復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)側(cè)穿老舊建筑物加固技術(shù)研究

劉柄呈 楊雙鎖 李彥斌 閆 瀟 姜 山

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，030024，太原；2.中鐵三局集團(tuán)有限公司，030001，太原∥第一作者，碩士研究生)

采用盾構(gòu)法在城市中修建地鐵，不可避免地要側(cè)穿老舊建筑物。老舊建筑物基礎(chǔ)薄弱，自身結(jié)構(gòu)剛度小，抵抗地基不均勻沉降的能力差，是盾構(gòu)施工中的重大風(fēng)險(xiǎn)源。

文獻(xiàn)[1]指出，在軟弱地層中開(kāi)挖雙線盾構(gòu)隧道，先開(kāi)挖受房屋荷載作用顯著的一側(cè)有利于控制不均勻沉降[1]；文獻(xiàn)[2]認(rèn)為，房屋上部結(jié)構(gòu)對(duì)房屋的不均勻沉降有一定的抑制作用；文獻(xiàn)[3]對(duì)鄰近建筑物盾構(gòu)施工造成的橫向地表沉降曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析；文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，隔離樁樁間距對(duì)建筑物沉降影響的重要程度大于樁長(zhǎng)和樁徑；文獻(xiàn)[5]認(rèn)為，淺基礎(chǔ)的沉降形式與隧道的偏心比有關(guān)。為抵抗建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降，需要對(duì)建筑物采取加固措施。傳統(tǒng)隔離樁在隧道離建筑物距離近的情況下無(wú)法施工，且大直徑隔離樁施工本身就會(huì)造成一定的沉降[6]，尤其在含砂量大的地層中,過(guò)大的樁間距不易形成土拱效應(yīng)[7]。由于施工條件不佳，單純地面預(yù)注漿加固也不能滿足安全要求。針對(duì)以上情況,提出了在側(cè)穿范圍內(nèi)打設(shè)復(fù)合錨桿樁的預(yù)加固技術(shù)。

1 地表沉降機(jī)理分析及加固技術(shù)

1.1 沉降機(jī)理分析

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，從隧道開(kāi)挖處到地表會(huì)形成一個(gè)沉降槽。地表沉降是判斷建筑物沉降的一個(gè)重要因素。對(duì)于雙線盾構(gòu)隧道引發(fā)的地表沉降，其沉降形式和大小受隧道斷面和相對(duì)位置影響較大[8]，可使用疊加原理得到地表沉降變化曲線[9-10]，其計(jì)算方法為：

(1)

式中：

Smax——隧道軸線上方最大地面沉降量；

i——地面沉降槽寬度系數(shù)；

Vloss——單位長(zhǎng)度土體損失量，Vloss=πR2η，其中，R為隧道開(kāi)挖半徑，η為土體損失率。

(2)

式中：

S(x,z) ——坐標(biāo)x,z位置處的地面沉降量；

x——距隧道軸線橫向水平距離；

z——離地面的豎向距離，以向下為正；

n——與隧道半徑和土質(zhì)條件有關(guān)的影響系數(shù)；

L——兩隧道中心間距；

h——隧道軸線至地面距離；

Smax,f,Smax,l——分別為先行隧道及后行隧道的軸線上最大地面沉降量；

if，il——分別為先行隧道及后行隧道的地面沉降槽寬度系數(shù)。

當(dāng)隧道側(cè)穿范圍內(nèi)存在建筑物時(shí)，地層沉降受其荷載影響會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)建筑物與隧道水平距離d處于0≤d

圖1 地表沉降機(jī)理示意圖

1.2 加固技術(shù)及其機(jī)理分析

加固時(shí)使用φ150 mm@300 mm雙排復(fù)合錨桿樁。錨桿樁施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→放線定位→鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)樁孔→成孔→清孔、護(hù)孔→錨桿安裝→孔內(nèi)一次注漿→孔內(nèi)二次注漿。

地表沉降槽的形成與地層內(nèi)部滑移區(qū)密切相關(guān)。地層滑移線是地表和隧道開(kāi)挖部分相連的最小沉降等值線。將錨桿樁打入受施工擾動(dòng)明顯的滑移區(qū)以外的區(qū)域，可以保證錨桿樁的穩(wěn)定，并使其承受一部分上部土體和建筑傳來(lái)的荷載，降低因隧道開(kāi)挖而造成的地表及建筑物沉降，實(shí)現(xiàn)良好的加固作用。錨桿樁支護(hù)原理如圖2所示。

圖2 錨桿樁支護(hù)作用機(jī)理

管片在盾尾拼裝后，為了減小由于刀盤超挖與管片之間存在的間隙造成的地層沉降，應(yīng)及時(shí)在盾尾進(jìn)行同步注漿和二次注漿，并嚴(yán)格控制注漿材料和注漿壓力等參數(shù)。注漿后管片與地層間形成的漿液和土的混合體可以視作均質(zhì)彈性體，即等代層，如圖3所示。

