隧道穿越建筑物基礎的保護方案探討

時　飛

摘要:在城市隧道施工過程中,經常會遇到隧道穿越建(構)筑物群基礎的情況。本文簡要地對隧道盾構法施工時穿越建(構)筑物所引起沉降的理論進行了分析和闡述,以科學的預測建筑物基礎的受力情況并采用相應的保護措施。同時對盾構法施工穿越建筑物時如何選擇掘進參數及確定監測方案進行了闡述。

關鍵詞:隧道施工 盾構法 穿越建筑物 監測與保護

中圖分類號:TU71文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)03-0141-02

隨著地鐵行業在城市建設中加速發展和盾構工法在地鐵行業的廣泛應用,人們關注其引起的沉降問題日益加強,如何對盾構施工所引起的沉降進行預測并提出相應的技術措施成為盾構行業的重要課題。

在盾構隧道施工中,對建筑物基礎的影響主要有三個方面:(1)盾構掘進引起的地層損失造成的沉降,即按理論公式計算的沉降量;(2)盾構施工中引起地下水大量流失,從而導致地下水位降低。當建筑物基礎下方存在孔隙率較大的地層時,基礎會隨地下水的流失造成地層的壓縮沉降;(3)盾構施工過程中會存在地質資料、建筑物基礎收集資料與事實不符而造成施工措施選擇不當引起建筑物開裂。

1 地層損失造成建筑物沉降

1.1 對建筑(構)筑物是否需要加固的判斷

在深埋隧道中,盾構施工會對土體產生一定的擾動,造成一定范圍的土體成為松土。松動范圍按太沙基公式計算,其中落入該范圍內的樁身部分可假定將失去土體摩阻力,若樁底落入該范圍或在豎直方向接近于該范圍,理論上會完全或部分失去樁端承載力。對于摩擦樁與端承樁的影響各有不同,摩擦樁承載力主要依靠土體摩阻力提供,端承摩擦樁則依靠樁端承載力提供。

因此,計算樁基剩余承載力能否滿足原設計所要求的承載力,可以作為判斷建筑物是否需要加固的依據,具體計算方法為:計算出盾構引動松動土的高度,對于摩擦樁和端承摩擦樁,根據樁基規范中持力層選擇的有關要求,樁底以下3倍直徑不能存在溶洞或具震陷液化特點的地層,為確保建筑物安全,可假定松動土范圍內的地層視作特殊土層,即樁底離隧道豎直距離小于3倍樁基直徑且不小于2m的樁視為完全損失樁端承載力,即計算出地層松動高度+3倍樁徑或2m(取大值)是否大于樁底至隧道的豎直距離即可判別建筑物是否需要加固;對于樁端落人巖石中、微風化的端承樁,盾構所引起的松動土高度很小(通常計算結果為零),這時,須計算隧道開挖面與樁底的巖體能否滿足沖切要求,判斷樁基應否加固。

1.2 對建(構)筑物的加固方法

樁基末侵入隧道,但剩余樁基承載力不滿足原設計要求,可通過預注漿以提高樁基承載力,同時,在盾構通過時在地面采用跟蹤注漿,可確保既有建筑物的安全。

樁基已侵入隧道,需對樁基進行梁式托換或板基基礎轉換,必要時切斷原樁。如在地鐵某區間工程中,盾構需穿越一棟7層房屋,其基礎為144根￠480錘擊灌注樁的建筑物,通過以上理論計算,個別樁基不滿足受力要求,在施工前須對14根樁基采用梁式托換,其余樁基不進行預處理。考慮到盾構通過房屋時,已托換柱與沒有托換柱之間可能會發生較大的沉降差,因此,在托換梁設計時,允許托換梁在規范范圍內出現一定的托換變形,最大撓度變形在5-8mm。在實際施工中,建筑物最大沉降值在18.1mm,最大不均勻沉降為5mm,均滿足規范要求。

2 地下水流失造成建筑物沉降

在深埋隧道中,地層損失造成的建筑物的沉降主要影響的是端承樁,而地下水大量流失造成地下水位下降則主要影響的是淺基礎和長度較短的摩擦樁,特別是基礎以下存在間隙率較大的地層,如中、粗砂層所造成的沉降較大。

