上軟下硬地層盾構(gòu)斜穿建筑群“倉(cāng)-注”聯(lián)合控制技術(shù)下的地表變形規(guī)律研究

趙 勇，喻 偉，張 東，陳長(zhǎng)勝，翟乾智，李宏波

(1.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518000；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

深圳地鐵14號(hào)線(見(jiàn)圖1)，共計(jì)21個(gè)盾構(gòu)區(qū)間。布吉站—石芽嶺站采用盾構(gòu)+礦山法；昂鵝出入段線、公園南出入場(chǎng)線區(qū)間采用盾構(gòu)+明挖法；其余區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工。線路全長(zhǎng)50.34 km(崗廈北—沙田)，設(shè)站18座(樞紐站3座，換乘站10座，標(biāo)準(zhǔn)站5座，平均站間距3.1 km)，全地下敷設(shè)，列車采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵列車。車輛最高設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為120 km/h。

圖1 深圳地鐵14號(hào)線路線圖

為確保盾構(gòu)順利通過(guò)軟硬交互地層下穿建筑物的難題，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供關(guān)鍵控制參數(shù)。張喬毓[1]對(duì)建筑物袖閥管注漿加固,在盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)洞內(nèi)管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿等手段，對(duì)鐵路股道及站房的沉降控制起到良好效果。楊益等[2]以常州地鐵下穿建筑物沉降為研究背景，得出洞內(nèi)二次補(bǔ)漿是地層控制的重要手段。張哲[3]以武漢地鐵8號(hào)線為工程背景，通過(guò)研究袖閥管加固和不同水灰比得出沉降控制的最佳水灰配比。謝雄耀等[4]提出了微沉降控制技術(shù)，在地表沉降發(fā)生之前及時(shí)注漿填充地層損失的空隙防止地表沉降，保證建筑物安全。張靖宇等[5]運(yùn)用故障樹(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析方法，逐層找出建筑塌陷和損壞風(fēng)險(xiǎn)源，提出控制預(yù)防和處理的方案。孫峰[6]運(yùn)用PLC系統(tǒng)對(duì)建筑物沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了盾構(gòu)下穿建筑物地層擾動(dòng)的影響。謝雄耀等[7]以南寧地鐵1號(hào)線下穿居民小區(qū)為對(duì)象，對(duì)泥漿性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化了漿液配合比，提出以土倉(cāng)壓力為控制指標(biāo)，減小掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)從而控制地表沉降。梁新權(quán)等[8]提出以旋噴樁為注漿加固手段，可以確保流塑狀殘積粉質(zhì)黏土地層加固效果明顯。并有多名學(xué)者利用數(shù)值計(jì)算軟件工具對(duì)盾構(gòu)下穿建筑物進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出建筑物變形依據(jù)[9-14]。但很少提到在軟硬不均地層中，盾構(gòu)下穿建筑物過(guò)程中利用土倉(cāng)壓力和注漿加固聯(lián)合控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行施工。采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合的方法為盾構(gòu)通過(guò)上軟下硬地層提供土倉(cāng)壓力等關(guān)鍵參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況與工程重難點(diǎn)

深圳市軌道交通14號(hào)線四坳盾構(gòu)區(qū)間主要分布有第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，第三系白云坑組(Eb)含礫砂巖，侏羅系塘廈群(J2tn)角巖、碎裂巖，石炭系測(cè)水組(C1c)含礫砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、碎屑灰?guī)r、灰?guī)r，燕山期(γ53)花崗巖，震旦系(Z1d)混合巖。

四坳區(qū)間洞身范圍主要為強(qiáng)風(fēng)化角巖、中風(fēng)化角巖、微風(fēng)化角巖；微風(fēng)化角巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值85.8 MPa，中風(fēng)化角巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值43.4 MPa，地層如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面圖

(1) 區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，不良地質(zhì)多，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，灰?guī)r溶洞、軟硬不均等不良地層較多，區(qū)間中上部地層為軟土或全強(qiáng)風(fēng)化地層，中下部為中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層，盾構(gòu)在此地層掘進(jìn)技術(shù)要求較高，易造成姿態(tài)控制困難和上部超挖，從而造成地面較大沉降，甚至發(fā)生塌陷。

