巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物施工控制技術(shù)*

李 明

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，730030，蘭州 ∥ 高級工程師)

目前,國內(nèi)對于巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道施工的穩(wěn)定性研究，以及盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的施工變形控制技術(shù)研究已日趨完善，但關(guān)于巖溶地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的研究卻相對甚少。文獻[5]以昆明地鐵4號線聯(lián)大街站—吳家營站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工為背景，采取物探鉆孔與電磁波CT(計算機斷層掃描)勘察盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)溶洞的具體分布，并利用數(shù)值模擬方法分析不同因素對盾構(gòu)隧道開挖穩(wěn)定性的影響；文獻[6]以長沙地鐵3號線盾構(gòu)下穿某溶巖段為工程背景，通過輸入地層與隧道特征參數(shù)建立BP(反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖溶盾構(gòu)預(yù)測模型，并結(jié)合對鉆探數(shù)據(jù)的歸納分析，最終應(yīng)用于工程實際；文獻[7]通過再現(xiàn)“滲流液化-流土漏失”的巖溶塌陷過程，分析地鐵隧道穿越巖溶區(qū)段的地面塌陷機理,通過構(gòu)建巖溶塌陷物理模型,提出巖溶處理方案。

本文以廣州地鐵12號線聚龍站—棠溪站所經(jīng)過的巖溶地段為工程背景，采用數(shù)值分析軟件研究不同施工方案、掘進參數(shù)對盾構(gòu)隧道下穿既有建筑物的穩(wěn)定性影響，以期為巖溶地區(qū)盾構(gòu)下穿既有建筑物施工提供一定借鑒。

1 工程概況

廣州地鐵12號線(以下簡為“12號線”)(見圖1)工程自白云區(qū)金沙洲起，主要經(jīng)過白云區(qū)、越秀區(qū)、海珠區(qū)、黃埔區(qū)及番禺區(qū)大學(xué)城，線路全長37.6 km，全線均為地下線。12號線為廣州市西北至東南向的骨干線，串聯(lián)棠溪交通樞紐。其中，聚龍站—棠溪站區(qū)間左線長1 557.599 m，右線長1 512.698 m，隧道埋深為20.66～32.91 m，部分地段處于巖溶地區(qū)。該區(qū)間內(nèi)下穿眾多建筑物，主要有：德康路沿線商鋪(5層磚混結(jié)構(gòu))、棠溪祥崗西新街民房(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、棠溪沖邊北街8號住宅(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、棠溪十一社廠房(5層磚混結(jié)構(gòu))、棠溪祥崗西后街民房(5層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、創(chuàng)新制服廠(7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))等。

圖1 廣州地鐵12號線線路走向示意圖

聚龍站—棠溪站區(qū)間內(nèi)地層從上往下依次為：填土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥巖、強風(fēng)化砂巖。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 廣州地鐵12號線聚龍站—棠溪站區(qū)間巖溶地段土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 地鐵盾構(gòu)隧道施工影響因素分析

2.1 計算模型建立

采用ANSYS軟件建立三維計算模型，運用FLAC3D軟件進行隧道開挖的模擬計算。模型(見圖2)左右側(cè)邊界按距離隧道中線3～5倍的洞徑選取，下邊界取距離隧道底部3～5倍的洞徑，隧道埋深取24.5 m，最終的計算模型尺寸為76 m(x向)×50 m(y向)×62 m(z向)。

圖2 三維計算模型圖

巖土體物理力學(xué)參數(shù)采用表1中所列數(shù)據(jù)。地表上方建筑物與盾構(gòu)管片及注漿材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 建筑物及盾構(gòu)襯砌參數(shù)

在模型中設(shè)置3條監(jiān)測線，分別距初始開挖面2 m、16 m及32 m；同時對地表既有建筑物進行編號(JZ1—JZ6)，并分別取每個建筑物的4個角點(a、b、c、d)進行監(jiān)測。地表監(jiān)測線及監(jiān)測點示意見圖3。

