盾構(gòu)連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)民居微變形控制技術(shù)

邵金超

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化的提出與實(shí)施，越來越多的地鐵線路向城市郊區(qū)及城鎮(zhèn)延伸。郊區(qū)城鎮(zhèn)的民房通常具有修建時(shí)間較早、層數(shù)低、淺基礎(chǔ)和地基承載力較低等特點(diǎn)。地鐵盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居時(shí)，由于地層擾動(dòng)、同步注漿壓力等原因，常常造成淺基礎(chǔ)建筑物產(chǎn)生過大的變形、不均勻沉降甚至倒塌的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。

圍繞盾構(gòu)下穿建筑物沉降控制方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。傅一棟[4]、謝雄耀[5]等人針對黏土層、卵石泥巖復(fù)合地層，劉輝等[6]針對上軟下硬地層，分析了盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)，建筑物的變形規(guī)律，提出了沉降控制措施。張哲[7]、謝雄耀[8]、龔學(xué)權(quán)[9]等人研究了砂層及黏土層盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑物變形控制技術(shù)，提出了建筑物加固、控制掘進(jìn)參數(shù)及加強(qiáng)監(jiān)測等手段控制建筑物沉降。李梓亮[10]、楊益[11]等人基于數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)下穿既有建筑物變形規(guī)律，并對建筑物加固效果進(jìn)行評價(jià)。王曉睿等[12]研究了既有建筑物的存在對盾構(gòu)施工的影響，分析了地表沉降規(guī)律，提出了控制地表沉降方案。張斌等[13]針對粉砂地層、劉曉巖[14]針對軟土地層，分析了盾構(gòu)下穿建筑物沉降原因，并提出控制沉降措施。劉安偉等[15]研究土壓平衡模式下黏土地層盾構(gòu)穿越建筑物變形控制技術(shù)，提出了通過控制掘進(jìn)參數(shù)來控制建筑物沉降的措施。

綜上，這些學(xué)者對粉砂地層、巖溶地層、黏土地層等盾構(gòu)下穿建筑物進(jìn)行了一定的研究，但對杭州地區(qū)淤泥質(zhì)軟弱土層盾構(gòu)連續(xù)下穿淺基礎(chǔ)民房鮮有研究，或沒有針對具體地層及施工情況對建筑物進(jìn)行分析，而且其他地區(qū)成果無法應(yīng)用至杭州地區(qū)。因此，本文以杭州某盾構(gòu)區(qū)間連續(xù)下穿淺基礎(chǔ)民居工程為例，分析軟弱地層盾構(gòu)連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)建筑物變形特性，提出盾構(gòu)連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)建筑物施工控制技術(shù)。

2 工程概況

2.1 工程簡介

杭州某出入段線盾構(gòu)區(qū)間連續(xù)下穿淺基礎(chǔ)民居，隧道埋深約為10.4～14.1 m。盾構(gòu)區(qū)間多次下穿淺基礎(chǔ)民居，民居多為村民90年代自行建造，2000年左右改造，基礎(chǔ)形式均為淺基礎(chǔ)，埋深約地面下1.5～2 m，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需充分考慮對周邊環(huán)境的影響。盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑物平面見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道與淺基礎(chǔ)民居平面關(guān)系

2.2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)施工中，穿越土層主要為砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和圓礫層。物理參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 水文地質(zhì)條件

場地地下水類型可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水。

潛水主要賦存于淺(中)部填土層、粉土及黏性土層中。潛水穩(wěn)定水位埋深為地面下0.30～2.00 m。承壓水主要分布于下部的?1粉砂、?4圓礫、?2礫砂、?4圓礫層中，承壓水水頭埋深0.92 m。承壓水受側(cè)向徑流補(bǔ)給，富水性好，具有明顯的埋藏深、污水少、水量大、流速極慢、咸～微咸的特點(diǎn)?；鶐r裂隙水埋藏于第四系土層之下，主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)。

3 盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居微變形控制技術(shù)

3.1 長管注漿加固技術(shù)