圖3 等代層示意圖

2 計(jì)算模型

2.1 工程條件

太原地鐵2號(hào)線雙塔西街站—大南門站區(qū)間，從雙塔西街站北端引出后，沿牛站西巷路自南向北敷設(shè)，并側(cè)穿公交公司家屬樓。結(jié)構(gòu)外墻與隧道結(jié)構(gòu)最小凈距約0.6 m，處于隧道強(qiáng)烈影響區(qū)。家屬樓沿隧道方向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，與隧道推進(jìn)方向呈現(xiàn)微小角度，因此在施工中不僅受擾動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)，而且建筑不均勻沉降現(xiàn)象更為顯著。建筑和隧道相對(duì)位置如圖4所示。

圖4 隧道與建筑物相對(duì)位置

家屬樓基礎(chǔ)形式為墻下條形基礎(chǔ)。由于建筑物建成已近40年，墻體磚局部風(fēng)化、砂漿粉化、個(gè)別墻體出現(xiàn)斜裂縫，因此，盾構(gòu)側(cè)穿時(shí)，家屬樓抵抗施工擾動(dòng)的能力較差。

側(cè)穿區(qū)間范圍內(nèi)雜填土厚，地下水位線較高，土體含水量較大，拱頂夾雜砂性土。由于土層的自身結(jié)構(gòu)特征，在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易發(fā)生危險(xiǎn)。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型建立

為減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型長(zhǎng)寬高取80 m×60 m×30 m。模型底面和四周固定，上表面為自由面，X軸與隧道軸線方向正交，Y軸與隧道軸線方向平行，Z軸為豎直方向。地下水位深度為3.5 m。隧道開(kāi)挖直徑為6.2 m。管片采用C55混凝土，厚度為0.35 m，寬度為1.20 m。模型中用等代層彈性模量為1.2 MPa，泊松比為0.2，注漿壓力0.3 MPa。基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，采用C25混凝土，不考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)土體位移的約束作用。錨桿樁采用C35混凝土，內(nèi)設(shè)q235鋼筋。計(jì)算時(shí)以開(kāi)挖兩環(huán)(2.4 m)并施加殼單元支護(hù)和同步注漿為一次施工步驟。根據(jù)計(jì)算結(jié)果在條形基礎(chǔ)上施加455 kN/m的荷載。數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。為研究不同角度的錨桿樁對(duì)土體的加固作用，設(shè)置了三種錨桿樁進(jìn)行研究，與地面夾角分別為30°、45°、60°，如圖6所示。

圖5 太原地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物數(shù)值計(jì)算模型

圖6 土體加固用錨桿樁模型示意圖

為減少隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物沉降的影響，采用左線通過(guò)后再開(kāi)挖右線的施工方案[1,13]。根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件設(shè)定模型土層厚度及物理力學(xué)性質(zhì)，如表1所示。

表1 太原地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物位置土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 加固效果分析

建筑物建成后發(fā)生的變形包括結(jié)構(gòu)自重作用下的固結(jié)沉降、附近管隧掘進(jìn)引起的變形等。建筑自重沉降以均勻沉降為主，且主要發(fā)生在建筑建成初期，所以主要考慮盾構(gòu)開(kāi)挖引起的變形。

圖7為無(wú)支護(hù)時(shí)雙線貫通后模型內(nèi)部的滑移區(qū)域。由圖7可見(jiàn)，左線滑移區(qū)要大于右線滑移區(qū)。根據(jù)上述分析，應(yīng)保證錨桿樁有足夠的長(zhǎng)度使其延伸到穩(wěn)定土層之內(nèi)。

圖7 無(wú)支護(hù)時(shí)雙線貫通后模型內(nèi)部的滑移區(qū)域

在不設(shè)錨桿樁時(shí)，對(duì)開(kāi)挖造成的建筑物沉降進(jìn)行計(jì)算。模型監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖8所示。

圖8 數(shù)值計(jì)算模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

不采取加固措施時(shí)，雙線貫通后建筑物沉降如圖9～10所示。由圖9可見(jiàn)，建筑物長(zhǎng)邊發(fā)生了不均勻沉降，沉降最大的點(diǎn)在鄰近隧道一邊、靠近盾構(gòu)后到達(dá)的一側(cè)，沉降值為40.85 mm；沉降最小的點(diǎn)在遠(yuǎn)離隧道一邊、盾構(gòu)先到達(dá)一側(cè)的建筑物拐角，沉降值為13.01 mm。說(shuō)明隧道開(kāi)挖過(guò)程中建筑物產(chǎn)生了剪切扭轉(zhuǎn)變形，這對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是極為不利的。由圖10可見(jiàn)，建筑物短邊發(fā)生了沉降，先開(kāi)挖一側(cè)的沉降要小于后開(kāi)挖一側(cè)的沉降，建筑物傾向隧道一側(cè)?？傮w來(lái)說(shuō)建筑物沿對(duì)角線傾斜。

