復(fù)合地層盾構(gòu)上方建筑物沉降特征及原因

郭雙喜，金平，汲廣坤，鐘嘉政，胡欽鑫

(1.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.中鐵四局城軌分公司；3.中南大學 土木工程學院)

1 前言

土壓平衡盾構(gòu)憑其開挖速度快、施工安全經(jīng)濟、無輸送及處理設(shè)備占用地表空間等優(yōu)點在城市地鐵隧道施工領(lǐng)域中被廣泛使用。然而，盾構(gòu)在軟土地層中施工引起的地層損失和周邊被擾動土體的固結(jié)沉降是客觀存在的，從而導(dǎo)致地表隆沉。這類工程問題在土壓平衡盾構(gòu)開始應(yīng)用于復(fù)合地層后，由于地層的復(fù)雜多變、現(xiàn)有技術(shù)的局限和施工參數(shù)管理的不完善而變得更為嚴重。加之城市交通網(wǎng)的不斷發(fā)展，以盾構(gòu)隧道形式下穿既有構(gòu)筑物的工程逐漸增多，盾構(gòu)引起的地表變形會引發(fā)地表構(gòu)筑物沉降或不均勻沉降等次生災(zāi)害，造成構(gòu)筑物的損壞甚至重大財產(chǎn)損失或人員傷亡事故。其中，盾構(gòu)下穿既有房屋建筑的工程最為普遍，因此盾構(gòu)下穿期間房屋建筑的沉降情況受到高度重視。近年來已有很多學者對盾構(gòu)中下穿房屋建筑的工程實例展開了研究分析。

一是研究建筑物在盾構(gòu)下穿期間的沉降情況。丁克勝等以盾構(gòu)下穿磚木結(jié)構(gòu)為例，采用軟件計算分析和現(xiàn)場實測的方法分析建筑物的變形控制和沉降變化規(guī)律；孫宇坤等通過監(jiān)測盾構(gòu)下穿期間住宅群的沉降時變曲線，根據(jù)杭州地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)的沉降槽曲線來修正地層損失率和沉降槽寬度參數(shù)；吳鋒波等也對Peck公式進行推導(dǎo)和參數(shù)修正，建立了建筑物沉降預(yù)測公式，并給出不同城市建筑物沉降槽寬度參數(shù)的參考取值。

二是對同步注漿減少沉降的傳統(tǒng)方法進行改良，在工程中提出新方案來使盾構(gòu)下穿期間建筑物的沉降量控制在安全范圍內(nèi)。如王家祥在盾構(gòu)下穿密集居民區(qū)時采用的盾構(gòu)形式優(yōu)化結(jié)合同步注漿、跟蹤注漿與車架平臺補漿三步注漿方案；李樹武等采用的二重管無收縮雙液注漿工法等，這些方法均被實踐證明是有效的。

三是通過監(jiān)測沉降量、施工參數(shù)以及數(shù)值模擬結(jié)果來分析盾構(gòu)下穿期間建筑物的沉降原因，并以此提出控制措施。昝子卉對比數(shù)值模擬結(jié)果和自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出建筑物沉降量與盾構(gòu)下穿位置有關(guān)，預(yù)加固建筑樁范圍地層可有效減少沉降；張?zhí)烀鹘Y(jié)合實例，研究分析盾構(gòu)下穿施工對地表變形、建筑物沉降的影響機理，并總結(jié)出建筑物的變形控制基準值；張潤峰等以軟黏土地區(qū)某盾構(gòu)區(qū)間為背景，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果和有限元模型，研究當盾構(gòu)下穿既有房屋時掘進參數(shù)及姿態(tài)參數(shù)的相關(guān)性和變化規(guī)律；鄭剛等以軟土地區(qū)盾構(gòu)穿越重要區(qū)域為背景，針對頂推力、刀盤扭矩、土倉壓力和同步注漿壓力等在正常施工范圍內(nèi)的波動對地表沉降的影響，進行敏感性及風險分析，針對關(guān)鍵掘進參數(shù)提出周邊地表沉降的控制和預(yù)警措施。

