盾構(gòu)穿越樁基研究綜述

張廣展 楊志松 田忠喜 邢 帥 張傳帥

Research 研究探討

盾構(gòu)穿越樁基研究綜述

張廣展1楊志松2田忠喜1邢 帥1張傳帥1

（1.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000； 2.山東聊城第四建設(shè)有限公司，山東 聊城 252000）

隨著當(dāng)代城市的不斷發(fā)展，城市的規(guī)劃與建設(shè)也逐漸受到人們廣泛的關(guān)注，伴隨著城市的建筑物越來(lái)越多，城市的用地面積也越來(lái)越緊張，高層建筑、高架公路、橋梁等建筑逐漸被人們采用，而這些建筑物大多會(huì)采用樁基礎(chǔ)。由于受到地下空間位置以及選線(xiàn)等因素的影響，有些時(shí)候盾構(gòu)隧道不可避免的會(huì)對(duì)既有樁基產(chǎn)生一定的影響，其中包括穿越樁基、樁下穿越與近距離側(cè)穿樁基等情況，盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為城市地鐵區(qū)間隧道施工的一種重要的方法，在城市的建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛，盾構(gòu)路線(xiàn)自建筑物樁基穿越或近距離穿越，在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，很難避免地層在施工的過(guò)程中出現(xiàn)移動(dòng)的現(xiàn)象，在樁身上發(fā)生同樣的效應(yīng)，進(jìn)而就可能會(huì)使樁基的承載能力和它的上部建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到一定程度的影響。盾構(gòu)法施工在樁基的側(cè)面穿過(guò)的時(shí)候，由于推進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層的擠壓作用以及隧道從盾尾脫出的時(shí)候地層損失的作用，會(huì)使土體出現(xiàn)沉降和側(cè)向位移的現(xiàn)象，進(jìn)而造成既有樁基的變形。

盾構(gòu)；樁基；隧道施工

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工是城市地下空間隧道開(kāi)挖的常用方法，盾構(gòu)法施工具有在施工過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，施工速度和其他傳統(tǒng)方法相比較施工速度較快，并且通過(guò)盾構(gòu)法開(kāi)挖的隧道安全性得到了大大的提高，盾構(gòu)法隧道施工已經(jīng)成為城市地下空間隧道的主要修建方法之一[1]。盾構(gòu)法施工在實(shí)踐過(guò)程中得到了很大的進(jìn)步，但是在施工過(guò)程中仍然會(huì)引起周?chē)耐馏w發(fā)生變形，發(fā)生變形的土體作用在建筑物的地下的樁基上，就可能會(huì)引起樁基的附加變形以及樁基本身內(nèi)力的改變，從而對(duì)于樁基產(chǎn)生不利的影響；另外，當(dāng)盾構(gòu)施工隧道從樁基的地下部位穿越的時(shí)候，可能會(huì)由于樁基超載現(xiàn)象的發(fā)生，從而引起隧道內(nèi)管片襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生比較大的變形以及內(nèi)力的變化。盾構(gòu)法隧道施工如何近距離的穿越建筑物的樁基，并且穿越后如何保證建筑物的安全穩(wěn)定以及后續(xù)的正常使用是在施工過(guò)程中的重點(diǎn)問(wèn)題[2]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在盾構(gòu)的施工過(guò)程中，可能會(huì)引起地層的移動(dòng)與傾斜，其中對(duì)于地層移動(dòng)變形現(xiàn)象的預(yù)測(cè)可以分為兩種預(yù)測(cè)方式，第一種方式是在設(shè)計(jì)階段的預(yù)測(cè)，這種方式通常需要在進(jìn)行地層開(kāi)挖之前預(yù)測(cè)；第二種方式是在盾構(gòu)的施工階段進(jìn)行地層變形的預(yù)測(cè)，這種方式則需要在施工的過(guò)程中進(jìn)行，并且這種方式一般都需要信息化的手段進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)信息儀器得到地層變形的預(yù)測(cè)結(jié)果。現(xiàn)階段主要的預(yù)測(cè)方法有：經(jīng)驗(yàn)法、模型試驗(yàn)法、理論法。另外，在盾構(gòu)的施工過(guò)程中會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擠壓以及松動(dòng)的作用，增加荷載與減小荷載以及孔隙水壓力的上升與下降，從而引起土體發(fā)生性質(zhì)的改變等問(wèn)題[3]。