圖9 不采取加固措施時(shí)雙線貫通后建筑物長(zhǎng)邊沉降

圖10 不采取加固措施時(shí)雙線貫通后建筑物短邊沉降

不同開(kāi)挖步驟下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖11所示。由圖11可見(jiàn)：左線貫通后，建筑物靠近隧道一側(cè)的沉降占到了總沉降的80%左右；右線貫通后，建筑物靠近隧道一側(cè)的沉降受到明顯的影響，而遠(yuǎn)離隧道一側(cè)沉降受右線影響不明顯，建筑物的傾斜加劇。左線開(kāi)挖對(duì)建筑物沉降的影響要遠(yuǎn)大于右線，因此要重點(diǎn)考慮對(duì)左線的支護(hù)。雙線貫通后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建筑物沉降量均達(dá)到最大值，但建筑物局部?jī)A斜率最大時(shí)刻發(fā)生在左線開(kāi)挖到648 m處和雙線隧道貫通后，此時(shí)建筑物產(chǎn)生的剪切扭轉(zhuǎn)變形對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更為不利。因此，除雙線貫通后建筑物的最大沉降量和局部?jī)A斜之外，應(yīng)重點(diǎn)控制左線開(kāi)挖過(guò)程中建筑物的傾斜。根據(jù)圖10計(jì)算的建筑的局部?jī)A斜率最大值為236‰。

圖11 不同開(kāi)挖步驟下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建筑物沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]和DBJ 04/T 258—2016《建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]的相關(guān)規(guī)定，建筑地基變形允許值為30 mm，建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部?jī)A斜允許值為20‰。以上計(jì)算得到的建筑物變形已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的變形允許值。

將與地面夾角為60°的雙排復(fù)合錨桿樁單元激活，計(jì)算在錨桿樁支撐下建筑物的沉降量，結(jié)果如圖12所示。由圖12可見(jiàn)：雙線貫通后，建筑物沉降得到了有效的抑制；建筑物的沉降規(guī)律沒(méi)有發(fā)生改變，仍沿對(duì)角線方向傾斜；建筑物最大沉降為15.56 mm，最大隆起為4.43 mm。推斷這是由于錨桿樁攔阻土體下沉，斜打錨桿樁起到了有效的加固作用。建筑物基礎(chǔ)有一定剛度，靠近隧道一側(cè)沉降會(huì)使遠(yuǎn)離隧道一側(cè)隆起。

圖12 與地面夾角為60°的雙排復(fù)合錨桿樁單元激活后建筑物長(zhǎng)邊沉降

與地面夾角為60°的雙排復(fù)合錨桿樁單元激活時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降如圖13所示。由圖13可見(jiàn)：錨桿樁的加固作用主要體現(xiàn)在降低左線開(kāi)挖的影響，因而右線貫通對(duì)沉降影響占比增加；錨桿樁對(duì)右線開(kāi)挖造成沉降的控制作用較?。唤ㄖ锞植?jī)A斜率最大值為2.01‰，錨桿樁有效地降低了建筑物的局部?jī)A斜率。

圖13 與地面夾角為60°的雙排復(fù)合錨桿樁單元激活后監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值

3.2 錨桿樁受力分析

錨桿樁的變形仿真模擬計(jì)算結(jié)果如圖14所示。由圖14可見(jiàn)：錨桿樁上段下沉的過(guò)程中輕微變形，證明上段錨桿樁有限制土體位移的作用，但加固作用有限；錨桿樁中段變形明顯，建筑沉降最大處對(duì)應(yīng)下方的錨桿樁變形并非最大，變形最大處發(fā)生在錨桿樁中段靠近隧道的部分，證明這一部分起到了很好的加固作用；錨桿樁下段位移小且有隆起趨勢(shì)，證明錨桿樁下段對(duì)錨桿樁起固定作用。這與傳統(tǒng)隔離樁的加固原理有明顯不同。

圖14 錨桿樁變形仿真模擬計(jì)算結(jié)果(放大)

與地面夾角為45°和30°的雙排復(fù)合錨桿樁單元分別激活時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降如圖15所示。由圖15可見(jiàn)：隨錨桿樁與地面夾角的減小，錨桿樁加固作用逐漸減小；夾角為45°的情況下，建筑物靠近隧道一側(cè)沉降與無(wú)支護(hù)時(shí)相比有所降低，遠(yuǎn)離隧道的一側(cè)出現(xiàn)了輕微的隆起，錨桿樁有一定加固效果但作用明顯降低；夾角為30°的情況下，錨桿樁失去減小建筑物沉降的作用。