綜上可知，學者們在軟弱地層盾構(gòu)下穿既有建筑物方面已取得一定的研究成果，但鮮有對復(fù)合地層中盾構(gòu)下穿建筑物進行研究，或沒有針對具體地層和掘進情況分析建筑物沉降的原因，而且由于中國各地的地質(zhì)條件和既有構(gòu)筑物特征的巨大差異，導(dǎo)致已有的研究成果難以適用在深圳復(fù)合地層中盾構(gòu)下穿既有住宅群的工程實踐中。因此，該文以深圳地鐵某線盾構(gòu)下穿既有房屋的施工段為依托，結(jié)合建筑沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與盾構(gòu)施工參數(shù)，分析既有房屋在盾構(gòu)下穿期間出現(xiàn)過大沉降的特征及原因，并據(jù)此提出建議，為日后同類工程提供經(jīng)驗和指導(dǎo)。

2 工程背景

深圳市軌道交通某盾構(gòu)區(qū)間左線長910.062 m，右線長928.459 m，全長1 838.521 m，設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房。區(qū)間沿途先后上跨其他地鐵線路，下穿城市道路、高速橋、居民小區(qū)、地鐵站等。其中，盾構(gòu)下穿某居民小區(qū)1號、2號樓期間，建筑物出現(xiàn)沉降量過大導(dǎo)致墻壁開裂等情況，下文介紹盾構(gòu)下穿既有房屋期間的情況。

2.1 盾構(gòu)區(qū)間與既有房屋的相對位置

區(qū)間左線在183～191環(huán)位于1號樓下方，在208～222環(huán)位于2號樓下方，如圖1所示。下穿段隧道埋深20～21.8 m。1號樓與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距1.67 m，2號樓與區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距1.34 m。

圖1 盾構(gòu)下穿既有房屋隧道房屋位置關(guān)系平面圖

2.2 下穿房屋情況

該房屋為磚混結(jié)構(gòu)8層，下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)+承臺，D480 mm錘擊沉管鋼筋混凝土灌注樁，樁身混凝土為C18，樁長16 m，鋼筋籠長8 m，樁底絕對標高-14.0 m，無地下室及錨索類圍護結(jié)構(gòu)。

2.3 盾構(gòu)下穿期間穿越地層地質(zhì)條件

如圖2所示，盾構(gòu)隧道下穿段穿越復(fù)合地層，房屋樁基底部主要位于③11卵石土地層中，1號樓下方盾構(gòu)主要位于③11卵石土、⑧2-1砂土狀強風化花崗巖；2號樓下方盾構(gòu)主要位于③11卵石土、⑧1全風化花崗巖、⑧2-1砂土狀強風化花崗巖層中。當?shù)侗P位于183～207環(huán)時，盾構(gòu)穿越地層斷面的卵石含量逐漸增大，砂狀全風化花崗巖減少，至207環(huán)斷面卵石占比最大，而后刀盤位于207～217環(huán)時，穿越斷面的卵石逐漸減少，全風化花崗巖和砂土狀花崗巖逐漸增多，從刀盤到達218環(huán)起，盾構(gòu)進入全斷面風化花崗巖地層。

圖2 盾構(gòu)下穿既有房屋地質(zhì)縱斷面圖(單位：m)

為了具體了解盾構(gòu)下穿時穿越地段的地質(zhì)情況，取試驗環(huán)渣土進行篩分試驗得到級配情況，進而推知沿掘進方向地層斷面不同類型土含量的分布規(guī)律。級配所示(圖3)土樣為盾構(gòu)出渣土，即掘進斷面多種地層的混合土。

