基坑非常規(guī)分塊對盾構(gòu)下穿的風(fēng)險(xiǎn)控制研究

余海兵

（騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 201204）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑所處位置日趨鬧市化（周圍有大量構(gòu)建筑物、地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜），基坑施工與其對周邊環(huán)境影響的矛盾日漸凸顯，尤其是在軟土地區(qū)，該矛盾不僅出現(xiàn)在施工與環(huán)境之間，還出現(xiàn)在不同施工工程之間。通過回顧各種工程實(shí)例，由基坑施工引起外側(cè)土體變形造成周邊建構(gòu)筑物和管線損壞的事件時(shí)有發(fā)生。例如，基坑非常規(guī)分塊，需采用非常規(guī)的支護(hù)體系、非常規(guī)的開挖方式，這增加了基坑施工過程中周邊環(huán)境保護(hù)的難度和突發(fā)事件產(chǎn)生的可能性。基坑的非常規(guī)分塊施工使得結(jié)構(gòu)回筑在時(shí)間上存在先后、空間上存在連接問題，極易使不同分塊結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生不均勻沉降，造成結(jié)構(gòu)接縫漏水、周邊環(huán)境破壞。再加上盾構(gòu)穿越對結(jié)構(gòu)的影響，各類因素綜合疊加，更加體現(xiàn)出對這種特殊復(fù)雜基坑控制研究的意義。

為此，本文以東西通道工程為依托工程，針對縱向分坑的通道基坑施工過程中自身結(jié)構(gòu)施工及盾構(gòu)從通道結(jié)構(gòu)底穿越推進(jìn)過程中對已完成結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行技術(shù)分析，從盾構(gòu)下穿推進(jìn)過程中已完地道結(jié)構(gòu)沉降風(fēng)險(xiǎn)控制、對非常規(guī)分塊基坑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異沉降控制等方面展開研究，研究對于中心城區(qū)基坑施工控制和鄰近施工工程具有重要的參考價(jià)值。

2 工程概況

東西通道DY1～DY2 基坑位于后續(xù)施工的地鐵14 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間上方，西接新建地鐵14 號(hào)線車站結(jié)構(gòu)（主體結(jié)構(gòu)已完成），東側(cè)向南開口連接出口匝道，基坑長50 m，寬28.8～34 m，開挖深度9.4～11.2 m。受管線影響，設(shè)縱向封堵墻分坑施工。后期地鐵14 號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)沿地道方向從結(jié)構(gòu)下方穿越。DY1～DY2 平面圖見圖1。

圖1 DY1～DY2 平面示意圖

本工程基坑外側(cè)止水帷幕兼擋土墻采用Φ1000 型鋼水泥土攪拌墻，三軸攪拌樁施工工藝同坑內(nèi)加固三軸攪拌樁。受北側(cè)圍護(hù)管線影響，先施工南側(cè)和中間圍護(hù)，待南側(cè)基坑施工完畢后施工北側(cè)圍護(hù)。采用非常規(guī)縱向設(shè)縫，分塊施工。

根據(jù)基坑特點(diǎn)、周邊環(huán)境條件和工程地質(zhì)情況，為保證安全，控制基坑變形，對基坑進(jìn)行一定范圍的地基加固，加固采用Φ850 mm 三軸水泥土攪拌樁，樁間搭接250 mm。陰角采用三重管旋噴樁（Φ1 000 mm、Φ800 mm）進(jìn)行加固，樁間搭接250 mm。加固范圍分別于靠近側(cè)墻5 m 范圍、中間4 m 寬抽條加固，坑底加固深度為坑底以下3 m。西側(cè)靠近已建14 號(hào)線車站11 m 范圍為進(jìn)出洞加固，加固深度為坑底至-22.8 m。

通道結(jié)構(gòu)設(shè)縱向變形縫。南側(cè)設(shè)置900 mm 厚內(nèi)襯墻，北側(cè)設(shè)置1 200 mm 厚內(nèi)襯墻，頂板厚度為1 400 mm，底板厚度為1 400 mm。規(guī)劃14 號(hào)線區(qū)間隧道距離結(jié)構(gòu)底板4.65～5.42 m。結(jié)構(gòu)橫斷面圖見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)橫斷面圖

3 計(jì)算模型的建立

采用有限元分析軟件分別建立DY1～DY2 基坑南、北兩個(gè)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)區(qū)間相應(yīng)的三維有限元模型，分別對盾構(gòu)上下行穿越南、北結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出穿越過程兩個(gè)基坑的沉降模擬數(shù)據(jù)，通過模擬數(shù)據(jù)分析評價(jià)穿越過程對基坑結(jié)構(gòu)的影響，便于設(shè)置預(yù)防措施。

