不同隔離措施在阻隔盾構施工引起地層變形試驗研究

劉 方,張宇寧,曹利強,劉 輝

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

引言

隨著我國城市化建設的快速推進，為解決城市有效用地不足、交通擁堵等問題，城市地下空間的開發利用迎來了大發展。盾構法憑借其自動化程度高、施工速度快、對環境影響小等優點得到了廣泛的應用[1]。盾構隧道開挖不可避免地會對隧道周圍土體產生擾動，引起土體的移動和變形，當變形超過一定限度時，則會對隧道工程施工、周邊建(構)筑物和管線等產生影響，甚至誘發重大的工程事故。對于城市密集區的大直徑盾構隧道，由于市區內建(構)筑物繁多，地鐵、市政道路縱橫交錯，地下管線錯綜復雜，同時大直徑隧道開挖斷面更大，對周邊地層的擾動也更為突出。為了最大限度地減少施工過程中對地層的擾動，減少地層的移動和變形，實現隧道的正常掘進和周邊環境安全保護，需要在施工中采取必要的防護措施[2]來有效控制地層變形的發展和傳播，對此國內外地下工程方向的研究學者進行了廣泛的研究。

項彥勇等[3]應用解析法和有限元法并聯合淺埋暗挖區間隧道的實測數據，總結分析了隔離樁墻結構對于隧道施工地層變形的限制作用及關鍵影響因素；王炳軍等[4]應用數值仿真試驗研究分析了盾構隧道施工對于不同類型樁基內力及變形的影響；周正宇等[5]提出了基于地層加固與隔離法的隧道施工對既有結構的主動防護技術；呂高峰等[6]綜合現場實測與數值模擬結果，研究分析了復合錨桿樁對于地層變形的控制效果；黃大維等[7]研究分析了護壁套筒鉆孔灌注樁對于隧道施工地層變形的控制效果；張明聚等[8]應用ANSYS三維地層結構模型，研究分析了隧道不同施工階段隔離樁對于地層變形的控制效果；周旭光等[9]應用PLAXIS 3D有限平臺，研究分析了隔離樁對于隧道施工地層變形的控制效率。孫雪兵[10]以武漢地鐵3號線盾構隧道下穿工程為依托，研究分析不同防護樁布置對于地層變形的阻隔效果。

本文在延續前人關于隔離樁對隧道施工地層變形控制效果研究的基礎上，應用現場實測數據統計分析與數值模擬對比分析的研究方法，著重研究分析城市密集區大直徑盾構隧道施工中，布設不同隔離防護結構對于地層變形的控制效果，并就其適用性給出客觀評價。

1 工程背景

1.1 清華園隧道

清華園隧道為京張高速鐵路重點控制性工程之一，位于北京市海淀區。隧道于學院南路南側入地，依次穿越南院南路、北三環、知春路、北四環、成府路、雙清路、清華東路7條重要的市政道路后，于五環內出地面，全長6.02 km。全隧近距離側穿地鐵13號線，還依次穿越地鐵12號線(在建)、10號線、15號線3處地鐵，以及下穿88條重要市政管線，且隧道周邊建筑物密集。清華園隧道是目前國內城市核心區段穿越地層最復雜、重要建(構)筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑隧道之一[11-12]。采用泥水平衡盾構法施工，最大覆土厚度29 m。盾構隧道采用全預制管片拼裝，設計強度C50、抗滲等級P12，盾構管片內徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚度55 cm。清華園隧道平面布置見圖1。

圖1 清華園隧道平面位置

隧道掘進采用2臺直徑為12.64 m的海瑞克泥水平衡盾構機，隧道防護試驗段的起止里程為DK18+200～DK17+825，總長375 m，前200 m為盾構參數調整段，后175 m為防護試驗段。試驗段地質以粉質黏土為主，上覆土為雜填土，試驗段末端為粉質黏土和卵石土分界點，隧道分布有2層地下水，上層滯水埋深4～5 m；下層潛水埋深22～26 m，微承壓，本試驗段盾構掘進范圍內主要為上層滯水。

1.2 隔離樁防護方案及目的

在盾構試驗段范圍內對盾構施工地層變形采取了不同的隔離防護措施，其中DK17+985斷面采用的是鉆孔灌注樁防護結構；DK17+935斷面采用的是門型墩防護結構(具體為鉆孔灌注樁圍護+橫撐+內部土體加固的綜合防護結構)；DK17+860斷面采用的是復合錨桿樁防護結構。3個斷面的地質條件相近，均為粉質黏土地層，埋深差別不大。試驗段內布設不同的隔離防護措施，旨在各種不同防護措施條件下研究盾構施工引起周邊環境變形的隔離控制情況，并對各種防護措施對于地層變形的控制效果進行研究分析，為后續盾構段防護措施的選擇提供依據。

鉆孔灌注樁是工程中常用的防護隔離措施，可有效防護地鐵13號線的結構安全。全護筒鉆孔灌注樁施工技術是利用專用搖、振動設備，使鋼護筒克服各土層間與護筒間的摩擦力，使護筒穿越樁機鉆孔施工中的不利地層，直至到達穩定的樁端持力層，利用鉆孔設備掏空護筒內渣土，保證灌注樁成樁的施工技術(圖2)。