3.1.1 長管注漿加固工藝

本區(qū)間盾構(gòu)連續(xù)穿越既有老舊建筑物，其中既有建筑物均為淺基礎(chǔ)，所以施工中應(yīng)對土層進(jìn)行加固。長管注漿可有效地對隧道周邊土體進(jìn)行加固，極大地減小地表既有建筑物沉降。軟土地層具有滲透性低、強(qiáng)度低、壓縮性高等特點(diǎn)，因此，施工過程中采用合理的注漿加固工藝十分重要。

在盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居5環(huán)后對隧道周邊土體進(jìn)行二次注漿加固，選用直徑φ48 mm鋼花管進(jìn)行加固，鋼花管長度為2.5 m，在管片上新增10個(gè)注漿孔，隧道長管注漿加固技術(shù)剖面圖見圖2。

圖2 隧道長管注漿加固技術(shù)剖面圖

3.1.2 漿液材料配比

通過試驗(yàn)段確定了長管注漿的材料配比及性能指標(biāo)(見表2)，材料主要包括水玻璃、水泥和水，其中水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為35 Be。長管注漿壓力應(yīng)不大于0.3 MPa，填充率不小于150%，注漿擴(kuò)散半徑為0.5～1.0 m。

表2 長管注漿材料配比及性能指標(biāo)

3.2 盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居掘進(jìn)參數(shù)分析與控制

3.2.1 同步注漿

盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)民居應(yīng)控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，確保漿液和易性好，泌水性小。同步注漿量控制在建筑空隙的150%～180%，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。同步注漿漿液選用可硬性漿液，配合比見表3。

表3 同步注漿配合比 kg

圖3為盾構(gòu)右線下穿5號建筑物時(shí)實(shí)際注漿量和理論注漿量對比曲線，理論注漿量上限和下限分別按照空隙的180%和150%考慮。從圖3可以看出，實(shí)際注漿量在理論注漿量上限值左右波動(dòng)，因此，淺基礎(chǔ)建筑物變形可能與同步注漿不到位有關(guān)。

圖3 實(shí)際注漿量與理論注漿量對比

3.2.2 總推力與土艙壓力關(guān)系

圖4為盾構(gòu)右線下穿淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)土艙壓力與總推力之間關(guān)系。由圖4可得:土艙壓力數(shù)值在20 kPa上下波動(dòng)，盾構(gòu)總推力數(shù)值在13 500 kN上下波動(dòng)；盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)，通過對掘進(jìn)參數(shù)控制，土艙壓力與盾構(gòu)總推力變化曲線趨于一致。

圖4 土艙壓力和總推力關(guān)系曲線

3.2.3 總推力與刀盤扭矩關(guān)系

圖5為盾構(gòu)右線下穿5號建筑物時(shí)刀盤扭矩與總推力之間關(guān)系。

圖5 刀盤扭矩和總推力關(guān)系曲線

由圖5可得:刀盤扭矩?cái)?shù)值在1 500 kN·m上下波動(dòng)，盾構(gòu)總推力數(shù)值在16 000 kN上下波動(dòng)；盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)，通過對掘進(jìn)參數(shù)控制，刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力變化曲線趨于一致。

3.2.4 總推力與掘進(jìn)速度關(guān)系

圖6為盾構(gòu)右線下穿淺基礎(chǔ)民居時(shí)掘進(jìn)速度和總推力關(guān)系曲線。從圖6可以看出，盾構(gòu)下穿建筑物期間，掘進(jìn)速度與盾構(gòu)總推力變化趨勢較一致，主要原因?yàn)槎軜?gòu)施工土層均為淤泥質(zhì)土與粉質(zhì)黏土，變化較小。

圖6 掘進(jìn)速度和總推力關(guān)系曲線

盾構(gòu)施工中，平面或高程的糾偏常常導(dǎo)致建筑空隙增加，從而造成超挖。盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)建筑物時(shí)應(yīng)控制盾構(gòu)姿態(tài)，勻速推進(jìn)，掘進(jìn)速度應(yīng)不大于70 mm/min，盾構(gòu)姿態(tài)變化不應(yīng)過大、過頻，每環(huán)糾偏量不應(yīng)大于10 mm(高程、平面)，盾構(gòu)變坡應(yīng)不大于1‰，以減少盾構(gòu)施工對地層擾動(dòng)。

