盾構下穿貢街變形影響分析及風險控制

盛 超 （中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

1 引言

在建筑密集的城市環境中，盾構施工鄰近或下穿已有建筑較為常見，而開挖施工引發的地表沉降卻難避免，嚴重時將導致建筑物變形甚至遭到破壞。此外盾構施工對周邊環境的影響因素較多，因此盾構施工引發土體變形的問題一直深受重視，國內外學者也對此做了大量的研究。[1]通過在軟硬不同的模型土層中,進行盾構不同工作參數組合的掘削試驗,得出一些盾構開挖引發土體變形的規律[2]。采用對隧道洞室周邊及開挖面的土體施加由盾構機引起的各種荷載的方法模擬盾構施工,通過變化注漿壓力及推進力研究盾構施工對周邊土體及單樁基礎的影響。[3]在討論雙孔平行隧道地表沉降計算公式在廈門地鐵某區間隧道適用性的基礎上,采用雙孔平行隧道地表沉降計算公式、數值模擬及現場監測3種方法,揭示雙線地鐵隧道盾構施工引起的地表沉降分布規律和地表動態變形特性,分析影響地表沉降的施工控制參數的效果。

本文擬通過理論分析和數值模擬的方法，對施工引發的地下車庫及圍護樁變形問題進行預測和分析，并針對可能出現的問題采取一些控制措施。

2 盾構施工對周圍環境影響分析

開挖隧道時，盾構機前端刀盤旋轉切土，并用傳送帶將土運送至后方吊車調出地面，以此不斷向前推進。在這樣一個循環的動態過程中，周圍土體受擾動變形，導致地表隆起或沉降，繼而引發建筑物變形。由此看來盾構下穿建筑物，施工導致建筑變形或破壞是一個間接的過程，施工作用于土體，土體作用于建筑。因此，研究盾構開挖引發的地層變形的規律尤為重要。

2.1 盾構施工引發地表變形原因分析

①開挖面失衡：盾構開挖時，由于開挖面前后受力無法時刻保持平衡，因此開挖面前方土體一直處在壓縮或應力釋放的狀態，由此造成開挖面土體隆起或者下沉。

②土體損失：掘進開挖時，出土量的設定要與開挖速度相匹配，當實際出土量大于理論值時，開挖面前方和周圍土體約束不足，因此容易產生沉降。土體損失是引發地表沉降最直接且最主要的原因。

③盾尾間隙：盾尾脫離該段土體至管片拼裝完畢有一定的時間間隔，且由于管片與土體之間存在的空隙無法避免，因此土體會產生瞬時沉降。如不進行壁后注漿，則土體會持續變形沉降，直至空隙被填實。當注漿壓力不足以支撐周圍土體時，仍會導致土體下沉；當注漿壓力過大時，則會導致土體相應的隆起。因此，當沉降較大時，可在注漿時加大注漿壓力，使隆起作用抵消部分沉降。

④土層固結：當盾構通過之后，受擾動的土體再次固結出現二次沉降，該階段需要一個過程緩慢進行，當某一點瞬時沉降較大時，則后期累計固結沉降亦較大。

2.2 盾構施工對地層的影響分析

越來越多的學者對盾構引起的地面沉降進行研究，現階段運用最為廣泛的應為Peck公式，R.B.Peck通過大量的實測數據提出，地表橫向沉降槽呈正態分布，地層移動是由地層損失引起的，同時給出隧道軸線上方地面沉降槽斷面規律圖。如圖1所示。

地面的沉降與盾構開挖施工過程有著緊密的聯系，通?？煞譃橄绕诔两?、開挖面沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降、和后期沉降五個階段。

2.3 盾構施工引發樁基沉降變形規律

當隧道水平軸位于樁底以下時，樁周土體會隨土體的開挖向下移動，進而使樁側產生負摩阻力,增加樁體沉降，同時樁的承載力因擾動降低。此時樁體主要以豎向沉降為主，橫向變形則不明顯，一般可不做考慮，如圖2所示。

圖1 隧道上方沉降槽斷面形狀

圖2 隧道-樁-土相互作用

當隧道軸線位于樁底上方時，樁周圍位于隧道軸線上方和下方土體有著不同的變化趨勢，上方土體往下移動，使樁體沉降，而下方土體往上隆起，使樁體上移，此時樁體兩端受壓，樁體主要產生水平方向的變形,豎向沉降較小。如圖3所示。

圖3 隧道-樁-土相互作用

3 工程實例

3.1 工程概況

大連路站～北京路站區間自大連路站北端頭井引出，沿規劃北京路行至興集排灌站后折西轉向繁華大道，至區間終點北京路站東端頭井。該區間線路兩側主要為各類民用建筑物、工業廠房、安徽工商聯企業總部、在建工地、空地及綠化等。隧道區間線間距12～15.17m，隧道頂部埋深為11.5～21.1m，曲線最小半徑為350m。隧道與貢街平面位置如圖4；隧道與貢街地下室及圍護樁剖面位置關系如圖5。

