不同隔離措施在阻隔盾構(gòu)施工引起地層變形試驗研究

劉 方,張宇寧,曹利強(qiáng),劉 輝

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

引言

隨著我國城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，為解決城市有效用地不足、交通擁堵等問題，城市地下空間的開發(fā)利用迎來了大發(fā)展。盾構(gòu)法憑借其自動化程度高、施工速度快、對環(huán)境影響小等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用[1]。盾構(gòu)隧道開挖不可避免地會對隧道周圍土體產(chǎn)生擾動，引起土體的移動和變形，當(dāng)變形超過一定限度時，則會對隧道工程施工、周邊建(構(gòu))筑物和管線等產(chǎn)生影響，甚至誘發(fā)重大的工程事故。對于城市密集區(qū)的大直徑盾構(gòu)隧道，由于市區(qū)內(nèi)建(構(gòu))筑物繁多，地鐵、市政道路縱橫交錯，地下管線錯綜復(fù)雜，同時大直徑隧道開挖斷面更大，對周邊地層的擾動也更為突出。為了最大限度地減少施工過程中對地層的擾動，減少地層的移動和變形，實現(xiàn)隧道的正常掘進(jìn)和周邊環(huán)境安全保護(hù)，需要在施工中采取必要的防護(hù)措施[2]來有效控制地層變形的發(fā)展和傳播，對此國內(nèi)外地下工程方向的研究學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。

項彥勇等[3]應(yīng)用解析法和有限元法并聯(lián)合淺埋暗挖區(qū)間隧道的實測數(shù)據(jù)，總結(jié)分析了隔離樁墻結(jié)構(gòu)對于隧道施工地層變形的限制作用及關(guān)鍵影響因素；王炳軍等[4]應(yīng)用數(shù)值仿真試驗研究分析了盾構(gòu)隧道施工對于不同類型樁基內(nèi)力及變形的影響；周正宇等[5]提出了基于地層加固與隔離法的隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的主動防護(hù)技術(shù)；呂高峰等[6]綜合現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結(jié)果，研究分析了復(fù)合錨桿樁對于地層變形的控制效果；黃大維等[7]研究分析了護(hù)壁套筒鉆孔灌注樁對于隧道施工地層變形的控制效果；張明聚等[8]應(yīng)用ANSYS三維地層結(jié)構(gòu)模型，研究分析了隧道不同施工階段隔離樁對于地層變形的控制效果；周旭光等[9]應(yīng)用PLAXIS 3D有限平臺，研究分析了隔離樁對于隧道施工地層變形的控制效率。孫雪兵[10]以武漢地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿工程為依托，研究分析不同防護(hù)樁布置對于地層變形的阻隔效果。

本文在延續(xù)前人關(guān)于隔離樁對隧道施工地層變形控制效果研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與數(shù)值模擬對比分析的研究方法，著重研究分析城市密集區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道施工中，布設(shè)不同隔離防護(hù)結(jié)構(gòu)對于地層變形的控制效果，并就其適用性給出客觀評價。

1 工程背景

1.1 清華園隧道

清華園隧道為京張高速鐵路重點控制性工程之一，位于北京市海淀區(qū)。隧道于學(xué)院南路南側(cè)入地，依次穿越南院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、雙清路、清華東路7條重要的市政道路后，于五環(huán)內(nèi)出地面，全長6.02 km。全隧近距離側(cè)穿地鐵13號線，還依次穿越地鐵12號線(在建)、10號線、15號線3處地鐵，以及下穿88條重要市政管線，且隧道周邊建筑物密集。清華園隧道是目前國內(nèi)城市核心區(qū)段穿越地層最復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑隧道之一[11-12]。采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，最大覆土厚度29 m。盾構(gòu)隧道采用全預(yù)制管片拼裝，設(shè)計強(qiáng)度C50、抗?jié)B等級P12，盾構(gòu)管片內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚度55 cm。清華園隧道平面布置見圖1。

圖1 清華園隧道平面位置

隧道掘進(jìn)采用2臺直徑為12.64 m的海瑞克泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，隧道防護(hù)試驗段的起止里程為DK18+200～DK17+825，總長375 m，前200 m為盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整段，后175 m為防護(hù)試驗段。試驗段地質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，上覆土為雜填土，試驗段末端為粉質(zhì)黏土和卵石土分界點，隧道分布有2層地下水，上層滯水埋深4～5 m；下層潛水埋深22～26 m，微承壓，本試驗段盾構(gòu)掘進(jìn)范圍內(nèi)主要為上層滯水。