由于土壓平衡式盾構機在掘進過程中,拱頂同步注漿普遍存在不密實情況,導致拱頂處沿隧道方向存在水力連通,當盾構長時間停止掘進時,地下水容易從盾構機后方流至開挖面,引起地下水大量流失,當地層起伏較大或存在地質鉆孔封孔質量不好時,容易與上部地層形成水力通道,直接貫通隔水層引起地下水位下降;另外在含水量較大的地層中停機也會造成開挖萬方數據面較大的水量流失。

在某隧道施工工程盾構掘進時,也曾遇到因地下水位下降造成房屋沉降的實例。盾構機在地層起伏較大的位置更換刀具,機頭位置處于花崗巖強、中風化地層,其中中風化地層裂隙發育。當盾構機完成換刀啟動時,出現了大量噴涌現象,前方30m處的一幢5層獨立基礎房屋(持力層為粗砂層)次日累積沉降達28.2mm,且沉降速率不斷增大,地下水位下降了2.2m,房屋過道已出現少量沉降裂縫,施工單位立即采用了注漿加固穩定了沉降速率,當累積沉降值為42.5 mm時開始收斂,盾構立即快速通過該房屋,當地下水位回復至穩定水位后,原沉降較大的柱子出現了10.8mm的正位移。

3 穿越建(構)筑物掘進參數的控制與施工監測

前面所論述盾構引起建筑物沉降是建立于盾構采用正確的掘進參數情況下的一種預測,對一些預測沉降量較大的建筑物采用提前加固的措施。在實際施工中,如何控制好掘進參數,是對建筑物保護的一項最基本、最重要的措施。

3.1 盾構穿越房屋時掘進參數的選擇

準確計算各種地層的理論松方出土量,施工中必須嚴格按計算結果控制好實際出土量。

采用土壓平衡式掘進,合理地設定土壓力值。

當穿越沉降敏感地層或大量地下水區域時,必須采用全土壓掘進。

通過建(構)筑物時應保持連續掘進。

控制好盾構姿態,避免因糾偏而造成超挖。

同步注漿和二次注漿必須到位,確保管片與地層間隙密實。

采用耐磨性較高的刀具,減少換刀次數,制定合理的換刀計劃,提前在建(構)筑物前做好換刀工作,避免盾構在建(構)筑物下停留。

控制襯砌拼裝偏差,提高隧道質量,減少后期沉降。

另外,在掘進過程中,必須做好施工監測,及時地反饋給現場指揮,及時掌握地面沉降情況。

3.2 建(構)筑物、管線、地面的監測

3.2.1 監測方案

根據建(構)筑物的不同類型,按規范要求確定沉降允許值,并按允許值的60%～80%定出警戒值。

在盾構始發前進行一次全面建(構)筑測量,并每天進行監測,得出建筑確定原始值及原始沉降速率值。

根據監測對象情況,在每個建筑物周圍布設不少于3個穩固的基準點。管線的觀測點布置在管線邊的土體中。

根據隧道通過的圍巖條件和周圍建(構)筑物情況布置觀測點,沿隧道中線前進方向每隔5—8 m布設一個觀測點,每隔5～10個觀測點布設一個檢測橫斷面。每個斷面上布設4—8個觀測點,對軟弱土層、重要的建(構)筑物或埋深較淺的區域應適當加密監測斷面和測點。

在硬化的地表上布設的測點要穿透硬化層,滲入地面1 m以下,防止下面虛空而沒有及時發現。

盾構通過建(構)筑物時,每天監測次數不少于2次,當出現異常情況,及時加密監測次數。

本文通過理論知識和工程實例,指出隧道施工在穿越建筑物基礎過程中,如何選擇好掘進參數和施工監測方法。在確定盾構穿越建筑物對基礎的影響程度的前提下如何采用相應的保護加固措施。文章所提供的方法簡單、直觀,較易掌握,通過多個隧道盾構工程的實踐檢驗,具較強的適用性。

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