地下室底板標高為20.1m，下部抗拔樁長約1.6m；隧道軸線距離抗拔樁底距離約為8.5m；貢街地塊基坑圍護結構采用800@1500圍護樁，與區間隧道相交處部分圍護樁侵入隧道結構，區間施工前需拔除；貢街下方隧道埋深約18m，周線距離15m；穿越處地層為⑥2黏土層。

3.2 數值模擬

本文對盾構下穿貢街模型做了簡化，旨在研究一般性規律，用以本工程參考。隧道與地下室即圍護樁數值分析模型如圖6。

圖4 隧道與貢街平面位置

圖5 隧道與結構相對位置

圖6 數值分析模型

圖7 開挖結束后地面沉降云圖

從上圖中可以看出：沉降云圖在建筑物附近發生彎曲，建筑物周圍沉降相對較小，而對應右側沉降范圍增大，應是由于建筑自重，使得土體往右下方產生沉降，因此上部荷載對地表沉降有一定的影響作用。而在圍護樁附近，地層的變形沒有明顯的變化，由此可見，地層沉降對于無上部荷載的圍護樁并無太大影響。

左線隧道開挖后，從沉降云圖中可以看出，最大沉降處在隧道正上方，并由此向外遞減傳遞。橫向沉降云圖出現明顯區域之分，隧道軸線左右約10m之內沉降較大，10～20m次之，20m之外基本可忽略影響。

圖8 左線開挖后地層沉降云圖

圖9 右線開挖后地層沉降云圖

圖10 放大數倍后地層沉降云圖

通過分析圖7、圖8可知，待右線開挖完成后，沉降最大值出現在兩隧道之間，右線隧道開挖時，對左側土體造成二次沉降，沉降效果出現累加。圖9為沉降云圖放大后效果，地面沉降規律與橫向沉降槽曲線規律基本一致。

圖11 建筑物沉降放大后對比云圖

通過模擬所得數據得知，地下室最大沉降量為3.579mm，地層最大沉降量為6.888mm,對比隧道和地下室沉降情況可見，地下室沉降量應小于隧道沉降，因地下室本身具有一定結構剛度，因此在地面發生沉降時，地下室沉降會受到本身剛度的限制，因此當實際工程中，加強結構剛度也是控制沉降十分有效的方法。

4 安全控制

4.1 工程重點和難點

①該隧道大連路～北京路站區間下穿貢街地下室車庫，對貢街地下室基礎保護是本工程重點兼難點所在。

②貢街面積較大，地下車庫部分處于隧道軸線正上方，周圍荷載較為復雜，在考慮開挖引發地面沉降時需考慮較多因素，同時該處隧道走向為曲線，容易造成不均勻沉降。

③盾構開挖需要穿過貢街圍護樁群，部分圍護樁侵入隧道，因此要提前拔除。在圍護樁拔除之后，地層原有的受力形態遭到破壞，則開挖屬于二次破壞，地層受土體開挖影響加重，施工難度較高，應特別注意。

④對于貢街地下室來說，圍護結構遭到破壞，加之盾構開挖二次影響，因此出現事故的幾率較大，大大增加了施工難度。

4.2 控制措施

根據理論和模型的分析，工程中擬通過調整施工參數對施工造成的地表和建筑物變形進行合理控制。具體措施如下：

4.2.1 土倉壓力控制

在盾構穿越貢街階段，推進時應設置梯度壓力，根據土體的變形情況調整壓力大小，盡量使盾構機勻速施工，保持開挖面穩定。設定壓力時，將實際值設定至理論值的105%～115%左右，即預備壓。推進時，要加強地層變形監測，將地面沉降嚴格控制在-10mm～+8mm內。

4.3 掘進速度

盾構掘進相對于出土速度過快時，開挖面會因過度擠壓而導致土體向上隆起，反之沉降，因此要避免開挖速度過快或過慢，根據出土能力控制在一個合理范圍內。本工程擬控制掘進速度每分鐘2～3 cm。這樣可以充分釋放盾構掘進所產生的應力，從而避免由于掘進應力過大造成土體破壞，減輕土體擾動。

4.4 盾構姿態控制

盾構開挖穿越貢街地下室和圍護樁的過程中，要保持姿態的穩定。在進行姿態調整時要小幅度、均勻糾偏，減小盾構行進對盾殼周圍土體和圍護樁的影響。保持盾構姿態變化曲線緩和，將垂直方向變化控制在-50～+20 mm范圍內，水平方向變化控制在±50 mm范圍內。

4.5 注漿及地質雷達檢測

管片拼裝完成后，要及時跟進壁后注漿，注漿量和注漿壓力以理論計算值為基礎，結合監控量測反饋信息調整注漿量和注漿壓力的大小。

6 結語

盾構下穿上部建筑和既有樁基時，首先要根據工程特點預測沉降規律和不同程度范圍。然后針對性的采取控制措施，控制好施工參數，保持開挖穩定，嚴格控制施工對周圍土體的擾動，盡可能減小施工對周圍環境的破壞，必要時可根據實際情況對既有結構進行加固。同時應提前做好全面分析，制定應急預案，加強施工過程控制。