1.2 隔離樁防護(hù)方案及目的

在盾構(gòu)試驗段范圍內(nèi)對盾構(gòu)施工地層變形采取了不同的隔離防護(hù)措施，其中DK17+985斷面采用的是鉆孔灌注樁防護(hù)結(jié)構(gòu)；DK17+935斷面采用的是門型墩防護(hù)結(jié)構(gòu)(具體為鉆孔灌注樁圍護(hù)+橫撐+內(nèi)部土體加固的綜合防護(hù)結(jié)構(gòu))；DK17+860斷面采用的是復(fù)合錨桿樁防護(hù)結(jié)構(gòu)。3個斷面的地質(zhì)條件相近，均為粉質(zhì)黏土地層，埋深差別不大。試驗段內(nèi)布設(shè)不同的隔離防護(hù)措施，旨在各種不同防護(hù)措施條件下研究盾構(gòu)施工引起周邊環(huán)境變形的隔離控制情況，并對各種防護(hù)措施對于地層變形的控制效果進(jìn)行研究分析，為后續(xù)盾構(gòu)段防護(hù)措施的選擇提供依據(jù)。

鉆孔灌注樁是工程中常用的防護(hù)隔離措施，可有效防護(hù)地鐵13號線的結(jié)構(gòu)安全。全護(hù)筒鉆孔灌注樁施工技術(shù)是利用專用搖、振動設(shè)備，使鋼護(hù)筒克服各土層間與護(hù)筒間的摩擦力，使護(hù)筒穿越樁機(jī)鉆孔施工中的不利地層，直至到達(dá)穩(wěn)定的樁端持力層，利用鉆孔設(shè)備掏空護(hù)筒內(nèi)渣土，保證灌注樁成樁的施工技術(shù)(圖2)。

圖2 鉆孔灌注樁施工工藝流程

門型墩防護(hù)對于變形控制的要求極高，全護(hù)筒跟進(jìn)施工，不僅能夠起到隔離防護(hù)作用，而且能夠防止盾構(gòu)泥漿和土體加固注漿漿液對13號線橋樁造成影響。兩側(cè)鉆孔灌注樁完成后，對中間土體進(jìn)行旋噴加固，加固區(qū)位于盾構(gòu)機(jī)中線以上，沿盾構(gòu)機(jī)外輪廓進(jìn)行加固、不侵入掘進(jìn)斷面，用于加強(qiáng)土體整體性，并預(yù)防泥水壓力提高時引起的冒頂風(fēng)險，能夠大幅增強(qiáng)先期沉降控制效果。

復(fù)合錨桿樁通常采用鋼筋加水泥漿液組成，類似于垂直的錨桿，通過多排樁組合布置形成高強(qiáng)度的隔離區(qū)，是地鐵防護(hù)的常用措施。復(fù)合錨桿樁采用先鉆孔，孔徑為180 mm，成孔后沖洗淤泥，并清理干凈孔內(nèi)，再插入預(yù)做的鋼筋，安放后，用P.O.42.5水泥漿，配比1∶1，最后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)成樁后進(jìn)行二次、三次注漿。利用空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣進(jìn)行排渣，可保證施工過程中周邊土體穩(wěn)定(圖3)。

圖3 復(fù)合錨桿樁工藝流程

2 現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 隔離樁及測點布置

按照1.2節(jié)的防護(hù)方案設(shè)計，現(xiàn)在各斷面的重要位置處進(jìn)行相關(guān)測點的布置，著重分析DK17+985(鉆孔灌注樁防護(hù))、DK17+935(門型墩防護(hù))、DK17+860(復(fù)合錨桿樁防護(hù))3個斷面內(nèi)施工中地表沉降測點、樁頭沉降測點以及樁體水平位移測點的變形情況。具體3個斷面的防護(hù)方案設(shè)計和測點布置情況如圖4～圖6所示。

圖4 DK17+985橫斷面布置(單位：cm)

圖5 DK17+935橫斷面布置(單位：cm)

圖6 DK17+860橫斷面布置(單位：cm)

2.2 監(jiān)測結(jié)果

整理現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可得到盾構(gòu)在不同施工階段的橫向地表沉降槽的分布規(guī)律(圖7～圖12)，并根據(jù)PECK經(jīng)驗公式可擬合給出各斷面位置處的地層損失率、沉降槽寬度等系數(shù)。

綜合3個斷面的地表沉降和防護(hù)樁體的水平位移的監(jiān)測結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用門型墩防護(hù)措施的DK17+935斷面的最大沉降值約為6 mm，最大水平位移約為1.0 mm；應(yīng)用鉆孔灌注樁防護(hù)措施的DK17+985斷面的最大沉降值約為8 mm，最大水平位移約為1.5 mm；應(yīng)用復(fù)合錨桿樁防護(hù)措施的DK17+860斷面的最大沉降值約為13 mm，最大水平位移約為2.0 mm。同時整理3個斷面的橫向地表沉降測點的實測數(shù)據(jù)，并采用Peck公式(式(1)～式(2))擬合，可得到擬合計算結(jié)果見表1。

(1)

(2)

