土壓平衡式盾構(gòu)近距離連續(xù)下穿高層住宅小區(qū)施工力學與措施研究

辛振省

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1 工程簡介

某地鐵區(qū)間隧道自A站向南經(jīng)過體育場南端附近，線路穿越北一環(huán)路向南前行，上行線長2 895.747 m，下行線長2 895.399 m，區(qū)間總長5 791.146 m。工程由2臺Φ6250海瑞克復合式土壓平衡盾構(gòu)施工，先后在上行線隧道和下行線隧道施工，盾構(gòu)從長江路站北端頭井下井，掘進至B站南端頭井。本區(qū)間先后穿越鳳凰花園小區(qū)公建-GJ04、鳳凰花園西區(qū)J-02#、鳳凰花園西區(qū)J-01#，最后從鳳凰花園西區(qū)G02旁穿過，詳見區(qū)間穿越鳳凰花園小區(qū)關系平面圖1和樓房實景圖2.本區(qū)間需連續(xù)下穿、旁穿鳳凰花園多棟高層住宅樓，穿越地層主要為②4中砂、②5粗砂、②6礫砂、②7圓礫、⑤1-1強風化泥質(zhì)砂巖、⑥1全風化千枚巖、⑥2強風化千枚巖等。住宅樓樁基礎為夯擴灌注樁，樁徑Φ0.5 m，樁長約13.85 m。樁底距離設計隧道外徑頂最小距離為67 cm，距離盾構(gòu)機刀盤外徑距離為49 cm。盾構(gòu)隧道與樁基的位置關系如圖3所示。

2 施工力學計算分析

2.1 模型建立與施工力學模擬

針對勘察報告所提供的地質(zhì)資料參數(shù)和盾構(gòu)隧道與樓房的相對位置建立三維模型，如圖4所示，前兩棟樓房高度33 m，最后一棟樓房高度定為21 m，盾構(gòu)開挖直徑為6.2 m，隧道管片厚度為300 mm，同步注漿按照20 mm厚度考慮，管片寬度為1.2 m。根據(jù)圣維南原理，為了使得邊界約束條件不對開挖真實情況造成影響，土層模型要足夠大，兩側(cè)邊緣分別距離隧道外邊緣的距離均大于3倍的開挖直徑，以便仿真計算完全依照現(xiàn)場施工情況進行。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿住宅樓的平面圖

圖2 樓房實景圖

為了詳細突出盾構(gòu)在開挖推進過程中的作用，整個仿真模擬過程從距離樓房邊緣30 m處開始，分為穿越J-02#樓房前、下穿J-02過程中、下穿至J-02與J-01之間、下穿至J-01#樓下方、下穿至J-02與G02之間、盾構(gòu)完全穿過小區(qū)6個階段。同樣，第二條隧道開挖也分為6個階段，這充分體現(xiàn)了盾構(gòu)下穿小區(qū)三棟樓房的完成過程中圍巖土體的力學場變化及樓房和樁基的變化情況。在此預測下穿小區(qū)樓群的過程中發(fā)生的地層地表位移及相關力學行為，以期為盾構(gòu)推進參數(shù)的設定提供參考，同時，也為監(jiān)測點的布設和加固施工提供充分的依據(jù)，從而保證施工安全，做到加固有的放矢，達到經(jīng)濟、安全、高效的目的。在模擬過程中，地層分布完全按照勘察報告提供的地層分布試驗力學參數(shù)進行。

圖3 盾構(gòu)隧道與樁基位置關系

圖4 盾構(gòu)下穿小區(qū)的三維數(shù)值模型

模型建立后，為各層土體附上其屬性，但此時的模型只是各層土體的堆積，不是現(xiàn)實中的原狀土體。在附彈性模型mode elastic后，在土體的自重作用下，土體自動開始固結(jié)沉降，形成原狀土體的應力場。在這個過程中，地層形成的過程就已經(jīng)完成，但是，在模擬此過程時，模型會有下沉的位移和速度，為了得到開挖引起的位移，必須清除地層壓實過程中形成的位移和單元位移速度，這樣不至于造成位移的疊加。清除位移和位移速度后，保存土體壓實過程中的應力，至此就是現(xiàn)成原狀土體。此時進行相關的施工仿真模擬得到的結(jié)果就是施工引起的變化，就是工程所需要的數(shù)據(jù)。

表1 材料參數(shù)表

為了使模擬的結(jié)果更加貼近事實，使模擬計算有一定的參考價值，本計算嚴格按照實際施工步驟進行，即開挖掘進—安裝管片—同步注漿—二次補充注漿—開挖掘進。在此過程中，掌子面一直承受盾構(gòu)土艙和刀盤支撐壓力，地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取如表1所示。