2 盾構(gòu)直接穿越樁基

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)于盾構(gòu)隧道直接穿越樁基的研究基本上完成了高架樁基的準(zhǔn)確穿越、房屋建筑以及侵入樁基的施工工藝和施工參數(shù)，并且可以通過(guò)研究鋼筋的斷裂形式、刀具配置的改進(jìn)、建筑物的保護(hù)加固措施、施工監(jiān)測(cè)的反饋、推力和轉(zhuǎn)矩選擇、樁基托換等方式進(jìn)行研究拓展盾構(gòu)掘進(jìn)切削樁基的方法?？苄l(wèi)鋒[4]對(duì)于主動(dòng)托換技術(shù)在地鐵盾構(gòu)施工中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，提出了在主動(dòng)托換的時(shí)候應(yīng)當(dāng)結(jié)合監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)的調(diào)節(jié)千斤頂油壓作用力的觀點(diǎn)。

當(dāng)盾構(gòu)隧道直接穿越樁基的時(shí)候，現(xiàn)有階段，工程上一般采用以下的施工方案，對(duì)原有的建筑物的樁基進(jìn)行托換以及加固，其中，當(dāng)區(qū)間隧道與橋梁樁基發(fā)生沖突的時(shí)候，通常采用主動(dòng)托換的設(shè)計(jì)與施工的方法，另外，在這種情況下，也可以采用對(duì)橋梁的承臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)大的處理，并且結(jié)合使用鋼管樁進(jìn)行脫換的施工方案。樁基托換技術(shù)一般適用于盾構(gòu)的線(xiàn)路沒(méi)有辦法避讓?zhuān)喜康慕ㄖY(jié)構(gòu)正在使用，巖層的地質(zhì)條件良好，在軟土的地質(zhì)條件下需要首先進(jìn)行加固再進(jìn)行托換的施工[5]。這種工程方法受地質(zhì)條件及地下水的影響較大。

托換加固一般需要進(jìn)行隧道洞內(nèi)拱頂?shù)念A(yù)注漿加固，其中進(jìn)行預(yù)注漿加固的范圍通常是在開(kāi)挖輪廓線(xiàn)內(nèi)側(cè)的1m到外側(cè)的2m的范圍內(nèi)進(jìn)行[6]，然后需要進(jìn)行盾構(gòu)隧道的樁基脫換的部分初期的支護(hù)加強(qiáng)，之后進(jìn)行地面的支頂以及進(jìn)行樁基的截樁工序，在截樁的工序完成以后，及時(shí)的對(duì)二次襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，在二次襯砌的施工工藝完成以后，需要組織進(jìn)行施工混凝土的盾構(gòu)導(dǎo)臺(tái)，在盾構(gòu)空推的時(shí)候，拼裝加強(qiáng)管片。在管片的背后填充豆礫石以及回填注漿[7]。以上施工方案既保證了盾構(gòu)隧道順利的穿越了樁基，又使得上層建筑物的正常使用。

3 盾構(gòu)近距離側(cè)穿樁基

盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿已有建構(gòu)筑物樁基，會(huì)對(duì)周?chē)臉痘a(chǎn)生一系列的影響與擾動(dòng)。在盾構(gòu)隧道施工近距離側(cè)向穿越樁基之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)樁基周?chē)耐馏w進(jìn)行注漿加固的措施，從而能夠改善土體的力學(xué)性能，是樁基的摩阻力得到了顯著地提高[8]，另外，在施工的時(shí)候，應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)拇胧┱{(diào)整施工的參數(shù)，減少在盾構(gòu)施工過(guò)程中的推力，并且推進(jìn)的速度應(yīng)當(dāng)保持均勻，及時(shí)的做好同步注漿以及二次注漿的工作，加強(qiáng)施工的監(jiān)測(cè)[9]。

在盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿樁基的時(shí)候，樁基會(huì)或多或少的產(chǎn)生一定距離的位移。在橫向的方向上，在盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中，樁基的下半部分將會(huì)發(fā)生背離隧道方向的位移[10]，然而，樁基的上半部分將會(huì)發(fā)生與下半部分相反方向的位移，總的來(lái)說(shuō)，在盾構(gòu)施工過(guò)程中樁基會(huì)發(fā)生一定程度的傾斜，并且樁基傾斜的程度與位移將會(huì)隨著盾構(gòu)機(jī)的逐步掘進(jìn)越來(lái)越大，直到當(dāng)隧道完全貫通的時(shí)候，該傾斜的位移將會(huì)達(dá)到最大值[11]。另外，在盾構(gòu)的軸向方向上，樁基還將會(huì)在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的方向上產(chǎn)生一定程度的傾斜值，一般情況下，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到樁基正右方的時(shí)候，那么樁基的傾斜將會(huì)達(dá)到最大值，然而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)完全通過(guò)的時(shí)候，樁基的傾斜值將會(huì)降低。在盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)的推力是影響樁基發(fā)生傾斜的最主要因素，從而增大掘削面的推力將會(huì)增加盾構(gòu)機(jī)通過(guò)的時(shí)候樁基的傾斜值[12]。

