盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群沉降特性及施工控制技術(shù)★

王 冠

(中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300)

1 概述

伴隨著改革開(kāi)放潮流，城市化進(jìn)程加速發(fā)展，城市規(guī)模化增長(zhǎng)顯著，軌道交通作為城市規(guī)模化產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生。軌道交通因其高效率、大容量、低能耗特點(diǎn)，成為優(yōu)化城市空間規(guī)劃、改善城市交通擁堵主要方法。城市形成早于軌道交通建設(shè)，因此，軌道交通建設(shè)過(guò)程中不可避免地存在穿越(下穿，側(cè)穿)、并行、疊交等高風(fēng)險(xiǎn)源。譚偉姿[1]針對(duì)盾構(gòu)重疊隧道施工在穿越建筑前的穿越和穿越建筑段施工時(shí)的控制方法和盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行研究；常淑芬等[2]從設(shè)備選型控制、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制以及注漿控制方面著手，對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿建筑物施工控制技術(shù)進(jìn)行分析；劉柄呈等[3]，龔興旺等[4]對(duì)盾構(gòu)近距離側(cè)穿建筑物引起沉降及錨桿樁的加固作用進(jìn)行數(shù)值模擬研究；張準(zhǔn)[5]通過(guò)構(gòu)建盾構(gòu)隧道近距離側(cè)穿砌體結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對(duì)比深孔注漿技術(shù)運(yùn)用后盾構(gòu)施工過(guò)程中誘發(fā)的地表沉降與砌體建筑沉降的偏差；李又云等[6]、王謙等[7]、張軍[8]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，建立隧道-土體-建筑遺產(chǎn)三維模型，進(jìn)行盾構(gòu)施工前建筑遺產(chǎn)周邊加固效果、施工技術(shù)參數(shù)優(yōu)化、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比分析；彭剛[9]研究了區(qū)間下穿箱涵處理技術(shù)；袁東鋒等[10]、魯茜茜等[11]、奚曉廣等[12]依托盾構(gòu)連續(xù)穿越高架橋工程，利用有限元數(shù)值模擬研究盾構(gòu)超近距離穿越對(duì)高架橋墩的影響，并從結(jié)構(gòu)變形傳遞角度揭示其傾斜機(jī)理。

本文以實(shí)際工程為背景，研究盾構(gòu)施工側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群地表變形特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)分析，得到影響盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群所引起的變形主要因素，并提出相應(yīng)的施工措施，建立一套盾構(gòu)隧道施工側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群的施工控制技術(shù)，為類似工程提供指導(dǎo)。

2 工程概況

廣州市軌道交通四號(hào)線南延段工程塘坑站—大涌站區(qū)間隧道線路出塘坑站后沿環(huán)市大道向西北方向前行，線路全部位于環(huán)市大道北側(cè)道路下方，線路兩側(cè)主要是商住綜合體及民房，區(qū)間空間位置圖如圖1所示。大塘區(qū)間離盾構(gòu)始發(fā)端頭100 m左右位置，盾構(gòu)近距離(3 m內(nèi))側(cè)穿塘坑村淺基礎(chǔ)建筑群，線路東北側(cè)2層～7層淺基礎(chǔ)建筑群距離線路較近。線路左側(cè)建筑物靠近隧道右輪廓線最近距離為10.27 m，右側(cè)建筑物靠近隧道左輪廓線最近距離為31.97 m，隧道側(cè)穿建筑物情況如表1所示。

表1 隧道側(cè)穿建筑物

3 盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群沉降特性分析

3.1 計(jì)算模型

采用有限元MIDAS GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，盾構(gòu)直徑6.25 m，隧頂土層厚度13 m，上、下行線隧道凈距為14 m，隧道中心點(diǎn)向兩側(cè)各取35 m，即X方向取80 m，在Z方向結(jié)合地質(zhì)勘查報(bào)告取39 m，沿盾構(gòu)側(cè)穿掘進(jìn)方向即Y方向，綜合實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，脫出盾尾7 d后基本穩(wěn)定，平均7 d開(kāi)挖35環(huán)(52.5 m)，在Y方向取120 m。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)MIDAS GTS中Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型對(duì)輸入?yún)?shù)的要求，參照巖土工程勘察報(bào)告土層特性，土體參數(shù)如表2所示。其中土體彈性模量由土體的壓縮模量換算而得。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 房屋結(jié)構(gòu)有限元模擬

本工程盾構(gòu)施工采用先后掘進(jìn)的方法，取最不利工況，即大塘區(qū)間離盾構(gòu)始發(fā)端頭100 m左右位置，盾構(gòu)近距離(3 m內(nèi))側(cè)穿塘坑村淺基礎(chǔ)建筑群，本文取盾構(gòu)側(cè)穿的其最具有代表性，層數(shù)最多的一棟建筑物A和近距離側(cè)穿的建筑物B為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群房屋A層高為11 m，4層，房屋建筑輪廓18 m×9 m，淺基礎(chǔ)埋置深度為4 m，磚混結(jié)構(gòu)。側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群房屋B層高為23 m，7層，房屋建筑輪廓22 m×14 m。隧道與建筑物關(guān)系剖面示意圖如圖2，圖3所示。有限元模型如圖4～圖7所示。

3.4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本文依托工程所側(cè)穿建筑群均為淺基礎(chǔ)，地表抗變形能力差，因此整個(gè)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是隧道區(qū)間影響范圍內(nèi)的地表及淺基礎(chǔ)沉降，其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目還包括地下水位、隧道收斂和隧道拱底變形。取本工程區(qū)間側(cè)穿建筑群最危險(xiǎn)工況進(jìn)行分析，沉降監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)如圖8所示。

