地鐵盾構(gòu)斜穿建筑物樁基群施工關(guān)鍵技術(shù)研究

周學(xué)彬

（1.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

隨著“交通強國”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和我國現(xiàn)代綜合交通運輸體系構(gòu)建的加快，我國隧道及地下工程的發(fā)展迎來了新一輪發(fā)展的機遇期。在城市軌道交通建造方面，截至2019 年底，中國共有40 個城市開通城市軌道交通運營線路208 條，運營線路總長度6 736.2km。其中，地鐵運營線路5 180.6km，占比76.9%，當(dāng)年新增運營線路長度974.8km[1～3]。在各類城市軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)法以其安全、高效、環(huán)保的優(yōu)點成為地鐵隧道建設(shè)的重要工法[4～7]。地鐵隧道地處繁華密集城市建筑群，隧道建造不可避免要面臨穿越既有建構(gòu)筑物等難題，由于盾構(gòu)法隧道在開挖過程中會引起隧道上方土體應(yīng)力場重構(gòu)，盾構(gòu)在穿越建筑群過程中需要控制對地層的擾動，減少地面的沉降一直是工程中關(guān)注的重點問題，一旦沉降控制不好，將會引發(fā)地表建筑物沉降開裂等工程事故[8～11]。

1 工程背景

深圳軌道交通14 號線是深圳市“七放射、一半環(huán)”市域快線網(wǎng)絡(luò)中東部首條線路，其中四聯(lián)站～坳背站自四聯(lián)出發(fā)后，往東北方向拐入賢合小區(qū)至四聯(lián)路與紅棉二路交會處，下穿四聯(lián)河暗渠，然后向東北方向分別穿越茂盛村南區(qū)地塊，華樂路南側(cè)旱塘村、廣達路南側(cè)獨竹村、東側(cè)189 工業(yè)園區(qū)，自紅棉三路與二號路交會處沿紅棉四路-南北干道下方敷設(shè)，下穿四聯(lián)河暗渠、橫坪快速路、廈深高鐵后繼續(xù)沿紅棉四路鋪設(shè)至坳背站，四坳區(qū)間平面圖如圖1 所示。

圖1 四坳區(qū)間平面圖

四坳區(qū)間盾構(gòu)右線范圍為DK20+572.093～DK23+199.27，全長2627.183m。左線范圍為ZDK20+572.850～ZDK23+199.262，全長2 615.35m。區(qū)間采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)施工，區(qū)間最小曲線半徑650m，線間距6.6～30.86m，埋深約8.5m～39m，選用管片外徑6.7m、內(nèi)徑6m，厚度0.35m，管片寬度1.5m。

2 工程難點

四坳區(qū)間隧道線路需要斜穿茂盛村多棟建筑，茂盛村房屋均為混凝土結(jié)構(gòu)，層數(shù)在3～6 層之間，樁基為淺基礎(chǔ)，埋深在4.5m 左右，隧道拱頂距地面距離在11.146～15.887m 之間，區(qū)間下穿隧洞范圍主要地層為，粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化角巖、中風(fēng)化角巖、微風(fēng)化角巖，區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖如圖2 所示。

圖2 四坳區(qū)間下穿房屋段地質(zhì)縱斷面圖

盾構(gòu)穿越茂盛村施工下穿房屋建筑物量多，房屋老舊，對地表沉降控制要求十分嚴(yán)格，此外由于盾構(gòu)在斜穿建筑物過程中，由于地層損失的時空效應(yīng)會造成隧道上方建筑物下部土體的應(yīng)力重分布，會導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)薄弱部位和建筑物拐角位置的穩(wěn)定性發(fā)生改變，易造成建筑物因地表沉降而損壞。因此，對盾構(gòu)穿越茂盛村樁基群的施工過程控制，保障盾構(gòu)穿越樁基群建筑物穩(wěn)定和安全是本工程關(guān)注的重難點。

3 盾構(gòu)斜穿樁基數(shù)值模擬

為了模擬盾構(gòu)穿越茂盛村樁基群的工況，數(shù)值分析模型按照茂盛村建筑物群1∶1 模型進行建立，隧道埋深為12m，模擬地層分別按照第一層人工填土，第二層粉質(zhì)黏土，第三層強風(fēng)化角巖，第四層中風(fēng)化角巖開展建模，獨立基礎(chǔ)埋深4m，盾構(gòu)穿越建筑物依次為JZ-10、JZ-11、JZ-12、JZ-13、JZ-15。其中隧道正下方穿越JZ-10 和JZ-11，側(cè)穿JZ-12 和JZ-13，其中建筑物JZ-15 被左右線隧道分別穿越建筑物兩邊，盾構(gòu)下穿建筑物樁基群數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 盾構(gòu)下穿建筑物樁基群數(shù)值模型