圖15 錨桿樁與地面夾角分別為45°和30°時(shí)的建筑物沉降

隧道開(kāi)挖時(shí)，土體位移可以分解為豎直和水平兩個(gè)方向。錨桿樁應(yīng)與地面角度盡可能大，使其不直接承受上部土體的豎直荷載，而是以限制土體水平位移為主，充分發(fā)揮土體顆粒間摩擦力和粘聚力產(chǎn)生的自穩(wěn)作用；同時(shí)較大的夾角可以使錨桿樁下段更好地延伸到滑移不明顯的土層內(nèi)，起到更好的穩(wěn)固作用。

4 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)果分析

在太原地鐵2號(hào)線側(cè)穿家屬樓區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)本文前述加固方案進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。為在避開(kāi)隧道的同時(shí)又能充分發(fā)揮錨桿樁的加固作用，實(shí)際施工中錨桿樁與地面夾角取60°。錨桿樁采用3根φ25 mm鋼筋，采用鋼筋接駁器連接，按間距1 m安裝鋼筋定位支架，以使鋼筋籠保持直立并束在樁孔中心，定位支架與鋼筋采用焊接固定。家屬樓實(shí)測(cè)點(diǎn)布置如圖16所示。圖17和圖18分別為樓房東側(cè)(靠近隧道一側(cè))和西側(cè)(遠(yuǎn)離隧道一側(cè))沉降的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖16 太原地鐵2號(hào)線側(cè)穿家屬樓實(shí)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖17 太原地鐵2號(hào)線側(cè)穿家屬樓樓房東側(cè)沉降實(shí)測(cè)值

圖18 太原地鐵2號(hào)線側(cè)穿家屬樓樓房西側(cè)沉降實(shí)測(cè)值

由圖17可見(jiàn):盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)之前JGC3-01、JGC3-02、JGC3-03、JGC3-07、JGC3-08監(jiān)測(cè)點(diǎn)輕微沉降，但變化不大；隨著盾構(gòu)機(jī)由南向北推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)后，沿推進(jìn)方向布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值開(kāi)始依次增加；左線盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后，沉降有一段相對(duì)穩(wěn)定期；右線開(kāi)挖后，沉降繼續(xù)增大，最終左右線分別引起的沉降相差不大，這是由于錨桿樁起到了減小沉降的作用。盾構(gòu)機(jī)雙線通過(guò)后，從最終穩(wěn)定沉降量可以看出，JGC3-01監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量最小，JGC3-03和JGC3-07監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量最大，建筑物整體向東北方向傾斜。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，JGC3-03監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍小。從模型中隧道和地層變形來(lái)看，這是由于建筑物Y方向尺寸大，模型受邊界條件的影響造成的；但兩者變形趨勢(shì)一致，計(jì)算結(jié)果可靠。

由圖18可見(jiàn)：遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC3-04、JGC3-05和JGC3-06的隆起值在盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)之前和側(cè)穿前期有所增加，在側(cè)穿后期和離開(kāi)后略有減小，但仍為隆起狀態(tài)且前后差值始終沒(méi)有超過(guò)4 mm?？梢哉J(rèn)為，樓房西側(cè)受盾構(gòu)施工的影響較小。在盾構(gòu)通過(guò)后，JGC3-04、JGC3-05和JGC3-06監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終沉降量相差不大，證明計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

1) 雙線隧道開(kāi)挖時(shí)，建筑物的最大沉降發(fā)生在雙線貫通后，但建筑物局部?jī)A斜率的最大值也可能發(fā)生在其鄰近隧道的開(kāi)挖過(guò)程中。

2) 雙線盾構(gòu)隧道側(cè)穿建筑物時(shí)，建筑物的沉降主要是由其鄰近隧道的開(kāi)挖造成的，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)鄰近隧道開(kāi)挖造成的土層擾動(dòng)進(jìn)行控制。

3) 與傳統(tǒng)隔離樁不同，錨桿樁受力變形部分主要發(fā)生在中部靠近隧道的部分，因此其加固作用主要體現(xiàn)在降低與建筑物相鄰隧道盾構(gòu)施工造成的沉降，對(duì)相隔隧道盾構(gòu)施工造成的擾動(dòng)加固作用較小。

4) 在施工場(chǎng)地受限的情況下，錨桿樁對(duì)建筑物能起到良好的加固作用。錨桿樁應(yīng)在靠近隧道且盡量與地面夾角大的位置打設(shè)，才能充分發(fā)揮其加固作用。