盾構(gòu)區(qū)間下穿淺基礎(chǔ)建筑物采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑為7.16 m，基于盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居掘進(jìn)參數(shù)，提出了適用于軟弱地區(qū)盾構(gòu)下穿淺基礎(chǔ)建筑物掘進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 盾構(gòu)下穿建筑物掘進(jìn)參數(shù)

4 盾構(gòu)穿越建筑物微變形技術(shù)效果分析

盾構(gòu)右線下穿5號3層混凝土民居，側(cè)穿1層磚房，沿建筑物外圍設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)J2-1～J2-11，監(jiān)測結(jié)果見圖7。

圖7 不同掘進(jìn)環(huán)數(shù)下測點(diǎn)J2豎向位移變化曲線

由圖7可得:盾構(gòu)從66環(huán)掘進(jìn)至80環(huán)時(shí)，5號混凝土民居主要表現(xiàn)為沉降，J2-1和J2-4沉降較大，最大值分別為-5.12 mm和-5.48 mm，而磚房測點(diǎn)J2-11隆起最大值為4.5 mm，測點(diǎn)J2-10沉降最大值為-5.85 mm；盾構(gòu)從80環(huán)掘進(jìn)至102環(huán)時(shí)，盾構(gòu)刀盤從建筑物下通過，5號混凝土民居均表現(xiàn)為沉降，而磚房測點(diǎn)J2-11隆起最大值為4.04 mm，測點(diǎn)J2-10沉降最大值為-7.75 mm；刀盤通過至盾尾離開，建筑物變形較穩(wěn)定，其中位于盾構(gòu)正上方5號民居測點(diǎn) J2-1、J2-2、J2-5、J2-6和 J2-7沉降較大，測點(diǎn)J2-4出現(xiàn)較小的隆起，而磚房測點(diǎn)J2-11隆起較大，測點(diǎn)J2-10沉降較小，磚房表現(xiàn)為明顯的不均勻沉降。建筑物豎向位移位于-8～6 mm之間，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

盾構(gòu)左線下穿磚砌民居，沿建筑物外圍設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)J12，監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖8 不同掘進(jìn)環(huán)數(shù)下測點(diǎn)J12豎向位移曲線

由圖8可得:盾構(gòu)刀盤到達(dá)前，建筑物受施工影響較小，測點(diǎn)豎向位移在±0 mm上下波動(dòng)；盾構(gòu)下穿至盾尾脫離后，建筑物變形增大，說明盾構(gòu)通過淺基礎(chǔ)建筑物期間，刀盤切削土體對土體的擾動(dòng)和盾構(gòu)前進(jìn)引起的地層損失是建筑物沉降的主因，而盾尾脫離建筑物時(shí)期，沉降量較小。盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)建筑物主要導(dǎo)致建筑物發(fā)生不均勻沉降。

5 結(jié)論

本文以杭州某盾構(gòu)區(qū)間連續(xù)下穿淺基礎(chǔ)民居工程為例，介紹了長管注漿微變形加固技術(shù)，探討了盾構(gòu)連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)建筑物掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)，分析了軟弱地層盾構(gòu)連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)建筑物微變形技術(shù)效果，主要結(jié)論如下:

(1)長管注漿加固技術(shù)可有效控制淺基礎(chǔ)建筑變形，通過試驗(yàn)確定水玻璃與水最佳配比為0.8，水灰比最佳配比為1.0。

(2)通過長管注漿加固，控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿質(zhì)量及盾構(gòu)糾偏量等微變形控制技術(shù)，盾構(gòu)隧道連續(xù)穿越淺基礎(chǔ)民居期間，建筑物豎向位移控制在-8～6 mm之間。

(3)軟弱土層盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)民居期間，盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速為1.0～1.3 r/min，刀盤扭矩為1 200～2 800 kN·m，土艙壓力為 18～23 kPa，掘進(jìn)速度為50～67 mm/min，總推力為12 000～17 000 kN，成功保證了盾構(gòu)施工安全，控制了淺基礎(chǔ)民居變形。