3.1 樁基礎(chǔ)地表沉降規(guī)律

為了研究盾構(gòu)開挖過程中對樁基建筑物地表變形規(guī)律，在盾構(gòu)掘進方向截取6 條剖面進行地表沉降規(guī)律分析，如圖4 所示。圖中剖面20、30、40、50、60、70 分別表示盾構(gòu)在進入建筑物群范圍內(nèi)20m、30m、40m、50m、60m、70m 處的橫剖面，分別提取各剖面的地表沉降數(shù)據(jù)，可得到盾構(gòu)穿越未加固地層時地表沉降規(guī)律曲線，如圖5 所示。

圖4 不同位置剖面圖

圖5 隧道橫斷面變形規(guī)律

通過各個剖面地層沉降曲線分析發(fā)現(xiàn)，剖面20 的地表沉降規(guī)律未能表現(xiàn)出明顯的沉降特征。剖面30 的地表沉降規(guī)律呈現(xiàn)出突變的特性，建筑物所在區(qū)域的地表沉降值小于原始地表沉降值，建筑物邊界沉降在6.0～10.1mm 范圍之間。剖面40 位于兩棟建筑物的中間區(qū)域，地表沉降呈現(xiàn)出靠近建筑物區(qū)域地層沉降較緩，在遠離建筑物區(qū)域地層沉降較大。剖面50 在沒有建筑物存在區(qū)域地表沉降呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢，最大為15.4mm，在建筑物區(qū)域地表沉降出現(xiàn)逐漸變小的區(qū)域，建筑物邊界沉降在13.2～11.1mm 范圍之間。剖面60 在沒有建筑物區(qū)域地表沉降呈現(xiàn)出明顯增大的趨勢，最大為15.5mm，在建筑物區(qū)域地表沉降出現(xiàn)逐漸變小的區(qū)域，建筑物邊界沉降在10.5mm 附近。70 剖面位于建筑物外側(cè)10m距離，地表沉降未能受建筑物產(chǎn)生明顯影響，地表出現(xiàn)規(guī)律性沉降。

3.2 不同加固深度地表變形

為確保盾構(gòu)穿越建筑物樁基群地表沉降在控制值以下，分別計算了加固5m、7m、8m、10m不同加固深度的地表沉降數(shù)據(jù)，分析了盾構(gòu)穿越建筑物樁基群時最大地表沉降，不同加固深度的地表變形數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 加固地層地表沉降曲線

通過對不同加固深度的地表沉降特征分析可以發(fā)現(xiàn)未加固地層的地表沉降數(shù)據(jù)突變較大，建筑物區(qū)域地表傾斜達到6.5mm/m，超出了《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中1.5～4mm/m 限定值，未加固條件下盾構(gòu)掘進通過極容易造成建筑物傾斜開裂。對建筑物在7m、8m、10m 范圍加固后，發(fā)現(xiàn)地表沉降較為均勻，建筑物范圍內(nèi)地表傾斜在0.4mm/m 附近，因此盾構(gòu)在掘進通過建筑物樁基群對建筑物加固應(yīng)在7m 范圍以上，此種工況下盾構(gòu)斜穿樁基群時能夠保障建筑物的安全穩(wěn)定。

4 盾構(gòu)穿越樁基群加固控制

通過數(shù)值分析明確安全加固范圍后，為使盾構(gòu)機在穿越建筑物樁基群前和穿越樁基群后有效減小地表沉降，降低對建筑物的影響，采用提前預(yù)埋袖閥管在盾構(gòu)穿越過程中地面跟蹤注漿和洞內(nèi)深孔注漿兩種方式進行建筑物加固。

4.1 地面跟蹤注漿加固施工

地面跟蹤注漿施工整體工藝流程如圖7 所示，在注漿前需要在房屋前后兩側(cè)預(yù)埋單排跟蹤注漿孔，注漿孔距房屋邊緣為1.5～5m 不等，注漿加固孔中心距為1m，遇到地下管線干擾時可適當(dāng)加大孔間距，相鄰房屋注漿加固時，兩排注漿孔間距0.5m 以上，加固時需進行斜孔注漿，角度為30°～55°，注漿深度為地面以下7～11m，漿液擴散半徑為1m。