圖3 地表監(jiān)測線和監(jiān)測點布置示意圖

2.2 不同施工工況對既有建筑物的影響

對于雙線盾構(gòu)隧道，施工過程中左右兩線的掘進間隔會對上方既有建筑物的地基沉降產(chǎn)生不同的影響。建立的4種工況分別為：①工況1：左右線同時施工；②工況2：右線施工16 m后，左線再行施工；③工況3：右線施工32 m后，左線再行施工；④工況4：右線貫通后，左線再行施工。建立的4 個施工階段分別為：①右線掘進至監(jiān)測線2處(隧道掘進至既有建筑之間)(見圖3)；②右線掘進至監(jiān)測線3處(隧道掘進穿出既有建筑物)(見圖3)；③右線貫通；④雙線貫通。

由圖4可知，雙線盾構(gòu)隧道各施工階段中，工況1與其他工況相比其地表的最大沉降值均為最大，而工況4與其他工況相比其地表的最大沉降值均為最??；地表沉降的最大值隨兩線施工間隔的增大逐漸減小。當(dāng)兩線隧道施工間隔增大時，地表沉降最大值會偏向于先行施工的一方；隨著兩線隧道施工間距減小，地表沉降最大值逐漸向兩隧道的中線偏移。由此可見，雙線盾構(gòu)隧道施工間距對施工時產(chǎn)生的地表沉降影響較大，施工中控制好施工間隔就可以一定程度地控制地表沉降。

圖4 地鐵盾構(gòu)不同施工階段各工況下的地表沉降曲線

對比4種工況下地表沉降的最大值可知：雙線貫通后不同施工間隔下地表沉降規(guī)律基本一致；工況1下地表的最大沉降值為18.89 mm；工況2下地表的最大沉降量為17.01 mm，較工況1 時減小了9.95%；工況3下地表的最大沉降量為16.68 mm，較工況1 時減小了11.70%；工況4下地表的最大沉降量為13.99 mm，較工況1時減小了25.93%。綜上所述，從控制地表沉降而言，建議采用工況4。

2.3 不同掘進參數(shù)對既有建筑物的影響

2.3.1 掌子面頂推力

根據(jù)2.2節(jié)所得結(jié)論，本節(jié)研究在工況4下，掌子面不同頂推力作用對盾構(gòu)隧道上方既有建筑物沉降的影響，如圖5所示。

由圖5可知：盾構(gòu)隧道施工時，掌子面頂推力的大小對地表沉降會產(chǎn)生一定的影響，地表沉降隨掌子面頂推力的增大而減小；當(dāng)頂推力為0.15 MPa時，地表最大沉降值為23.21 mm；當(dāng)頂推力為0.20 MPa時，地表的最大沉降值為19.8 mm；當(dāng)頂推力為0.25 MPa時，地表最大沉降值為17.25 mm；當(dāng)頂推力為0.30 MPa時，地表最大沉降值為14.99 mm。由此可見，掌子面頂推力越大，地表沉降值越小。同時考慮在實際施工中，若盾構(gòu)機頂推力太大，可能會引起開挖面前方的地表隆起過大，對地表既有建筑物的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定的影響；另一方面，若頂推力過大，盾構(gòu)機的刀盤磨損速度及程度會加快，使刀盤的切削能力降低，故本工程中建議采用0.25 MPa的頂推力。

圖5 掌子面不同頂推力作用下的地表沉降曲線

2.3.2 注漿壓力

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，考慮掌子面頂推力為0.25 MPa時，不同注漿壓力下的地表沉降，其變化曲線如圖6所示。

圖6 不同注漿壓力作用下地表沉降曲線

由圖6可知，地表沉降值隨注漿壓力的增大而減小；當(dāng)注漿壓力為0.1 MPa時，地表最大沉降值為34.54 mm；當(dāng)注漿壓力為0.2 MPa時，地表最大沉降值為31.2 mm，較注漿壓力為0.1 MPa時減小了9.6%；當(dāng)注漿壓力為0.3 MPa時，地表最大沉降值為23.97 mm，較注漿壓力為0.2 MPa時減小了23.2%；當(dāng)注漿壓力增大到0.4 MPa時，地表最大沉降值為16.12 mm，較注漿壓力為0.3 MPa時減小了32.7%。隨著注漿壓力的增大，其對于地表的沉降控制效果也越來越顯著。但注漿壓力增大會造成漿液浪費而導(dǎo)致成本增加，且還會引起管片上浮問題，嚴(yán)重影響施工的安全性。本工程中注漿壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時，地表沉降值均在合理范圍內(nèi)，故從節(jié)約成本等角度綜合考慮，建議施工時選用0.3 MPa的注漿壓力。