2.2 施工力學模擬結(jié)果分析

綜合位移場分布如圖5所示，塑性區(qū)分布和地表及樓房位移如圖6所示，樁基應力場分布如圖7所示，樓房下邊緣模擬監(jiān)測點位移速度曲線如圖8所示。

通過三維數(shù)值計算分析可以得出以下結(jié)論：①從塑性區(qū)發(fā)展情況來看，隧道周邊一定范圍受開挖擾動的影響，會發(fā)生破壞。對于樓房下方，由于地層附加應力比較大，受隧道開挖的影響，應力松弛比較快，破壞區(qū)會有一定的發(fā)展，但一般均在隧道通過的臨近單元下方地基范圍內(nèi)發(fā)展。②從整個過程的位移場分布來看，隧道通過地層的位移場分布非常明顯，地層最大位移量為30 mm，發(fā)生在隧道正上方2～5 m的土層范圍內(nèi)，如果及時足量地同步注漿、二次補充注入雙液漿，最終的樁基沉降可以控制在10 mm以內(nèi)。受群樁效應的影響（本計算按照大承臺方案考慮），最終的房屋最大沉降約為8 mm；單從地表沉降規(guī)律分析，其基本上屬于規(guī)律的波浪形，樓房的前后沉降比較大，樓房地基沉降比較小。在隧道開挖過程中，隧道穿越處房屋沉降明顯，會發(fā)生傾斜，傾斜度可能達到0.15%左右。由于“鞭梢效應”，房頂處向著隧道開挖方向的位移明顯，位移速度比基礎要快，在施工過程中應該重點監(jiān)測。③由開挖過程中監(jiān)測點的速度監(jiān)測分析來看，每個監(jiān)測點都是收斂的，不會發(fā)生持續(xù)位移，不會給房屋帶來塌陷的危險。樓房下邊緣模擬監(jiān)測點位移速度曲線基本都有2個波峰，分別受左右雙線二次開挖的影響，G02樓房主要受左線的影響，最快位移速度發(fā)生在G02樓房最靠近隧道開挖側(cè)的樓頂位置，但這樣的速度持續(xù)時間有限，最終的沉降在12 mm以內(nèi)。④從應力分布情況來看，對于隧道正上方的樁基，由于開挖破壞了樁體的端承基礎，樁基的卸載效應明顯，但是，鄰近樁基承載力迅速加大來承擔被卸載樁基的荷載，樓房下方管片應力會明顯增加。⑤樓房下穿所造成的基礎位移明顯大于側(cè)穿產(chǎn)生的基礎位移，同時，樓房會發(fā)生不均勻沉降。

3 施工建議措施

由數(shù)值計算過程中各個力學場變化的過程分析，特對施工過程中可能遇到的問題提出相應的解決措施：①準確計算土壓力（本計算設置的掌子面壓力為1.8～1.9 bar），按照計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整。②減少超挖，及時足量同步注漿，在不影響堵管的前提下盡量縮短凝固時間。漿液的初凝時間調(diào)整為3 h以內(nèi)，同時，二次補充注漿要及時跟進并采用雙液漿。在此要注意的是，二次注漿位置在不影響盾尾刷止水的情況下要盡量提前。根據(jù)同步漿液初凝時間和盾構(gòu)掘進速度，二次注漿宜在盾尾管片后第5環(huán)到第10環(huán)的位置。同步注漿和二次注漿都采用注漿量和注漿壓力同時控制的注漿方法，這樣做的主要目的是減少超挖造成的沉降傳向基礎，同時，增大樁周土體的強度，以增大摩擦力。③配合好螺旋機轉(zhuǎn)速和油缸拖進速度以及刀盤轉(zhuǎn)速，主要觀察土艙背板最上方的土壓力計的讀數(shù)，因為一旦出土較快，最上方的土壓力計最先有反應。同時，在下穿房屋的過程中，要嚴格控制出土量。④及時、高頻率監(jiān)測。在盾構(gòu)距離到達房屋前10 m和穿過后10 m以內(nèi)的下穿階段，每隔0.5 h監(jiān)測一次，樓房頂部應該布置足量的監(jiān)測點，這樣易于監(jiān)測和分析傾斜的發(fā)生以及樓房頂部的位移。

采取上述施工措施后，盾構(gòu)最終安全下穿整個住宅小區(qū)，最終監(jiān)測房屋最大沉降量為11 mm，滿足規(guī)范要求。

圖5 綜合位移場分布/m

圖6 塑性區(qū)分布和地表及樓房位移/m

圖7 樁基應力場分布圖/Pa

圖8 樓房下邊緣模擬監(jiān)測點位移速度曲線

4 結(jié)論

在盾構(gòu)超近距離下穿建筑物樁基的施工過程中，推進的各種參數(shù)都是彼此聯(lián)系的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)參數(shù)認真分析研究并加以控制，比傳統(tǒng)注漿加固更重要。

在盾構(gòu)施工過程中，二次注漿位置在盾尾5環(huán)左右的距離能有效控制地層位移。在盾構(gòu)近距離下穿樁基礎，特別是端承型群樁基礎的過程中，只有開挖面正上方的樁基應力釋放明顯，其他樁基應力釋放并不明顯。