圖7 注漿施工工藝流程圖

注漿孔按照現(xiàn)場實際情況明確管線及障礙物的位置，施工應(yīng)避讓管線位置，不能破壞既有地下管線，鉆孔平面布置如圖8、圖9 所示。

圖8 地表預(yù)埋袖閥管布置示意圖

圖9 地表注漿加固剖面圖

注漿壓力控制上以水泥漿液能順利注入為原則，注漿孔口初壓0.3～1.0MPa，穩(wěn)壓為1.0～2.0MPa，漿液材料為42.5（R）普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶0.6～1∶1，注漿過程中，盡可能采用較小的注漿壓力，以減小地面冒漿和破壞周邊管線，同時注意地面房屋隆起情況。

4.2 洞內(nèi)深孔注漿

由于盾構(gòu)下穿的部分民房區(qū)不具備地面注漿條件，需采取盾構(gòu)通過后，從管片注漿孔打設(shè)鋼花管進行注漿加固，結(jié)合地質(zhì)條件以及管片拼裝方式，本工程洞內(nèi)注漿利用單環(huán)管片9 點位～3點位上部管片吊裝孔作為注漿孔，間距按照管片環(huán)寬1.5m 布設(shè)，單根注漿管長度為3m 進行洞內(nèi)深孔注漿加固，洞內(nèi)深孔注漿如圖10 所示。注漿材料主要采用水泥砂漿作為注漿材料，水灰比0.8∶1，注漿壓力控制與洞內(nèi)二次注漿保持一致，壓力控制在0.2～0.4MPa 范圍內(nèi)。

5 盾構(gòu)穿越樁基群掘進參數(shù)控制

為了確保盾構(gòu)均衡、勻速地穿越建筑物，減少盾構(gòu)推進對周邊土體的擾動，以免對建筑物產(chǎn)生不利影響。盾構(gòu)穿越建筑物施工過程中，應(yīng)進行24h 不間斷連續(xù)施工，以避免盾構(gòu)長時間停頓引起的后期沉降，通過對掘進過程中試驗段掘進參數(shù)提取，分析可知推進速度最大值不超過53.65mm/min，均值在26.06mm/min，如圖11 所示，盾構(gòu)在推進過程需要勻速推進，減少斜穿建筑物樁基過程的擾動。在推進過程中刀盤采用低速旋轉(zhuǎn)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.9～1.2r/min 之間，如圖12 所示，推進過程中還需要觀察刀盤扭矩和盾構(gòu)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。在推進過程中盾構(gòu)刀盤扭矩最大值不要超過2 630kNm，扭矩均值控制在1 749kNm 左右，系統(tǒng)最大推力為36714kN，推力均值控制在30 205kN 左右，如圖13～圖14 所示。通過關(guān)鍵參數(shù)的控制一方面可以充分發(fā)揮盾構(gòu)的優(yōu)勢，另一方面盡可能減少對地層的擾動，防止對地面建筑物的影響。

圖10 洞內(nèi)注漿孔布置剖面示意圖

此外盾構(gòu)在穿越建筑物樁基群過程中還應(yīng)密切關(guān)注正面土體改良效果，可通過刀盤上部的注漿孔壓注水或膨潤土來改良刀盤前方土體，增加土體的和易性，減少刀盤扭矩，密切關(guān)注螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速和油壓，根據(jù)土壓壓力及時調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，且要平緩調(diào)整避免導(dǎo)致土壓力大幅度的波動。通過上述技術(shù)措施的控制盾構(gòu)已經(jīng)順利通過密集建筑物樁基群。

圖11 推進速度曲線

圖12 刀盤轉(zhuǎn)速曲線

圖13 刀盤扭矩曲線

圖14 總推力曲線

6 結(jié)語

針對盾構(gòu)斜穿老舊建筑物樁基群，本文通過數(shù)值分析的方法給出了建筑物樁基加固處理范圍、相應(yīng)的工程注漿加固方法及盾構(gòu)斜穿樁基掘進參數(shù)控制范圍。避免了因盾構(gòu)開挖土體應(yīng)力重構(gòu)引發(fā)地表建筑物沉降開裂等工程事故。通過本文提出的方法不僅減少了盾構(gòu)穿越樁基群對地面建筑物的影響，而且保障了盾構(gòu)隧道施工的安全性，為后續(xù)類似盾構(gòu)斜穿樁基群施工控制提供借鑒和參考。