3 二次注漿對地表沉降控制效果的影響

3.1 二次注漿數(shù)值模擬效果

針對盾構(gòu)下穿既有建筑物區(qū)段，本文采用二次深孔加強注漿的措施對隧道進行加固。采用的計算模型是在圖2的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際的加固方案，通過預(yù)先埋設(shè)的注漿管道對隧道周邊的土體進行二次注漿。計算模型如圖7所示。

圖7 注漿加固后的計算模型

根據(jù)前述研究成果，模擬中采用工況4，即右線貫通后左線再行開挖的施工順序。施工時，盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置如下：掌子面頂推力為0.25 MPa、注漿壓力為0.3 MPa。在計算模擬施工過程中，同步注漿采取理想化模型，不考慮其漿液流失等問題。二次深孔注漿的漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。

圖8為二次注漿加固前后監(jiān)測線2處的沉降對比曲線。由圖8可知，注漿加固后3條監(jiān)測線處地表的沉降變化規(guī)律與未加固時基本一致；與二次注漿加固前監(jiān)測線處的沉降槽相比，加固后上述位置沉降槽的深度與寬度均小于加固前，由此說明在盾構(gòu)隧道施工過程中，二次注漿加固對地表的沉降有明顯的控制作用。因為二次注漿加固后，隧道周圍土體的強度得到了有效加強，且注漿過程中由于注漿壓力的作用，隧道周圍土層的密實度亦得到了提高，這就使土體的擾動得到了有效抑制。

圖8 二次注漿加固前后監(jiān)測線2處的沉降對比曲線

二次注漿加固前右線貫通后監(jiān)測線2處的地表沉降最大值為12.93 mm，二次注漿加固后地表沉降最大值為7.89 mm，較加固前減小了38.9%；二次注漿加固前雙線貫通后地表沉降最大值為15.23 mm，二次注漿加固后地表沉降最大值為11.25 mm，較加固前減小了26.1%。由此可見，二次注漿加固后地表沉降值控制在12 mm的安全范圍以內(nèi)，因此二次深孔注漿的加固效果顯著，達到了預(yù)期效果。

3.2 地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比

將二次注漿后地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖9所示。

圖9 二次注漿后JZ6監(jiān)測點c處的地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比曲線

由圖10所示地表監(jiān)測線2處的沉降曲線可知，其數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值的變化規(guī)律基本相同，呈喇叭狀開口；監(jiān)測線上地表沉降最大值出現(xiàn)在兩隧道中線附近；地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測值大于數(shù)值模擬值，這是因為使用計算機軟件進行模擬時，各種假定條件均較為理想化，且所建立的模型與實際存在差異，因此導(dǎo)致兩者的最終結(jié)果存在偏差，但總體上該偏差仍處于可接受范圍內(nèi)。

圖10 二次注漿后監(jiān)測線2處的地表沉降模擬值與監(jiān)測值對比曲線

4 結(jié)論

1) 雙線盾構(gòu)隧道施工時，左右兩線的施工間隔對于地表沉降有一定影響。雙線施工間隔越大，對于地表的沉降疊加效應(yīng)越小，地表的豎向變形越容易控制。故在盾構(gòu)隧道施工時，選擇右線貫通后左線再行施工的方案。

2) 隨著掌子面頂推力與注漿壓力的增大，地表的最大沉降值會相應(yīng)減小。但當(dāng)掌子面頂推力太大時，不僅會引起掌子面前方地表嚴(yán)重隆起，還會使刀盤磨損更快，增加施工成本；當(dāng)注漿壓力過大時，會產(chǎn)生管片上浮等不利情況。經(jīng)綜合考慮，建議施工時掌子面頂推力取0.25 MPa、注漿壓力取0.30 MPa。

3) 對地表沉降的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果整體上大于數(shù)值模擬結(jié)果，但兩者間的偏差仍處于可接受范圍內(nèi)，表明了數(shù)值模擬的可行性。