(2) 盾構(gòu)區(qū)間穿越多層建筑物、橋梁、軌道交通、河流等多種不良條件，地表變形控制嚴(yán)格。

四坳區(qū)間大部分穿越繁華鬧市區(qū)，同時(shí)周邊多條地鐵線路同步建設(shè)，地面交通流量大、周邊商業(yè)區(qū)多、建筑物密集、環(huán)境非常敏感，減少擾民及降低對(duì)交通、民生、商業(yè)的影響是非常重要的；四坳區(qū)間多處下穿或側(cè)穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線、鐵路、高速公路、房屋、河流、橋梁等，既有建構(gòu)筑物的保護(hù)要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2 不同加固深度下地表變形分析

2.1 盾構(gòu)下穿建筑物情況

四聯(lián)站—坳背站區(qū)間自四聯(lián)站始發(fā)，進(jìn)入賢合小區(qū)，下穿四聯(lián)河暗渠，分別穿越茂盛村、旱塘村、獨(dú)竹村、189工業(yè)園區(qū)，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，四聯(lián)站—坳背站區(qū)間盾構(gòu)全長(zhǎng)2 626.671 m。

圖3 四聯(lián)站—坳背站區(qū)間平面圖

區(qū)間下穿茂盛村房屋均為混凝土結(jié)構(gòu)，房屋層數(shù)在3～6層(以4～5層居多)，淺基礎(chǔ)，埋深在3.5 m左右，區(qū)間隧道拱頂穿越地層為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化角巖及土狀強(qiáng)風(fēng)化角巖為主，隧道拱頂距地面11.146 m～15.887 m。隧道穿越茂盛村如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)穿越建筑物總體示意圖

盾構(gòu)穿越茂盛村距離較長(zhǎng)，建筑物基礎(chǔ)形式多樣，具有筏板基礎(chǔ)、獨(dú)立擴(kuò)大基礎(chǔ)、和樁基礎(chǔ)。盾構(gòu)下穿獨(dú)立基礎(chǔ)如圖所示，盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)如圖5、圖6所示。

圖5 區(qū)間隧道與建筑物的關(guān)系

圖6 區(qū)間下穿茂盛新村建筑群分布

區(qū)間采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)施工，最小曲線半徑750 m，線間距6.60 m～30.86 m，最小坡度5‰，最大坡度為29.171‰，埋深約8.5 m～39.0 m，管片外徑6.7 m、內(nèi)徑6.0 m，厚度0.35 m，管片寬度1.5 m。

2.2 巖土體物理參數(shù)

本文的土體單元采用摩爾-庫(kù)侖模型，地層從上往下主要包含素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化角巖、微—中分化角巖，巖土體主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理參數(shù)

2.3 建筑物加固地層沉降分析

為了保證盾構(gòu)穿越建筑物穩(wěn)定性，現(xiàn)對(duì)擴(kuò)大基礎(chǔ)底部分別進(jìn)行5 m、7 m、8 m、10 m等不同加固深度研究，得出不同加固深度的地表沉降曲線見(jiàn)圖7。

圖7 不同加固深度地表沉降變形

圖7中7 m、8 m、10 m加固范圍的地表沉降較為均勻，建筑物范圍內(nèi)地表傾斜在0.4 mm/m左右，計(jì)算未出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大的塑性變形區(qū)，建筑物在盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖時(shí)能夠安全穩(wěn)定掘進(jìn)；同時(shí)考慮到加固的經(jīng)濟(jì)性，建議盾構(gòu)在掘進(jìn)通過(guò)此地層時(shí)，對(duì)建筑物加固7 m以上，加固模型如圖8所示。

圖8 加固7 m地表變形

對(duì)加固之后的建筑物進(jìn)行分析，取5個(gè)不同剖面地表沉降圖進(jìn)行分析，得出如圖9所示曲線。

圖9 加固7 m地表變形曲線

圖中10、20、30、40、50為模型中不同剖面。盾構(gòu)穿越地區(qū)建筑物均有不同程度的沉降。其中建筑物JZ-10左前方拐角處沉降為12.1 mm，右后方拐角處沉降為9.3 mm；盾構(gòu)豎直下穿建筑物JZ-11的右后方沉降達(dá)到10.5 mm，左前方沉降為13.3 mm；遠(yuǎn)離盾構(gòu)有限區(qū)域的建筑物JZ-12的左前方沉降為6.2 mm，右后方沉降為7.1 mm。計(jì)算結(jié)果表明盾構(gòu)穿越建筑物周圍地表的沉降達(dá)到12 mm～13 mm。加固時(shí)候的建筑物地表沉降得到明顯控制。