圖3 試驗環(huán)渣土顆粒級配曲線

由圖3可知：盾構(gòu)在177～195環(huán)掘進時(盾構(gòu)掘進環(huán)數(shù)代表盾尾所處位置的環(huán)數(shù)，后同)，因地層斷面的卵石范圍增大，渣土中的粗粒(d>20 mm)含量隨著盾構(gòu)掘進不斷增大；203環(huán)(刀盤位于207環(huán))后的渣土粉黏粒(d<0.075 mm)含量不斷增多，至217環(huán)(刀盤為221環(huán)，進入全斷面風化花崗巖)粉黏粒含量達到18.99%。由此可知，原狀全風化花崗巖和砂土狀強風化花崗巖是一種含砂量高又具有較強黏性的地層。

3 盾構(gòu)下穿建筑沉降監(jiān)測值分析

3.1 既有房屋1號樓沉降監(jiān)測值分析

如圖4所示，沿1號樓外輪廓共設(shè)置J1-1～J1-17號沉降值測點，其中J1-1位于183環(huán)正上方，J1-2位于184環(huán)左側(cè)。監(jiān)測結(jié)果如圖5、6所示。

圖4 1號樓測點布置示意圖

由圖5可看出：盾構(gòu)從168環(huán)掘進至177環(huán)，盾構(gòu)刀盤逐漸接近J1-1測點，測點產(chǎn)生了2.96 mm沉降，相鄰點J1-2產(chǎn)生了2.59 mm沉降；當盾構(gòu)從177環(huán)掘進至182環(huán)時，刀盤從J1-1號測點下通過，J1-1號沉降值突增至11.48 mm；182環(huán)后盾尾離開J1-1測點，此后沉降值變化趨于穩(wěn)定。其他測點趨勢與J1-1類似，但隨著離隧道軸線距離增大而減小。

圖5 不同掘進環(huán)數(shù)1號樓J1-1～J1-8測點累計沉降量

從圖6也可看出：盾構(gòu)從178環(huán)掘進至182環(huán)時，刀盤正在接近建筑物測點J1-17，期間J1-17測點的沉降值從2.17增大至6.41 mm；當盾構(gòu)從182環(huán)掘進至188環(huán)時，刀盤通過J1-17測點下方，沉降值突增至14.84 mm，188環(huán)后盾尾通過J1-17測點，這期間測點沉降值變化小，僅增長至15.71 mm。

圖6 不同掘進環(huán)數(shù)1號樓J1-9～J1-17測點累計沉降量

因此，盾構(gòu)掘進對J1-9～J1-17測點沉降值的影響規(guī)律與J1-1～J1-8測點基本一致，說明刀盤通過建筑物期間，刀具切削擾動地層和盾構(gòu)前進引起的地層損失是造成建筑物沉降的主要原因，而盾尾通過建筑物期間，擾動后地層發(fā)生的固結(jié)沉降量小，且同步注漿及時充填盾尾間隙，故對建筑物沉降影響較小。

3.2 既有房屋2號樓沉降監(jiān)測值分析

如圖7所示，2號樓設(shè)置J2-1～J2-17號建筑沉降測點，沉降監(jiān)測結(jié)果見圖8、9。其中J2-3、J2-4、J2-5、J2-14和J2-15號測點的沉降值所受影響較大，影響范圍為J2-2～J2-8號測點，距離為38.1 m；J2-13～J2-16號測點，距離29.3 m。

圖7 2號樓測點布置示意圖

圖8 不同掘進環(huán)數(shù)2號樓測點J2-1～J2-9累計沉降量

從圖8可看出：盾構(gòu)從202環(huán)掘進至206環(huán)時，刀盤從J2-3測點下通過，該測點出現(xiàn)明顯沉降，沉降值達18.46 mm；盾構(gòu)從206環(huán)掘進至210環(huán)時，刀盤正好從建筑物測點J2-4和J2-5下方通過，J2-4和J2-5沉降明顯增大；盾構(gòu)從210環(huán)掘進至216環(huán)時，盾尾位置逐漸遠離測點，測點沉降值變化趨于穩(wěn)定。

從圖9還可看出：盾構(gòu)從210環(huán)掘進至222環(huán)時，刀盤正好從建筑物測點J2-14及J2-15鄰近處下方通過，各測點產(chǎn)生了明顯的沉降變形；盾構(gòu)掘進至222環(huán)后，盾尾逐漸遠離建筑物下方范圍，此后各測點沉降值變化趨于穩(wěn)定。

