng)目經(jīng)綜合比選各種輔助加固工法、工期和經(jīng)濟(jì)性各有利弊。

2）采用MJS傾斜樁加固效果良好，能夠有效消除雙線隧道施工產(chǎn)生的地面沉降疊加效應(yīng)，有效降低地基沉降幅度。實(shí)踐證明，MJS工法樁加固后房屋基礎(chǔ)最大隆、沉值基本控制在±4 mm以內(nèi)。