4 盾構(gòu)樁下穿越樁基

在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，盾構(gòu)隧道有時(shí)候會(huì)在樁基的底部穿過(guò)，從而對(duì)土體可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的擾動(dòng)，會(huì)改變?cè)械耐馏w平衡，對(duì)樁基的承載力會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，由于樁基與土體之間的沉降差的存在和兩者之間相對(duì)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，盾構(gòu)隧道從樁基底部穿過(guò)的時(shí)候，樁基的下半部分的摩阻力可能會(huì)有很大程度的增大[13]，然而，樁基的上半部分會(huì)減小，直到樁基底部的位置，樁基底部由于承載力的存在，那么，樁身的摩阻力會(huì)大幅度的減小，通常情況下還可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力的存在會(huì)使樁基本身處于受拉的狀態(tài)，從而會(huì)使樁基的承載力大幅度削弱[14]。

下穿的盾構(gòu)隧道對(duì)于樁基底部分布的承載力影響相對(duì)比較大，在正常的情況下，用來(lái)承擔(dān)樁基的上部荷載的摩擦樁主要是依靠樁基側(cè)面的側(cè)摩阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵诙軜?gòu)隧道的施工過(guò)程中使原有的土體平衡得到了改變，那么就會(huì)造成樁基的端部承擔(dān)的荷載值變大[15]。隨著盾構(gòu)開(kāi)挖隧道的動(dòng)態(tài)施工，樁基的豎向極限承載的能力會(huì)降低，在盾構(gòu)刀盤(pán)的開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)樁體和盾殼脫離樁基端部的時(shí)候，承載力會(huì)發(fā)生降低的現(xiàn)象，樁基頂部的沉降量與其變形相吻合。

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖下穿樁基的時(shí)候，下穿構(gòu)造的土倉(cāng)的壓力對(duì)樁基發(fā)生沉降的影響相對(duì)比較大，當(dāng)土倉(cāng)的壓力越大的時(shí)候，樁基發(fā)生的沉降就會(huì)越小，那么土倉(cāng)的壓力越大，樁基的端部需要承擔(dān)的承載力就越大，進(jìn)而會(huì)造成對(duì)于樁基端部附近的樁側(cè)摩阻力的影響會(huì)比較大，土倉(cāng)的壓力對(duì)于樁體的承載能力存在一定的調(diào)節(jié)作用，在盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)還沒(méi)有通過(guò)樁體的時(shí)候，土倉(cāng)的壓力是能夠減小樁基的承載能力的降低程度；當(dāng)?shù)侗P(pán)已經(jīng)通過(guò)了樁體的時(shí)候，土倉(cāng)的壓力則會(huì)反過(guò)來(lái)加大樁體的承載能力降低的程度。但是后者的影響程度比在沒(méi)有通過(guò)樁體的時(shí)候影響相對(duì)較小。由土倉(cāng)的壓力對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的影響可以得出，在施工的過(guò)程中我們應(yīng)該選擇合理的土倉(cāng)壓力，避免土倉(cāng)的壓力出現(xiàn)過(guò)大或者過(guò)小的現(xiàn)象，防止對(duì)工程造成不利的影響，另外，還應(yīng)該對(duì)于土體以及樁基在施工過(guò)程中的沉降量進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)[16]。

5 結(jié)論

盾構(gòu)在施工的過(guò)程中會(huì)對(duì)周?chē)耐馏w產(chǎn)生一定的影響，引起土層的變形，從而對(duì)鄰近的樁基造成影響，其影響的原因相對(duì)比較復(fù)雜。在施工的過(guò)程中必須注意施工的參數(shù)，以達(dá)到減小對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)的效果，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)變和受力狀態(tài)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可確保關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工的過(guò)程中處于安全可控的范圍。通過(guò)研究可以得出控制壁后注漿減小盾構(gòu)機(jī)穿越的時(shí)候的地層損失率，可以明顯地降低地表的沉降位移，同時(shí)也能夠改善承臺(tái)的沉降值。另外，在穿越的過(guò)程中，樁基還會(huì)發(fā)生變形、樁身內(nèi)力的變化以及承載力的改變。當(dāng)盾構(gòu)隧道穿越城市樁基群的時(shí)候，施工對(duì)于樁基群的影響以及保護(hù)措施應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，正在施工的隧道對(duì)于已建好的隧道的影響也應(yīng)該進(jìn)行充分的考慮。在盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程中，我們應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況來(lái)選擇比較合理的盾構(gòu)的類(lèi)型，同時(shí)需要做好樁基的保護(hù)措施以及施工的監(jiān)測(cè)，控制好地面的沉降距離，從而保證盾構(gòu)隧道順利的穿越樁基，并且保證原有構(gòu)筑物的正常使用。

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張廣展（1997- ），男，山東省德州市，漢，碩士研究生，聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，巖土工程。

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