圖9 不同掘進環(huán)數(shù)2號樓測點J2-11～J2-17累計沉降量

類似于盾構(gòu)下穿1號樓的情況，盾構(gòu)下穿2號樓時，刀盤下穿建筑物時產(chǎn)生的沉降為主要沉降，盾尾通過對建筑物沉降的影響較小。而且相較于盾構(gòu)從樁基一側(cè)下穿1號樓，盾構(gòu)從樁基中間下穿2號樓時下方地層與盾構(gòu)區(qū)間交叉范圍更大，這是2號樓沉降范圍和沉降值更大的原因之一。

綜上可得，盾構(gòu)掘進引起的上方建筑物沉降量可控制在容許范圍內(nèi)，雖說盾構(gòu)通過時的安全性得到保證，但探明沉降原因以提出優(yōu)化措施盡量避免建筑物沉降是很有必要的。既有房屋1號和2號樓沉降監(jiān)測值表明：建筑物的沉降量與盾構(gòu)掘進行程相關(guān)，當盾構(gòu)刀盤通過時，建筑物產(chǎn)生的沉降值最大，而盾尾通過對沉降影響很??；盾構(gòu)下穿1號樓引起的建筑沉降范圍和沉降值均小于2號樓，一方面是由于2號樓下方地層與盾構(gòu)區(qū)間交叉范圍更大；另一方面可能是施工參數(shù)管理不到位，下一步應(yīng)對比分析下穿1號和2號樓時的施工參數(shù)以分析沉降原因。

4 盾構(gòu)下穿期間施工參數(shù)分析

主要針對盾構(gòu)掘進至既有房屋1號樓和2號樓下方地層時的出渣量、同步注漿量、盾構(gòu)機械掘進參數(shù)等進行分析，即整理掘進環(huán)數(shù)為177～224環(huán)時的施工參數(shù)來剖析建筑沉降原因。

4.1 出渣量分析

4.1.1 理論出渣量

依托工程，盾構(gòu)刀盤直徑為6.28 m，軟土層切削下來的松散系數(shù)(松散礦石的體積與礦石未松動時自然體積的比值)取1.2(一般松軟土開挖后松散系數(shù)經(jīng)驗取值為1.2～1.3)，然后將盾構(gòu)每掘進1 m的理論出渣量假設(shè)為盾構(gòu)切削下來的出土體積和改良劑(包括水、泡沫和膨潤土)注入體積的總和，但該假設(shè)忽略了渣土吸水和改良劑填充渣土孔隙的作用，因此理論出渣量應(yīng)略大于實際出渣量，理論出渣量計算式為：

V理=A盾構(gòu)×1×1.2+V改良劑=37.17 m3+V改良劑

4.1.2 理論出渣量與實際出渣量對比

盾構(gòu)實際出渣量的統(tǒng)計方式為技術(shù)員根據(jù)每輛渣土車的裝土量，用鋼尺測量車內(nèi)渣土的高度后進行估算，雖測量具有一定誤差，但該數(shù)據(jù)可作為發(fā)現(xiàn)出渣量異常點的依據(jù)(圖10)。由圖10可知：當盾構(gòu)在174～203環(huán)掘進時，改良劑的總使用體積維持在0.8～1.7 m3/m，此時出渣量維持在34～39 m3/m，略低于理論出渣量；盾構(gòu)在203環(huán)后因土層黏粒含量增大，改良劑用量逐漸增大，到217環(huán)后維持在8.5～9 m3/m，出渣量也隨著盾構(gòu)掘進逐漸增大并略高于理論出渣量，但值得注意的是203、207和213環(huán)出渣量明顯高于理論出渣量，至217環(huán)后出渣量又出現(xiàn)減少，低于理論出渣量。因此可初步得出，盾構(gòu)在174～201、217～223環(huán)掘進時出渣量正常，203～217環(huán)掘進出渣量稍多，特別是203、207和213環(huán)出現(xiàn)一定的超方。