現(xiàn)以基坑長方形為X 軸，以垂直基坑長邊方向?yàn)閅 軸，豎直方向?yàn)閆 軸建立三維模型并進(jìn)行計(jì)算分析。南北坑計(jì)算模型見圖3。

圖3 計(jì)算模型示意圖

有限元數(shù)值模擬是基于一定的假設(shè)和模型簡化進(jìn)行的。其認(rèn)為土層為均質(zhì)水平分布，同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個(gè)方向均約束；模型4 個(gè)側(cè)面均只有約束方向，其余方向自由無約束。通道基坑坑底主要位于灰色淤泥質(zhì)粘土層，新建盾構(gòu)區(qū)間位于灰色粘土層。

為準(zhǔn)確地模擬基坑開挖過程中周邊地表及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況[1]，根據(jù)上下行穿越的不同工況，可采用動(dòng)態(tài)模擬施工過程的計(jì)算方法。具體穿越分為兩個(gè)時(shí)段：

初始地應(yīng)力平衡，上行線盾構(gòu)推進(jìn)：穿越過程5 天。

下行線盾構(gòu)推進(jìn)：穿越過程5 天。

新建地鐵14 號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)上下行施工間隔預(yù)計(jì)1 個(gè)月左右，先行施工上行線，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)按平均每天8 環(huán)計(jì)算，則穿越北側(cè)48 m 通道結(jié)構(gòu)按5 天計(jì)算。上行線盾構(gòu)進(jìn)洞后，下行線推進(jìn)到通道結(jié)構(gòu)下方間隔1 個(gè)月，穿越南側(cè)48 m 通道結(jié)構(gòu)也按5 天計(jì)算。

4 盾構(gòu)下穿前的措施

4.1 通道結(jié)構(gòu)沉降觀測

在基坑設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮基坑本身安全的同時(shí)，應(yīng)盡量減少施工對鄰近設(shè)施的影響?；陬A(yù)留反壓土臺(tái)的分段、分層、分階段開挖方法，可在不增加造價(jià)的同時(shí)有效控制基坑變形。當(dāng)各種原因引起的結(jié)構(gòu)間沉降差異超過安全控制允許值，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)即將達(dá)到安全控制允許值時(shí)，一般采取改變挖土速度、改變挖土順序位置、加臨時(shí)鋼支撐、個(gè)別地方可采取注漿和補(bǔ)強(qiáng)加固等措施進(jìn)行控制。當(dāng)控制后監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率在可控范圍內(nèi)時(shí)，可在開挖最后一層土?xí)r加快基坑落底，及時(shí)澆筑混凝土墊層，并根據(jù)現(xiàn)場情況可適當(dāng)增加混凝土墊層厚度，加快結(jié)構(gòu)底板制作。在底板砼澆筑完成后，及時(shí)在底板設(shè)置沉降控制點(diǎn)，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工?？煽刂粕喜拷Y(jié)構(gòu)施工荷載或停止上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行沉降差異的控制，確保整個(gè)施工過程的安全?，F(xiàn)場結(jié)構(gòu)底板監(jiān)測點(diǎn)布置圖見圖4。

圖4 底板沉降監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)圖

考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)縱向變形縫，在規(guī)劃地鐵區(qū)間隧道下穿土層時(shí)，隧道上方土體由于隧道掘進(jìn)過程中的土層損失而出現(xiàn)沉降，土層越深，越接近隧道，土層的豎向變形越大，而且上下行隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的土層沉降變化不盡相同，從而對上方南北兩個(gè)通道結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同。通過對變形縫南北兩側(cè)通道結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行沉降觀測，確定二者差異沉降值，對因隧道下穿引起的地道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)控制起到至關(guān)重要的作用。

4.2 設(shè)置注漿孔

在地鐵盾構(gòu)隧道中心軸線正上方及兩隧道中心連線中點(diǎn)的正上方通道底板處共預(yù)留3 個(gè)注漿孔[2]（兼作卸壓孔），沿縱向間距2 m 設(shè)一組注漿孔橫斷面，以滿足盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)通道底板下注漿充填的要求，控制通道沉降和隆起，確保通道結(jié)構(gòu)安全。

