盾構(gòu)施工對(duì)既有建筑物影響分析及安全控制技術(shù)

馮 凱，李 明，夏正超，彭 豐

（1.中鐵北京工程局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，安徽 合肥 230088；2.西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010）

0 引 言

隨著地鐵建設(shè)沿線的開發(fā)，工程建設(shè)面臨日漸復(fù)雜的周邊環(huán)境［1-3］。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)既需要保護(hù)既有建（構(gòu)）筑物，又要確保隧道施工本身的安全性，因此對(duì)不同的情況采用相應(yīng)的安全控制技術(shù)十分必要。

1 工程概況

昆明軌道交通地鐵系統(tǒng) 4 號(hào)線 5 標(biāo)含一站三區(qū)間。此次選取昆菊區(qū)間范圍內(nèi)區(qū)間隧道側(cè)穿黑土下（上）凹村村舍，與區(qū)間隧道鄰近的房屋大部分為 2～6 層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，無地下室，房屋基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)。為方便后續(xù)計(jì)算分析，選取較為不利工況，以區(qū)間隧道側(cè)穿黑土下（上）凹村村舍為典型建筑進(jìn)行分析。

1.1 水文地質(zhì)

根據(jù)詳勘資料，施工范圍及附近無地表徑流，可以不考慮地表水對(duì)建筑材料的腐蝕性情況。地下孔隙承壓水＜2-5＞層粉土、＜3-7＞層細(xì)砂含水層的穩(wěn)定水位為 3.4～3.6 m，滲透系數(shù)為 1.21×10-3～2.1×10-3cm/s（1.04～1.811 m/d），地層的透水性較好。＜6-5-1＞層粉土、＜10-7＞層細(xì)砂含水層的穩(wěn)定水位為 4.5～5.7 m，滲透系數(shù)為 6.39×10-4～1.19×10-3cm/s（0.552～1.029 m/d），地層的透水性較好。地下基巖裂隙水＜25-1＞含水層的穩(wěn)定水位為 6.5 m，滲透系數(shù)為0.051～0.076 m/d，平均 0.06 m/d，地層的透水性一般，且位于 YDK16+460 至區(qū)間終點(diǎn)段，＜25-1＞層地層透水性弱，埋深較大，對(duì)工程影響不大。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)涉及地層主要為＜1-2＞層素填土：呈帶狀廣泛分布于地表，厚度為 0.3～6.2 m。土質(zhì)多為黏性土夾碎石角礫，局部為碎石、角礫土。＜2-2＞層粉質(zhì)黏土：可塑狀為主，局部硬塑。局部為黏土，具中壓縮性，孔隙比 e 均值為 0.64，壓縮系數(shù)均值為 0.28 MPa-1，壓縮模量均值為 5.5MPa。＜3-2＞粉質(zhì)黏土：可塑狀，具中壓縮性，孔隙比均值為 0.693，壓縮系數(shù)均值為 0.29 MPa-1，壓縮模量均值為 5.5MPa。標(biāo)貫實(shí)測(cè)錘擊數(shù) N 值平均值為 12.8，土體工程性質(zhì)以及自穩(wěn)性一般。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)及加固措施

為保證盾構(gòu)施工過程中周圍既有建筑物的安全性和穩(wěn)定性，盾構(gòu)施工前需對(duì)既有建筑物進(jìn)行有效的加固措施；此外，為減小盾構(gòu)施工對(duì)既有建筑物的影響，應(yīng)合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

2.1 既有建筑物加固技術(shù)措施

1）盾構(gòu)通過前，例行對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢查和維修，盡可能做到不停機(jī)通過。

2）盾構(gòu)通過前，進(jìn)行地面預(yù)注漿加固，清洗注漿管預(yù)留后續(xù)注漿條件，盾構(gòu)通過時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿，盾構(gòu)通過后要根據(jù)監(jiān)控及量測(cè)結(jié)果來決定是否實(shí)施跟蹤注漿，加固體滲透系數(shù)應(yīng)小于 1×10-6cm/s。

3）嚴(yán)格控制盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行壁后注漿，并應(yīng)注意控制壁后注漿的量與壓力。

4）在管片上增設(shè)注漿孔，根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況，選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)隧道周邊一定范圍內(nèi)的地層進(jìn)行注漿加固。

2.2 盾構(gòu)施工措施

1）盾構(gòu)通過前，合理設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)，如表1所示。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

2）刀盤前方采用由泡沫添加劑 3.0 %、水 97 % 組成的泡沫溶液，經(jīng)充分膨脹后在刀盤、刀具與碴土相互作用的區(qū)域增加全方位的潤滑作用。

3）構(gòu)機(jī)穿越建構(gòu)筑物區(qū)段，為了縮短漿液初凝時(shí)間，控制管片上浮、錯(cuò)臺(tái)及隧道線型，二次注漿點(diǎn)位主要設(shè)在 15 點(diǎn)/1 點(diǎn)、2 點(diǎn)/14 點(diǎn)四個(gè)點(diǎn)位上，按照此順序依次調(diào)整注漿孔位。

二次注漿采用雙液漿，水泥漿液（水泥∶水）和水玻璃（水玻璃∶水）配比：1∶1。控制注漿量以及注漿壓力，每環(huán)注漿量控制在 0.4～0.8 m3。二次注漿壓力為 0.1～0.2 MPa，注漿后 24 h 后用鋼釬通過管片螺栓孔進(jìn)行檢查，確保二次注漿及時(shí)填充空隙不漏水。注漿位置選擇脫出盾尾 4～6 環(huán)。