2.4 不同土倉(cāng)壓力下地表沉降

為了研究地層加固之后地表在不同土倉(cāng)壓力下的地表沉降，分別對(duì)不同土倉(cāng)壓力地表沉降進(jìn)行分析，見(jiàn)圖10—圖12。

圖10 1.0 bar土倉(cāng)壓力地表沉降

圖11 1.5 bar土倉(cāng)壓力地表沉降

通過(guò)分析不同土倉(cāng)壓力和地表變形的最大量，見(jiàn)圖13，得出地表沉降和土倉(cāng)壓力大致呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：

y=14.389ln(x)-10.407

其中：y為地表變形，mm；x為土倉(cāng)壓力，MPa。相關(guān)性系數(shù)：R2=0.809 8，表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。

圖12 3 bar土倉(cāng)壓力地表沉降

圖13 不同土倉(cāng)壓力下地表沉降圖

2.5 建筑物加固方案

為確保盾構(gòu)下穿建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定，對(duì)房屋周圍預(yù)埋單排跟蹤注漿孔，注漿孔距房屋邊緣為1.5 m～5.0 m不等；加固時(shí)進(jìn)行斜孔注漿，角度30°～55°，注漿深度為地面以下7 m～11 m(預(yù)埋深度視實(shí)際房屋基礎(chǔ)情況定)；注漿過(guò)程中控制注漿壓力1.0 MPa～2.0 MPa，防止注漿壓力過(guò)大，造成對(duì)房屋基礎(chǔ)的破壞。

2.6 土倉(cāng)壓力變化

為了研究盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)土倉(cāng)壓力變化，提取盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中土倉(cāng)壓力，土倉(cāng)壓力過(guò)程見(jiàn)圖14。

圖14 土倉(cāng)壓力變化曲線

圖14中所示土倉(cāng)壓力平均值為1.5 bar，土倉(cāng)壓力最大值為2.3 bar，最小值為0.85 bar。土倉(cāng)壓力在1.2 bar～1.9 bar區(qū)間范圍內(nèi)分布較多，占總的78.2%，其中土倉(cāng)壓力大于2 bar的占比12.72%。各土倉(cāng)壓力沿縱斷面分布如圖15所示。

圖15 土倉(cāng)壓力分布直方圖

2.7 現(xiàn)場(chǎng)地表沉降監(jiān)測(cè)

對(duì)掘進(jìn)區(qū)間右線DK30+912—DK32730進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)。本次分析區(qū)間右線76個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出區(qū)間地表沉降平均為-4.63 mm，地表沉降的最大值為-20.2 mm，地表隆起數(shù)據(jù)為11個(gè)，最大地表隆起為5.6 mm。區(qū)間沉降分布趨勢(shì)如圖16、圖17所示。

圖16 地表沉降圖

圖17 地表沉降頻率分布圖

3 結(jié) 論

針對(duì)盾構(gòu)斜穿建筑物地表下沉難題，本文利用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)在下穿建筑物時(shí)先對(duì)不同建筑物的加固深度進(jìn)行分析，找出合適的加固深度，然后通過(guò)控制土倉(cāng)壓力的方法為盾構(gòu)掘進(jìn)提供關(guān)鍵參數(shù)。

(2) 盾構(gòu)在斜穿建筑物時(shí)，由于地層損失的時(shí)空效應(yīng)造成隧道上方建筑物下部土體的應(yīng)力重分布，從而導(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，為了確保建筑物穩(wěn)定，應(yīng)在建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)進(jìn)行地層加固。

(3) 通過(guò)地層加固和土倉(cāng)壓力關(guān)聯(lián)分析的地表沉降研究，發(fā)現(xiàn)此種方法能夠較好的保證盾構(gòu)施工時(shí)建筑物的穩(wěn)定，為盾構(gòu)斜穿建筑物提供了較好的加固和控制依據(jù)。

(4) 盾構(gòu)在穿越過(guò)程中土倉(cāng)壓力波動(dòng)會(huì)影響出渣量，進(jìn)而導(dǎo)致地表發(fā)生變形。