圖10 第177～224環(huán)盾構(gòu)出渣量

4.2 同步注漿量

4.2.1 理論注漿量

盾構(gòu)理論注漿量與盾構(gòu)切削外徑、管片外徑、地層損失率有關(guān)，該工程盾構(gòu)切削外徑為6.28 m，管片外徑為6 m，理論注漿量取2.7 m3/m。

4.2.2 理論注漿量與實際注漿量對比

理論注漿量與實際注漿量對比見圖11。

由圖11可知：盾構(gòu)實際同步注漿量均大于理論值，特別是在盾構(gòu)下穿2號樓時，注漿量為理論值的2～3倍，因此可初步斷定因同步注漿不到位導(dǎo)致地表沉降大的可能性小。

圖11 實際注漿量和理論注漿量對比

4.3 盾構(gòu)機械掘進參數(shù)

掘進過程中由于出現(xiàn)機械故障或人員調(diào)配等，會造成幾分鐘至幾十分鐘的停機，該段時間內(nèi)的掘進參數(shù)不在其平均值的計算范圍內(nèi)。盾構(gòu)下穿建筑期間盾構(gòu)司機設(shè)置的刀盤轉(zhuǎn)速和螺機轉(zhuǎn)速基本一致。

4.3.1 掘進速度、推力、刀盤扭矩

如圖12、13所示，盾構(gòu)從177環(huán)掘進至203環(huán)時，該區(qū)間沿掘進方向地層礫石和卵石含量逐漸增多，掘進時切削難度增大，盾構(gòu)環(huán)均掘進速度減小，而環(huán)均總推力和刀盤扭矩有一定增加；盾構(gòu)從203環(huán)掘進至217環(huán)時，沿掘進方向地層的粉黏粒含量逐漸增大，由于粉黏粒會黏附于盾殼和刀盤上，掘進阻力進一步增大，總推力和刀盤扭矩有大幅度的增加，掘進速度下降速率增大；盾構(gòu)掘進至217環(huán)時刀盤進入全斷面風化花崗巖地層，掘進速度、總推力和刀盤扭矩基本恒定。此外，掘進過程中由于渣土改良參數(shù)得當，螺機扭矩值波動不大。因此，下穿期間盾構(gòu)的低速掘進加大了刀盤對卵石土層的擾動，增大了掌子面失穩(wěn)的風險。

圖12 試驗環(huán)平均掘進速度和總推力

圖13 試驗環(huán)平均刀盤扭矩和螺機扭矩

4.3.2 土倉壓力

首先分析各環(huán)的土倉壓力均值豎向分布曲線，如圖14所示，數(shù)據(jù)取自土倉隔板表面5個位置土壓力傳感器的土壓力實測值。

圖14 環(huán)均土倉壓力豎向分布曲線

由圖14可知：左上和右中位置的土壓力幾乎相同，而左中、左下和右下位置的土壓力梯度呈線性，表明盾構(gòu)在該區(qū)段采用輔助氣壓掘進以更好地維持掌子面平衡，估計土倉內(nèi)土氣交界面位于右中和左中傳感器之間。隨著掘進的進行，為更好地維持掌子面穩(wěn)定性輔助氣壓設(shè)置值逐漸增大，然而輔助氣壓增大會使施加在土倉隔板的附加作用力增大，從而使掘進總推力增大。

其次分析盾構(gòu)出渣量偏多的203環(huán)對應(yīng)的土倉壓力變化曲線。已知盾構(gòu)司機在掘進距離為787 mm時停機，由圖15可見：0～787 mm和1 156～1 508 mm行程段內(nèi)左上和右中位置的土壓力幾乎相同，而787～1 156 mm行程段的左上和右中位置的土壓力相同，右下和左中位置的土壓力相同，估計在行程為787 mm停機期間，土倉內(nèi)土氣交界面下降，直至行程為1 156 mm時土氣交界面上升至原來位置，可判斷掘進行程787 mm時土壓力下降，土氣交界面所排出的土倉內(nèi)渣土在行程為1 156 mm時得到補充。

