地鐵隧道近距離側穿建筑物隔離防護技術研究*

耿 城

(信陽農林學院,464006,信陽∥講師)

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地鐵隧道近距離側穿建筑物隔離防護技術研究*

耿 城

(信陽農林學院,464006,信陽∥講師)

以濟南市軌道交通R1線某區間隧道近距離側穿文物保護區某6層框架結構體系樁基建筑物為工程背景,通過理論分析、現場測試及數值分析,深入分析了隔離防護措施在該種工況下的隔離效果。結果表明:隔離樁防護措施主要是通過阻斷盾構隧道掘進引起的擾動應力傳遞路徑將盾構隧道穿越影響范圍限定在理想范圍之內,將受保護區與盾構隧道影響區隔離。建筑物樁基豎向沉降、水平變形均呈現出平緩過渡、明顯下降、上下震蕩過程,最大振幅分別為0.90 mm、1.00 mm;鉆孔灌注樁C、D與建筑物樁基相比,豎向沉降、水平變形振幅更大、持續時間更長,最大振幅分別為1.40 mm、5.50 mm。采取防護措施后,鉆孔灌注樁最大水平變形量從6.00 mm減小至1.00 mm;樁身長度范圍內,變形呈側“V”字形,隔離效果顯著,實現了隔離樁外側區域變形可控,確保了施工安全。

地鐵隧道; 建筑物樁基; 隔離樁; 近接施工

Author′s address Xinyang College of Agriculture and Forestry,464006,Xinyang,China

隨著我國經濟的不斷發展及施工技術的不斷提高,盾構法作為一種機械化程度高、環境污染小、施工效率高的新的施工工法被廣泛地應用于地鐵隧道建設過程中[1-2]。但由于不同的線路規劃,地鐵隧道將不可避免地產生近距離穿越建筑物、構筑物工況,其必將擾動周圍土體,改變應力狀態,從而嚴重影響樁基礎的變形與受力,甚至導致上部建筑物的開裂或破壞。因此,開展盾構近距離穿越建筑物樁基防護措施研究具有非常重要的工程意義[3-4]。

目前,諸多學者對盾構隧道穿越建筑物、構筑物工程進行了大量的研究,取得了豐碩成果。研究發現,盾構隧道近距離穿越重要建筑物、構筑物時,地層擾動使建筑物基礎產生顯著地應力集中和變形突變,進而引起上部建筑物開裂、傾斜或倒塌。盾構隧道近距離穿越重要建筑物防護措施主要可分為兩類:一是調整施工參數,優化盾構推力、推進速度、推進扭矩等參數,達到減小盾構穿越對地層的擾動[5-6];二是打設隔離樁增加特定區域地層剛度,阻斷盾構擾動引起的應力傳遞路徑,將穿越擾動影響區限定在一定范圍,從而達到保護建筑物基礎的目的[7-8]。但上述研究均忽略了盾構穿越對隔離樁自身的影響。而穿越過程中隔離樁力學響應是體現隔離防護措施能夠起防護作用的重要指標,也是關系到穿越安全的關鍵因素,因此,有必要針對盾構穿越過程中防護措施進行專項研究,避免盲目施工使隔離防護措施未能達到預期要求。

本文以濟南市軌道交通R1線某區間隧道近距離側穿某重要建筑物(6層18.6 m高的樁基礎框架建筑物結構體系)為工程背景,采用鉆孔灌注樁,結合高壓旋噴樁組合的隔離樁防護方案,對盾構隧道近距離側穿施工過程中隔離效果進行了理論分析和現場監測,認為該種加固方案可有效阻斷盾構隧道施工引起的應力傳遞路徑,減小穿越對建筑物基礎擾動,將擾動影響區限定在樁基礎之外,達到了防護效果。

1 工程概況

濟南軌道交通R1線某區間隧道近距離側穿文物保護區某6層框架結構的建筑物位于區間里程K21+577～K21+627。其中,建筑物外側樁基礎與盾構隧道最小水平距離僅為8.20 m,建筑物為標準6層框架式結構體系(高×長×寬=18.6 m×15.6 m×32.0 m),其基礎為三排規則分布的樁基礎,長15.0 m,水平間距5.0 m,縱向間距為2.1 m。采用土壓平衡式盾構法結合盾尾同步注漿系統、二次補強注漿系統進行施工;襯砌混凝土強度等級C50,抗滲等級P10。盾構管片設計內徑為5.8 m,外徑為6.4 m,開挖毛洞直徑為6.68 m,埋深為23.0 m。

由于盾構隧道距離建筑物較近,故盾構隧道穿越施工必定對建筑物樁基礎造成嚴重影響,如若處理不當,將引起建筑物關鍵部位應力集中或變形突變。因此,需進行專項防護措施研究。