4）隧道洞內(nèi)深孔注漿采用鋼花管注漿加固方式進(jìn)行，即利用管片吊裝孔（包括增設(shè)注漿孔），將Ф32 的鋼花管打入隧道內(nèi)部，在末端安裝逆止閥，并進(jìn)行注漿加固，注漿壓力值取 0.1～0.2 bar，注漿過程中注漿壓力逐步增加并穩(wěn)定注漿流量后確認(rèn)注漿完成，加固體應(yīng)有良好的均勻性。

注漿管漿液為水泥漿液、水玻璃漿液雙液漿，其中水泥采用 P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥；水灰比為 1∶1，注漿壓力擬定控制在 0.2～0.4 MPa，根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化注漿參數(shù)，注漿后在兩注漿孔之間取巖土芯，測(cè)試其土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度需不小于 1.0 MPa。

3 盾構(gòu)施工穿越既有建筑物變形影響數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算說明

參照?qǐng)D1的典型工況進(jìn)行計(jì)算，本計(jì)算采用顯式有限差分計(jì)算程序 FLAC3D［4］，三個(gè)模型范圍橫向取 160 m，沿隧道長度方向取 50 m，上至地表，下至隧道洞底以下 50 m。頂面為自由面，其他各邊界施加垂直于該面方向的約束。管片采用 35 cm 厚 C50 鋼筋混凝土，按彈性勻質(zhì)圓環(huán)考慮，用小于 1 的剛度折減系數(shù)η來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響。模型中用殼單元模擬管片；地層視為理想彈塑性材料，服從描述巖土材料的力學(xué)性質(zhì)的莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則；注漿層考慮為彈性材料，地層和注漿層均模擬為實(shí)體單元。最終的既有建筑物計(jì)算模型如圖1所示，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。本次計(jì)算考慮上部既有建筑物的影響，既有建筑物采用實(shí)體單元模擬，建筑物的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

圖1 隧道側(cè)穿既有建筑物計(jì)算模型

表2 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

表3 建筑物物理力學(xué)參數(shù)

3.2 盾構(gòu)施工模型（見圖2）

剛度遷移法是視剛度和載荷的遷移過程類比成盾構(gòu)向前的推進(jìn)過程［5］。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同時(shí)注入的惰性漿液，在計(jì)算模擬盾構(gòu)推進(jìn)的過程中，會(huì)逐漸更替漿體的材料參數(shù)。

在施工模擬中，需要設(shè)置具體的施工參數(shù)，實(shí)際施工中的參數(shù)主要有正面土壓、推進(jìn)力、扭矩、推進(jìn)速度和同步注漿量以及注漿壓力；在計(jì)算模擬施工過程中，主要控制的參數(shù)是正面土壓、注漿壓力、摩擦力以及注漿量（通過升溫膨脹模擬）。用降低土體剛度來模擬盾構(gòu)施工對(duì)周圍所引起的土體擾動(dòng)和盾尾空隙，就能很好反映周圍土體的大變形現(xiàn)象。

圖2 盾構(gòu)施工模擬示意圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

地表及建筑物的位移云圖如圖3～圖5所示。論文選取施工完成階段，即掌子面距離建筑物中心線 -25 m進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 左線掌子面距離建筑中心線-25 m（單位：m）

圖4 右線掌子面距離建筑中心線-25 m（單位：m）

圖5 盾構(gòu)施工完成后地表及建筑物豎向變形

通過圖3～5 可以發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)作用下，施工對(duì)建筑物的影響逐漸增加。左線施工完成時(shí)，建筑物的最大沉降為 1.84 mm，右線施工完成后，建筑物的最大沉降為 2.20 mm。分析表明右線距離建筑物較近，因此對(duì)建筑物的影響較大，且建筑呈向盾構(gòu)開挖方向傾斜的狀態(tài)。

4 盾構(gòu)施工穿越既有建筑物變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 地表沉降控制效果

下穿建筑物段的地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示，表中累計(jì)沉降量為 2018年5月 16日到 7月 30日的累計(jì)沉降，選取 5 個(gè)沉降量較大的點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，右線通過后，多數(shù)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降控制在 10 mm 以內(nèi)；左線通過后，多數(shù)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降控制在了 10 mm 以內(nèi)。采取了系列的控制措施，盾構(gòu)穿越既有建筑物的地表沉降未超過規(guī)定閾值。

表4 地表沉降表

4.2 下穿建筑物段的建筑物沉降效果

下穿建筑物段的部分建筑物沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表5所示，表中累計(jì)沉降量為 5月 16日到 7月 30日的累計(jì)沉降，選取 4 個(gè)典型沉降點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

表5 建筑物沉降表

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，由于采取了相應(yīng)的控制措施，建筑物沉降均小于 10 mm，盾構(gòu)穿越既有建筑物的建筑物沉降均未超限。另外，建筑物沉降大小與建筑的結(jié)構(gòu)形式、層高以及基礎(chǔ)形式均有一定關(guān)系。

5 結(jié) 語

昆明地鐵 4 號(hào)線昆菊區(qū)間下穿黑土下（上）凹村既有建筑物的時(shí)候，采取了控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、地面注漿加固以及對(duì)建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行注漿等綜合減災(zāi)技術(shù)措施。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雙線通過后，多數(shù)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降控制在 10 mm 以內(nèi)，盾構(gòu)穿越既有建筑物的地表沉降未超限?？梢姳竟こ淌┕ぶ胁扇〉目刂拼胧┦怯行У?。