圖15 203環(huán)不同行程段的土壓力豎向分布曲線及估計的土氣交界面

進一步分析203環(huán)停機期間的土倉壓力情況，如圖16所示，盾構(gòu)停機后輔助氣壓提升并保持在184 kPa，被擾動的土體在輔助氣壓下維持相對平衡；停機約10 min后，啟動螺旋輸送機進行排土，但是沒有及時補充輔助氣壓，因此土氣交界面下降且頂部氣壓緩慢下降至1.65×105Pa，導(dǎo)致維持掌子面原本相對穩(wěn)定的約束力下降，掌子面出現(xiàn)了一定程度塌落。因此超方的渣土來源不是土倉內(nèi)降低土氣交界面而排出的渣土，而是來自掌子面土體的塌落。相同地，通過分析207環(huán)和213環(huán)的掘進參數(shù)，發(fā)現(xiàn)都存在盾構(gòu)停機過程中降低土氣交界面而土倉內(nèi)氣壓值下降的現(xiàn)象，表明203、207、213環(huán)出渣量偏多的原因是一致的。

圖16 203環(huán)停機期間土倉壓力和螺機轉(zhuǎn)速時變曲線

綜上所述，當?shù)侗P進入2號樓后，地層斷面強風化花崗巖和砂狀花崗巖含量增大，因該類原狀地層含砂量大且具有較強黏性，盾構(gòu)維持相同掘進速度和刀盤轉(zhuǎn)速需要更大的總推力和刀盤扭矩，同時土倉內(nèi)輔助氣壓增大也使得總推力增大。而盾構(gòu)掘進指令中對總推力有限制(小于18 000 kN)，因此導(dǎo)致盾構(gòu)掘進速度較低，而此時掌子面上方依然為卵石土層，低速掘進加大了刀盤對卵石土層的擾動，導(dǎo)致了輕微的超方現(xiàn)象，而盾構(gòu)刀盤即將進入2號樓下方(203環(huán))，在2號樓下方(207環(huán)和213環(huán))掘進過程中存在低壓停機，降低了土氣交界面位置而沒有及時補充輔助氣壓，造成掌子面塌落，是造成該3環(huán)出渣量偏多的原因。

5 結(jié)論及建議

(1)從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：盾構(gòu)掘進引起的上方建筑物沉降量在容許范圍內(nèi)，其中當盾構(gòu)刀盤通過時，建筑物產(chǎn)生的沉降值最大，而盾尾通過對沉降影響很小。另外盾構(gòu)從2號樓樁基中間下穿，而從1號樓樁基一端下穿，由于盾構(gòu)穿越位置的不同，2號樓沉降影響范圍和沉降量均大于1號樓。

(2)盾構(gòu)在下穿2號樓期間出現(xiàn)了出渣量偏多的情況，超方土層為房屋樁基(摩擦樁)所處的卵石層，被開挖土層時擾動形成了塌落區(qū)，因此塌落區(qū)上方土層出現(xiàn)松動，導(dǎo)致樁身所受摩阻力下降而房屋出現(xiàn)沉降。

(3)根據(jù)盾構(gòu)機械掘進參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)出渣量超方的原因有兩個：① 盾構(gòu)在停機過程中降低了土倉內(nèi)土氣交界面的位置卻沒有及時補充輔助氣壓，使掌子面內(nèi)外壓力不平衡，造成了開挖面上部卵石層松動；② 盾構(gòu)開挖斷面風化花崗巖地層的增多造成盾構(gòu)推進速度下降，刀盤對地層的擾動增大加劇了卵石層的塌落。

(4)建議嚴抓渣土管理，及時跟蹤記錄出渣與同步注漿情況，把出渣量控制在正常范圍內(nèi)；同時應(yīng)強化施工管理，防止掘進參數(shù)過大波動，盡量做到均衡施工且嚴格控制掌子面平衡壓力；邊掘進邊控制，保證盾構(gòu)安全通過的同時盡量避免建筑物的沉降。