地質勘查資料揭示了鉆孔深度30 m范圍內,地層自上而下以雜填土、黃土、粉質黏土、膠結砂、黏土、較破碎的中風化花崗巖為主,其彈性模量較低,盾構施工易引起較大的擾動變形。地下水位位于-15.5 m,以潛水(水位標高11.53～18.14 m)和灰巖裂隙水(水位標高18.14～30.14 m)為主;等代層是盾尾間隙及回填注漿作用的抽象概括。當盾構機械參數及施工工藝確定后,等代層的厚度及其力學參數是一定的。盾構隧道與建筑物相對位置如圖1所示,地質條件物理力學參數如表1所示。

圖1 盾構隧道與建筑物樁基相對位置圖

地層名稱厚度/m重度/(kN/m3)彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/(°)雜填土2.917.580.351016黃土4.118.5120.322018粉質黏土5.819300.32426黏土9.718400.283034膠結砂2.321800.264024黏土3.419500.283235

2 盾構近距離側穿建筑物變形控制

2.1 隔離樁作用機理分析

假定未采取防護措施時,隧道開挖引起的圍巖應力傳遞依照松散體圍巖壓力理論,沿45°+φ/2(φ為方向向上傳遞)[9-10]。通過打設隔離樁,可阻斷了盾構隧道施工的應力傳遞路徑,將施工影響限定在預定范圍,從而達到隔離建筑物基礎的效果(見圖2)。

2.2 隔離樁防護方案及監測點布置

防護方案的隔離樁采用鉆孔灌注樁結合高壓旋噴樁雙樁組合。其中,鉆孔灌注樁樁徑為0.8 m,樁長約17 m,樁心距為0.9 m。旋噴樁樁徑為1.0 m,樁長約16.0 m,咬合0.4 m。鉆孔樁緊靠旋噴樁組合施作。隧道左側雙樁隔斷范圍距離建筑物樁基外緣3.80 m,右側距離隧道中心軸線4.40 m,加固長度約45.00 m。

圖2 隔離防護措施下盾構隧道影響區

為研究隔離樁對建筑物的隔離效果,以建筑物樁基A、B、C、D作為變形監測點。其中,豎向變形采用水準儀監測,水平位移通過測斜管監測。隔離樁防護方案及監測點布置如圖3所示。

圖3 隔離樁防護方案及監測點布置圖

2.3 隔離樁對建筑物樁基監測結果分析

盾構穿越過程中,樁基A、B和鉆孔灌注樁C、D為重點觀測對象。

樁基沉降觀測點A1、B1的監測數據如圖4所示。由圖4可以看出,樁基沉降變化分為5個階段。

(1) 鉆孔灌注樁施工階段(0～12 d)。該階段的樁基沉降可劃分為沉降不顯著段及下降段。這是由鉆孔灌注樁由遠及近靠近建筑物樁基施工所致。

(2) 高壓旋噴樁施工階段(13～25 d)。此階段樁基有隆起趨勢。這是由于高壓旋噴樁施工中的攪拌與切削對土體有擠壓作用,故而產生樁基隆起。

(3) 左線隧道施工階段(26～70 d)。此階段樁基沉降出現上下振蕩,最大沉降量從0.1 mm增至1.0 mm。這是由于盾尾脫環及推進作用時,盾殼對樁基外側的擠壓摩擦力交互作用所致。樁基B最大振幅為0.8 mm,小于樁基A。這說明距離是影響盾構施工擾動程度大小的關鍵因素。

(4) 右線隧道施工階段(103～118 d)。此階段,樁基沉降呈現小幅振蕩。樁基A最大振幅僅為0.7 mm。這是因為右線隧道距樁基較遠,對樁基的變形影響較左線小。

整體來看,采用隔離防護措施后,樁基最大隆起量為0.4 mm,最大沉降量為1.0 mm,符合設計要求。

圖4 盾構穿越時觀測點A1、B1的沉降監測

鉆孔灌注樁C、D受盾構穿越施工引起的沉降變形如圖5所示。與建筑物樁基相比,鉆孔灌注樁受盾構施工擾動更嚴重,沉降幅度更大。這是由于鉆孔灌注樁距盾構隧道更近、更密集,在穿越過程中承擔了大部分擠壓力。左線施工引起的最大振蕩幅值為1.40 mm,位于隧道距樁基水平距離最近處;右線施工引起的樁基C、D振蕩幅度較左線小1.10 mm。這也說明距離是樁基受擾動程度的關鍵因素。

圖5 盾構穿越過程中觀測點C、D沉降監測

2.5 側穿施工對建筑物樁基水平變影響

建筑樁基A、B在盾構穿越施工過程中水平變形監測數據統計如圖6所示。在圖6中,“正值”代表背離加固區方向,“負值”代表趨向加固區方向。

由圖6可見,建筑物樁基產生背離加固區趨勢,鉆孔灌注樁水平變形向著隧道開挖一側移動。這是由于隧道開挖土體卸載,土壓力減小所致。隔離樁防護措施下,樁基水平變形顯著減小;樁基沿隔離樁加固區方向移動,最大變形量為1.10 mm,且樁基A、B變形量相差不大。隔離樁起到了良好的隔離作用,水平位移得到了較好的控制。

