盾構(gòu)隧道側(cè)穿近海砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層樁基變形控制研究

李 凡，傅立磊，郭思岑

（1.廈門市市政建設(shè)開發(fā)有限公司，福建廈門 361000；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500）

1 概述

盾構(gòu)法以其短周期機(jī)械化施工、環(huán)境干擾小、空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為隧道修建時(shí)的首選方案[1-4]。但在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層中修建盾構(gòu)隧道時(shí)，由于砂粒中夾雜堅(jiān)硬卵石，其地層強(qiáng)度分布不均，使施工過程中沉降量難以控制，并且開挖隧道會對鄰近建、構(gòu)筑物樁基產(chǎn)生擾動(dòng)，極易降低樁基穩(wěn)定性。樁基近接范圍加固逐漸成為研究熱點(diǎn)[5]。

為減少盾構(gòu)施工對樁基的擾動(dòng)，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。大多學(xué)者采用有限元法模擬盾構(gòu)穿越群樁基礎(chǔ)得出擾動(dòng)規(guī)律，并評價(jià)了注漿加固效果[3-4,6-9]。部分學(xué)者采用超前注漿加固下穿的建（構(gòu)）筑物群對注漿效果進(jìn)行了研究[5]，分析雙液注漿法在盾構(gòu)下穿建筑時(shí)的應(yīng)用效果。除此之外，部分研究運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種研究手段分析了砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層深孔注漿阻水加固技術(shù)的作用效果[4]，特別是結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測所研究的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層中袖閥管注漿加固、洞內(nèi)注漿加固等施工技術(shù)為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和理論指導(dǎo)。盡管通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了成都砂卵石地層預(yù)埋注漿加固保護(hù)方案的作用效果[4,10]，但基于直徑14.27m的外灘隧道提出當(dāng)凈距為5～10m時(shí)，采用注漿加固技術(shù)效果最佳，采用“盾構(gòu)通過范圍內(nèi)圍巖注漿加固+承臺加固”措施可使橋面最大沉降值減少約45%[5-6,11]。以上盾構(gòu)下穿或側(cè)穿既有樁基時(shí)樁周地層注漿加固研究達(dá)到的控制施工沉降效果顯著，為樁基加固穩(wěn)定性技術(shù)推廣提供了借鑒。

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)隧道在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層中側(cè)穿樁基時(shí)注漿加固效果，以下以廈門港中路隧道為研究對象，在考慮開挖面支護(hù)壓力、注漿壓力及管片拼裝的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法建立了盾構(gòu)隧道在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層中側(cè)穿樁基動(dòng)態(tài)開挖模型，使用該模型得出盾構(gòu)施工沉降影響范圍，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同樁基變形控制規(guī)范，提出近鄰樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)，最后對比研究注漿加固前后樁基沉降變形規(guī)律，以期為類似工程提供更具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性參考。

2 依托工程

擬建廈門港中路下穿通道是連接機(jī)場片區(qū)和象嶼片區(qū)的快速聯(lián)系通道，地下通道沿線依次側(cè)穿杏林大橋樁基、鷹廈鐵路、地鐵1號線等，隧道為雙向四車道，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h。如圖1所示近穿杏林大橋段隧道埋深9.0m，隧道直徑8.3m，襯砌管片厚度0.4m，注漿層厚度0.15m。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾庫倫彈塑性模型。土層力學(xué)參數(shù)見表1。盾構(gòu)、管片襯砌、注漿材料采用 線彈性本構(gòu)關(guān)系，具體力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 隧道線路與既有建、構(gòu)筑物位置關(guān)系

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 材料力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算模型

盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)機(jī)通過千斤頂反復(fù)伸縮頂緊管片向前移動(dòng)。采用有限元法對該過程進(jìn)行分析模擬，由于盾構(gòu)掘進(jìn)是一個(gè)不連續(xù)過程，以此假定盾構(gòu)機(jī)以跳躍方式向前移動(dòng)，每一步向前推進(jìn)兩環(huán)管片，建立了模擬如圖2所示的盾構(gòu)側(cè)穿樁基計(jì)算模型。單元預(yù)設(shè)在盾尾和盾首，通過激活和殺死單元的方法處理單元?jiǎng)偠鹊淖兓?，即生死單元法，?shí)現(xiàn)模擬盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)。同時(shí)，施加開挖面壓力，在盾構(gòu)機(jī)尾部組裝管片并進(jìn)行注漿。綜合考慮了盾構(gòu)機(jī)、隧道管片及盾尾漿液，在不同部件與圍巖之間均設(shè)置了接觸面。