式中，S為距離隧道軸線y處的沉降；VL為地層損失率；Aexc為隧道開挖面積；i為沉降槽寬度；K為沉降槽寬度系數(shù)；H為隧道軸線埋深。

表1 斷面實測Peck擬合計算結(jié)果

3 隔離樁隔離效果分析

3.1 隔離效果參數(shù)分析

依據(jù)試驗段各斷面的測點的實測數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合地表沉降測點和防護(hù)樁頂位移，提出防護(hù)效率參數(shù)來描述3種防護(hù)措施的隔離效果。防護(hù)措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過程，即土體變形在防護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，為了定量化地體現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)的這種防護(hù)效果，基于防護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面變形穩(wěn)定階段的地表變形曲線，選取變形曲線防護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)曲線斜率Ko與防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)曲線斜率Ki，通過式(3)計算得到變形斜率相對減小率η，以該值作為隔離效果的判別參數(shù)，其計算原理如圖13所示。

圖13 隔離效果判定參數(shù)計算原理

(3)

按照上述隔離效果判定參數(shù)的計算原理可得到各不同防護(hù)措施的評價效果如表2所示。

復(fù)合錨桿樁雖然在3種防護(hù)措施中的隔離效果最差，但是與其他兩種隔離措施的隔離效果差別不是很大。且復(fù)合錨桿樁施工的難度較小，且經(jīng)濟(jì)實惠，因此在類似的工程中使用復(fù)合錨桿樁就可以達(dá)到隔離變形的目的。

表2 防護(hù)措施效果評價

3.2 隔離措施數(shù)值模擬

三維數(shù)值方法在模擬盾構(gòu)施工對地層的影響中具有重要的意義[13-14]，計算結(jié)果可以為設(shè)計及施工提供重要參考。本文采用大型數(shù)值巖土數(shù)值軟件MIDAS-GTS模擬[15]?；趯嶋H工程情況，把3種不同的防護(hù)措施同時放在一個數(shù)值模型中，整體分析不同防護(hù)措施對地層變形的控制效果，數(shù)值模型建立如圖14所示。

圖14 不同防護(hù)措施數(shù)值模型

按照上面的數(shù)值模型，分別分析計算不同隔離措施下盾構(gòu)施工引起的地層變形以及橋樁變形，各斷面的計算云圖見圖15～圖20。

圖15 DK17+985斷面地層變形云圖

圖16 DK17+985鉆孔灌注樁與橋樁變形云圖

圖17 DK17+935斷面地層變形云圖

圖18 DK17+985門型墩與橋樁變形云圖

圖19 DK17+860斷面地層變形云圖

圖20 DK17+860復(fù)合錨桿樁與橋樁的橫向變形

圖21 3個斷面的數(shù)值模擬沉降槽分布

由3個斷面數(shù)值模擬的計算結(jié)果，可得到3個斷面采取不同防護(hù)措施后地表橫向沉降的曲線變化如圖21所示，由3個斷面的模擬沉降槽曲線可以看出：由于存在防護(hù)結(jié)構(gòu)，地表沉降曲線明顯不對稱，有防護(hù)措施的一側(cè)沉降整體小于沒有布置防護(hù)措施的一側(cè)，且曲線中能夠明顯看出在各斷面的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計處沉降曲線存在拐點，這表明采用門型墩、防護(hù)樁或復(fù)合錨桿樁，均能夠有效隔斷地層變形傳遞。

同時對數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的地表沉降與樁體位移的進(jìn)行對比分析，如表3所示。

表3 三斷面現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

由表3的統(tǒng)計結(jié)果可發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實測情況相差不大，說明了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，同時由3個斷面數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果對比得到門型墩防護(hù)措施在對地表最大沉降、樁體最大水平位移以及地層變形隔離效果方面均表現(xiàn)出最優(yōu)的控制效果。

4 結(jié)論

基于盾構(gòu)施工過程中，通過不同防護(hù)措施試驗斷面的實測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

(1)應(yīng)用鉆孔灌注樁、門型墩和復(fù)合錨桿樁3種地層隔離防護(hù)設(shè)計，能有效阻隔地層變形的傳遞路徑，達(dá)到了地層變形控制和周邊環(huán)境保護(hù)的目的；

(2)由隔離效果參數(shù)分析和數(shù)值模擬計算結(jié)果可得到：門型墩防護(hù)措施對地層變形的隔斷效果最佳，鉆孔灌注樁次之，復(fù)合錨桿樁的防護(hù)效果相對最弱。

(3)復(fù)合錨桿樁雖然在3種防護(hù)措施中的隔離效果最差，但是與其他兩種隔離措施的隔離效果差別不是很大。且復(fù)合錨桿樁施工的難度較小，且經(jīng)濟(jì)實惠，因此在類似的工程中使用復(fù)合錨桿樁就可以達(dá)到隔離變形的目的。