圖6 建筑物樁基A、B水平變形示意圖

盾構穿越過程中,鉆孔灌注樁水平方向變形監測數據如圖7所示。由圖7可見,與豎向沉降變化規律一致,鉆孔灌注樁由于距離隧道較近,盾構推力、刀盤切削土體、盾尾脫環對建筑物樁周土體引起的水平變形影響更加顯著。其具體表現為鉆孔灌注樁水平位移觀測點振動幅度更大,水平變形量大幅增加。鉆孔灌注樁C、D最大水平位移變化幅度分別為5.50 mm和3.50 mm,與建筑物樁基的1.10 mm、1.06 mm形成鮮明對比。可見。隔離樁對建筑物樁基起到了較好的防護作用。

圖7 鉆孔灌注樁C、D水平變形示意圖

2.6 隔離效果數值分析

根據FLAC3D數值計算分析,有無防護措施下,單向盾構隧道近距離側穿樁基建筑物引起的土體水平位移云圖如圖8所示。由圖8可見,未防護時,水平位移呈對稱分布,樁基最大水平位移位于樁底,約6.4 mm。采用隔離樁施作防護后,盾構施工引起的應力傳遞路徑被隔斷,樁基位移得到了有效控制;最大水平位移仍位于樁底,為1.3 mm。對比有無隔離措施下建筑物樁基底部變形可知,采取隔離樁防護措施后,水平位移減幅達79.7%。這說明隔離樁防護措施對建筑物樁基的保護效果顯著。

圖8 有無防護措施下左線隧道開挖水平位移圖

圖9為鉆孔灌注樁C、D背后土體在有無防護措施下水平變形圖。可見有無隔離防護措施時,樁基C、D背后土體水平變形分別為1.0 mm和6.0 mm,隔離效果顯著,達到了預期目標。鉆孔灌注樁C、D變形趨勢沿樁身范圍內呈現側“V”字形,最大水平位移發生在隧道埋深位置?，F場施工時應對此處樁基位置進行動態監測,以確保施工安全。

3 結論

依托濟南市軌道交通R1線某區間隧道近距離側穿6層樁基建筑物工程,深入分析了隔離樁在該種工況下隔離效果,得到主要結論如下:

(1) 隔離樁防護措施主要是通過阻斷盾構隧道掘進引起的擾動應力傳遞路徑將盾構隧道穿越影響范圍限定在理想范圍之內,從而將受保護區與盾構隧道影響區隔離,使受保護免受盾構擾動影響。

圖9 有無防護措施樁基C、D背后土體水平變形變形曲線

(2) 建筑物樁基豎向沉降呈現出平緩過渡(稍遠鉆孔灌注樁施工)、明顯下降(較近的鉆孔灌注樁基高壓旋噴樁施工)、上下震蕩過程(盾構穿越過程);樁基A、B最大振幅分別為0.9 mm、0.8 mm;鉆孔灌注樁C、D最大振幅為1.40 mm、1.10 mm,隔離效果顯著。

(3) 隔離樁防護措施下,鉆孔灌注樁C、D水平變形振幅高達5.50 mm、3.50 mm;建筑物樁基A、B水平最大振幅分別為1.10 mm、1.06 mm,隔離效果顯著,達到了預期目的。

(4) 鉆孔灌注樁C、D背后土體在有無隔離樁作用下最大水平變形位于隧道埋深位置,最大水平變形量從6.0 mm減小至1.0 mm;樁身變形呈側“V”字形。隔離效果顯著,實現了隔離樁外側區域變形可控,確保了施工安全。

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Safety Control Technology of Subway Tunnels Crossing under the Adjacent Buildings

GENG Cheng

A section tunnel on Jinan metro R1 Line is taken as the example, which crosses under a six-storied frame pile-building in the cultural relics protection area, the effect of isolation precautions taken in this condition is studied by way of theoretical analysis, field testing and numerical analysis. The result shows that the protection measures of isolation pile could successfully isolate the protected area and the shield tunnelling affected zone, by blocking the stress transmission path of the disturbance. The vertical settlement and horizontal deformation of building piles demonstrate different stages of gradual transition, significant decrease and the process of shaking up and down, in which the maximum amplitude of vertical, horizontal deformations are 0.90 mm and 1.00 mm respectively. Compared with the building pile, the vertical settlement and the horizontal deformation, pile C and pile D show a greater amplitude and a longer duration, the maximum amplitude are 1.40 mm and 5.50 mm respectively. Numerical calculation indicates, with and without protective measures, the maximum horizontal deformation amount of bored piles could be reduced from 6.00 mm to 1.00 mm; the deformation within the range of pile length appears in a "V" shape, and the isolation effect is remarkable. Therefore, the isolation pile could successfully isolate the building from the affected zone of shield tunnelling, and ensure the construction safety.

subway tunnel; building pile; isolation pile; close construction

*青年科學基金項目(201302009)

TU 478

10.16037/j.1007-869x.2016.09.024

2016-05-25)