預(yù)留注漿孔采取2 寸鋼管預(yù)埋在底板內(nèi)。為避免預(yù)埋鋼管處通道底板滲水，預(yù)埋鋼管設(shè)置兩道止水鋼板，鋼管距底板底應(yīng)保留250 mm 厚的混凝土結(jié)構(gòu)，后期注漿時(shí)放入注漿管時(shí)鑿除。

5 穿越過程中的模擬

5.1 上行線盾構(gòu)推進(jìn)

地鐵區(qū)間上下行線施工間隔1 個(gè)月左右，先行施工上行線。上行線盾構(gòu)從東向西推進(jìn)，穿越地道結(jié)構(gòu)用時(shí)5 天。從數(shù)據(jù)可以看出，盾構(gòu)穿越第一天即圖5第一天中，北地道結(jié)構(gòu)東側(cè)沉降點(diǎn)N2 沉降數(shù)據(jù)為1.7 mm，相應(yīng)位置南地道沉降點(diǎn)S1 沉降數(shù)據(jù)為1.6 mm。二者差異沉降較小，且距離盾構(gòu)區(qū)間隧道距離越近沉降數(shù)據(jù)越大。圖5第二、三和四天中，隨著盾構(gòu)推進(jìn)，日沉降量最大值西移，盾構(gòu)穿越后地道日變化量趨緩。圖5第五天中，盾構(gòu)已經(jīng)穿越地道結(jié)構(gòu)投影，沉降日變化量越來越小，脫離盾構(gòu)區(qū)間推進(jìn)的影響，累計(jì)沉降量逐漸趨同。

圖5 上行線盾構(gòu)下穿南北結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)對比圖

5.2 下行線盾構(gòu)推進(jìn)

下行線盾構(gòu)到達(dá)通道結(jié)構(gòu)前，通道結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。下行線盾構(gòu)穿越沉降數(shù)據(jù)見圖6，沉降數(shù)據(jù)變化趨勢與上行線相似，下行線沉降數(shù)據(jù)大于上行線，但二者差異沉降較上行線小。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，日沉降量最大值西移，但相對于上行線變化偏小，盾構(gòu)穿越后地道日變化量趨緩。

圖6 下行線盾構(gòu)下穿南北結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)對比圖

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析，地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿對基坑沉降造成一定影響，地道南北基坑得益于抗拔樁、地基加固及進(jìn)出洞加固等措施已提前考慮盾構(gòu)穿越。本次基坑在盾構(gòu)穿越過程中總體沉降未超過10 mm，差異沉降未超過5 mm。故穿越影響較小，且南北基坑的差異沉降控制較好。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測成果，實(shí)測沉降值變化趨勢與模型數(shù)值分析沉降值基本吻合。本工程的沉降控制措施及最終達(dá)到的控制指標(biāo)對后續(xù)類似工程具有一定的參考意義。結(jié)合本工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)可作為類似盾構(gòu)下穿引起基坑沉降的管控指標(biāo)，基坑整體沉降為10 mm，差異沉降為5 mm。但仍需盾構(gòu)穿越前做好預(yù)防準(zhǔn)備措施，包括對地道結(jié)構(gòu)縱縫出現(xiàn)滲水等破壞現(xiàn)象的封堵、使用注漿孔進(jìn)行注漿補(bǔ)救等準(zhǔn)備措施。

6 結(jié)論與展望

①相關(guān)部門要根據(jù)地質(zhì)情況、工程特點(diǎn)及周邊建構(gòu)筑物等，合理地進(jìn)行施工作業(yè)。通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)來確?；訃o(hù)及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)，可以有效地控制周邊建筑物和管線的沉降和變形。

②新建隧道穿越地鐵車站、地下通道、地下管線等進(jìn)行“近接”施工時(shí)，首先對既有構(gòu)建筑物進(jìn)行安全評估，提前做好穿越前的各種施工措施；其次通過有限元等方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測該地道的變形量，通過變形量評估地道結(jié)構(gòu)的安全性，進(jìn)而確定盾構(gòu)推進(jìn)過程中的變形控制指標(biāo)；最后在盾構(gòu)隧道穿越過程中進(jìn)行變形監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證盾構(gòu)穿越對既有構(gòu)建筑物的影響，確保該影響在安全可控的范圍內(nèi)[3]。

③利用有限元數(shù)值模擬分析方法對盾構(gòu)推進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)過程中的各個(gè)重點(diǎn)部位進(jìn)行超前了解，從而有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

④通過模擬數(shù)據(jù)分析，地道對盾構(gòu)穿越采取必要的加固、留注漿孔等安全措施，確保措施安全有效，并在后期結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)加以論證，為類似穿越工程提供有效的施工借鑒。