3.5 淺基礎(chǔ)建筑群沉降特性分析

3.5.1 周邊地表沉降分析

盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群采用雙線開(kāi)挖施工工況后，淺基礎(chǔ)建筑群周邊地表沉降變形云圖與周邊地表最大沉降豎向位移云圖如圖9所示。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖9所示：1)隧道開(kāi)挖后地表產(chǎn)生明顯的沉降槽，雙線開(kāi)挖后地表最大沉降為12.14 mm；2)雙線開(kāi)挖后隧道拱頂最大沉降為14.17 mm。

3.5.2 淺基礎(chǔ)建筑群房屋基礎(chǔ)沉降特性分析

根據(jù)實(shí)際情況，采取步長(zhǎng)L=6 m的盾構(gòu)掘進(jìn)模擬工況，Y方向?yàn)?20 m，右線先掘進(jìn)60 m，后左右兩線同時(shí)掘進(jìn)，這樣左右兩線就有30個(gè)施工步。具體計(jì)算步驟如下：

步驟1：平衡地應(yīng)力，清零位移。

步驟2：右線開(kāi)挖隧道一環(huán)。

步驟3：施加一環(huán)襯砌以及注漿層。

步驟4：繼續(xù)開(kāi)挖下一環(huán)，同時(shí)硬化上一環(huán)注漿層。

步驟5：右線隧道挖完60 m，左線右線再同步開(kāi)挖，施工步序同上。

圖10，圖11分別為測(cè)點(diǎn)J1～J4和測(cè)點(diǎn)J5～J8隨施工過(guò)程沉降變化曲線。其中，第5個(gè)施工步為右線隧道施工到達(dá)第一棟建筑物，第5個(gè)～第10個(gè)施工步為隧道施工經(jīng)過(guò)第一棟建筑物，第10個(gè)～第15個(gè)施工步為隧道經(jīng)過(guò)第二棟建筑物。

4 盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群施工控制技術(shù)

盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群施工技術(shù)措施是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，為了對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群的沉降進(jìn)行有效控制，確保盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群的安全，本文擬將盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群分為3個(gè)階段，并制定相應(yīng)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。因淺基礎(chǔ)建筑群所涉及到的多為磚混及框架結(jié)構(gòu)，抵抗沉降變形能力儲(chǔ)備不足，依據(jù)GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范和GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，確定不同階段盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)建筑群的沉降累計(jì)變形允許值和每日沉降變形允許值增量。各階段具體情況如表3所示。

表3 各階段控制指標(biāo)及控制措施

盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群施工控制技術(shù)是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，以實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)不同地質(zhì)、穿越淺基礎(chǔ)建筑群不同結(jié)構(gòu)類型對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以達(dá)到人-機(jī)-環(huán)的高度統(tǒng)一，具體施工控制技術(shù)如下：

1)盾構(gòu)姿態(tài)控制：本工程根據(jù)掌子面地層情況、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、糾正偏差，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)糾正偏差控制在4 mm/環(huán)。

2)掘進(jìn)速度控制：掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)刀盤扭矩、推力、地層狀況等綜合考慮。本工程盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群掘進(jìn)速度控制在25 mm/min～35 mm/min。

3)土倉(cāng)壓力：一般來(lái)說(shuō)實(shí)際土倉(cāng)壓力的設(shè)定稍高于理論值，可以有效地控制盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群施工時(shí)盾構(gòu)掌子面土層的隆起量。本工程土倉(cāng)壓力控制在0.18 MPa～0.20 MPa，糾偏范圍為±0.1 MPa。

4)出土量：本工程管片內(nèi)徑φ5 400 mm，管片外徑φ6 000 mm，最大開(kāi)挖直徑為φ6 250 mm。管片寬度1.5 m/環(huán)。φ6 250 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)每環(huán)理論出土量：

土方量=π/4×(R2×L)=π/4×(6.252×1.5)=46.02 m3/環(huán)。

實(shí)際出土量由于地下水作用及渣土松散，要比理論出渣量大。根據(jù)廣州地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，渣土的松散系數(shù)在1.4～1.5之間，即實(shí)際每環(huán)出渣量分別在64.43 m3～69.03 m3之間。

5)管片拼裝質(zhì)量：管片拼裝嚴(yán)格按照以批準(zhǔn)的施工方案進(jìn)行，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)方案進(jìn)行修正，并注意成品的保護(hù)。

6)同步注漿：本工程注漿配比如表4所示。

表4 同步注漿漿液配合比

7)二次注漿：當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一定距離后進(jìn)行二次雙液注漿，一般在距離盾尾10環(huán)的距離進(jìn)行注漿密封，將管片與土體之間的空隙用雙液漿填充。注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿。

5 結(jié)論

本文以廣州市軌道交通4號(hào)線南延段工程塘坑站—大涌站區(qū)間側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群為依托，采用有限元三維模擬對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群進(jìn)行沉降特性分析，并根據(jù)沉降特性相應(yīng)的施工控制技術(shù)，具體結(jié)論如下：1)基于三維數(shù)值軟件對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群進(jìn)行沉降特性分析，并得到相應(yīng)的沉降規(guī)律。2)將盾構(gòu)側(cè)穿淺基礎(chǔ)建筑群分為3個(gè)階段，并確定不同階段盾構(gòu)穿越淺基礎(chǔ)建筑群的沉降累計(jì)變形允許值和每日沉降變形允許值增量。3)從盾構(gòu)姿態(tài)控制、掘進(jìn)速度控制、土倉(cāng)壓力、出土量、管片拼裝質(zhì)量、同步注漿、二次注漿7個(gè)方面進(jìn)行具體施工控制技術(shù)分析，并針對(duì)不同因素提出了具體施工參數(shù)，形成了人-機(jī)-環(huán)高度統(tǒng)一的施工控制技術(shù)。