圖2 盾構(gòu)側(cè)穿樁基計(jì)算模型

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

以第4步開挖上部圍巖為例，分別取第4步、第6步、第9步、第13步、第19步地表沉降數(shù)據(jù)如圖3所示，地表橫向水平位移如圖4所示。由圖3可以看出，當(dāng)盾構(gòu)開挖至當(dāng)前區(qū)域即第4步時(shí)，地表沉降較小，當(dāng)盾構(gòu)繼續(xù)開挖至盾尾離開當(dāng)前區(qū)域即第6步時(shí)，地表沉降顯著變大。這是由于離開盾殼的支撐，盾尾間隙注漿加固不及時(shí)產(chǎn)生顯著沉降，沉降在盾尾離開當(dāng)前區(qū)域后20m左右即第13步時(shí)，沉降量逐漸穩(wěn)定并達(dá)到最大值。當(dāng)前地質(zhì)條件下，地表沉降最大值約為12mm。由沉降曲線可以看出，曲線反彎點(diǎn)即影響較強(qiáng)區(qū)域約為距隧道軸線8m處，對應(yīng)1.0D，地表沉降影響區(qū)域約為距隧道軸線17m處，對應(yīng)2.0D。

圖3 不同開挖步下地表沉降曲線

由圖4可以看出盾構(gòu)開挖完成后，隧道軸線正上方地表幾乎不發(fā)生水平位移，兩側(cè)圍巖向中間移動(dòng)；隨著與隧道軸線水平距離的增加，位移增大。盾尾離開當(dāng)前區(qū)域即第6步之后地表兩側(cè)水平位移逐漸增大，第9步后水平位移逐步趨于穩(wěn)定，地表水平位移最大值約為4.5mm。

圖4 不同開挖步地表水平位移曲線

5 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層盾構(gòu)隧道穿越樁基注漿加固研究

5.1 樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)隧道施工引起近鄰樁基周圍圍巖松動(dòng)變形，樁基會發(fā)生豎向沉降和水平位移，對樁基安全將產(chǎn)生影響，如發(fā)生較大變形將會影響上部橋梁的正常使用。制定盾構(gòu)隧道施工中樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，對沉降變形超過設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)的樁基及時(shí)采取相應(yīng)的加固措施，可將盾構(gòu)隧道施工造成的影響降到最低。盾構(gòu)隧道開挖附近樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)參照了如表3所示的現(xiàn)有行業(yè)技術(shù)規(guī)范，根據(jù)實(shí)際工程中不同樁基制定相應(yīng)的變形規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到港中路隧道側(cè)穿長岸路高架橋樁基位置，車流繁忙，橋樁基位于砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層，地層相對軟弱。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范并結(jié)合橋梁現(xiàn)狀及工程具體情況，參考本地區(qū)其他隧道線路臨近樁基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，制訂了如表4的隧道側(cè)穿近鄰樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 橋梁樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 隧道側(cè)穿近鄰樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)

5.2 樁基在不同注漿加固范圍下的變形

根據(jù)港中路隧道側(cè)穿長岸路高架橋取四根樁基（EW16、EW18、WE19、WE21）進(jìn)行注漿加固研究，如圖5所示。隧道埋深9.0m，隧道直徑8.3m，襯砌管片厚度0.4m，注漿層厚度0.15m。土層由上至下分別為雜填土1.5m、粉質(zhì)粘土3m、中密卵石土9m、中風(fēng)化泥巖46.5m，圍巖采用摩爾庫倫彈塑性模型。其中四根樁基樁長度均為17m，EW16、WE21樁與隧道水平距離為4.2m，EW18樁與隧道水平距離為5.5m，WE19樁與隧道水平距離為6.6m。分別計(jì)算不對樁基進(jìn)行加固和對樁基1m、2m、3m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固所產(chǎn)生的樁基豎向變形和水平變形。對中砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖地層注漿加固效果的分析比較可知，彈性模量可以提高到原有的1.25～1.5倍左右，粘聚力則有10倍以上的提高效果，認(rèn)為注漿后內(nèi)摩擦角和容重的變化較小。具體參數(shù)變化如表5所示。

表5 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖層注漿加固前后力學(xué)參數(shù)變化

圖5 樁基相對位置示意圖

在未加固情況下WE21樁最大沉降可以達(dá)到7.0mm，注漿加固后，樁基沉降顯著減小，但是樁基周圍2m加固與3m加固對沉降量的改善作用差別不大，樁基周圍2m范圍內(nèi)注漿時(shí)樁基沉降為4.9mm，在樁基周圍3m范圍內(nèi)注漿時(shí)樁基沉降為4.7mm。由此可以看出樁基周圍注漿加固對樁的水平變形改善也有一定作用，加固前最大水平變形為2.9mm，3m范圍加固后最大水平變形減小為2.0mm。

6 結(jié)論

（1）影響較強(qiáng)區(qū)域約為距隧道軸線1.0D范圍內(nèi)，地表沉降影響區(qū)域約為距隧道軸線2.0D范圍內(nèi)。

（2）根據(jù)不同的樁基變形控制規(guī)范，結(jié)合港中路隧道側(cè)穿長岸路高架橋樁基實(shí)際情況，提出了近鄰樁基變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過數(shù)值模擬計(jì)算了樁基在未注漿加固及不同注漿加固范圍下變形趨勢，加固后樁基沉降、變形均符合控制標(biāo)準(zhǔn)要求。