圖2 鉆孔灌注樁施工工藝流程

門型墩防護對于變形控制的要求極高，全護筒跟進施工，不僅能夠起到隔離防護作用，而且能夠防止盾構泥漿和土體加固注漿漿液對13號線橋樁造成影響。兩側鉆孔灌注樁完成后，對中間土體進行旋噴加固，加固區位于盾構機中線以上，沿盾構機外輪廓進行加固、不侵入掘進斷面，用于加強土體整體性，并預防泥水壓力提高時引起的冒頂風險，能夠大幅增強先期沉降控制效果。

復合錨桿樁通常采用鋼筋加水泥漿液組成，類似于垂直的錨桿，通過多排樁組合布置形成高強度的隔離區，是地鐵防護的常用措施。復合錨桿樁采用先鉆孔，孔徑為180 mm，成孔后沖洗淤泥，并清理干凈孔內，再插入預做的鋼筋，安放后，用P.O.42.5水泥漿，配比1∶1，最后進行養護成樁后進行二次、三次注漿。利用空壓機產生的高壓空氣進行排渣，可保證施工過程中周邊土體穩定(圖3)。

圖3 復合錨桿樁工藝流程

2 現場監測

2.1 隔離樁及測點布置

按照1.2節的防護方案設計，現在各斷面的重要位置處進行相關測點的布置，著重分析DK17+985(鉆孔灌注樁防護)、DK17+935(門型墩防護)、DK17+860(復合錨桿樁防護)3個斷面內施工中地表沉降測點、樁頭沉降測點以及樁體水平位移測點的變形情況。具體3個斷面的防護方案設計和測點布置情況如圖4～圖6所示。

圖4 DK17+985橫斷面布置(單位：cm)

圖5 DK17+935橫斷面布置(單位：cm)

圖6 DK17+860橫斷面布置(單位：cm)

2.2 監測結果

整理現場實測數據，可得到盾構在不同施工階段的橫向地表沉降槽的分布規律(圖7～圖12)，并根據PECK經驗公式可擬合給出各斷面位置處的地層損失率、沉降槽寬度等系數。

綜合3個斷面的地表沉降和防護樁體的水平位移的監測結果可發現：應用門型墩防護措施的DK17+935斷面的最大沉降值約為6 mm，最大水平位移約為1.0 mm；應用鉆孔灌注樁防護措施的DK17+985斷面的最大沉降值約為8 mm，最大水平位移約為1.5 mm；應用復合錨桿樁防護措施的DK17+860斷面的最大沉降值約為13 mm，最大水平位移約為2.0 mm。同時整理3個斷面的橫向地表沉降測點的實測數據，并采用Peck公式(式(1)～式(2))擬合，可得到擬合計算結果見表1。

(1)

(2)

式中，S為距離隧道軸線y處的沉降；VL為地層損失率；Aexc為隧道開挖面積；i為沉降槽寬度；K為沉降槽寬度系數；H為隧道軸線埋深。

表1 斷面實測Peck擬合計算結果

3 隔離樁隔離效果分析

3.1 隔離效果參數分析

依據試驗段各斷面的測點的實測數據，通過聯合地表沉降測點和防護樁頂位移，提出防護效率參數來描述3種防護措施的隔離效果。防護措施的作用主要是隔斷變形的傳遞過程，即土體變形在防護結構兩側表現出不同的變化規律，為了定量化地體現防護結構的這種防護效果，基于防護結構橫斷面變形穩定階段的地表變形曲線，選取變形曲線防護結構外側曲線斜率Ko與防護結構內側曲線斜率Ki，通過式(3)計算得到變形斜率相對減小率η，以該值作為隔離效果的判別參數，其計算原理如圖13所示。

圖13 隔離效果判定參數計算原理

(3)

按照上述隔離效果判定參數的計算原理可得到各不同防護措施的評價效果如表2所示。

復合錨桿樁雖然在3種防護措施中的隔離效果最差，但是與其他兩種隔離措施的隔離效果差別不是很大。且復合錨桿樁施工的難度較小，且經濟實惠，因此在類似的工程中使用復合錨桿樁就可以達到隔離變形的目的。

表2 防護措施效果評價

3.2 隔離措施數值模擬

三維數值方法在模擬盾構施工對地層的影響中具有重要的意義[13-14]，計算結果可以為設計及施工提供重要參考。本文采用大型數值巖土數值軟件MIDAS-GTS模擬[15]。基于實際工程情況，把3種不同的防護措施同時放在一個數值模型中，整體分析不同防護措施對地層變形的控制效果，數值模型建立如圖14所示。

圖14 不同防護措施數值模型

按照上面的數值模型，分別分析計算不同隔離措施下盾構施工引起的地層變形以及橋樁變形，各斷面的計算云圖見圖15～圖20。

圖15 DK17+985斷面地層變形云圖

圖16 DK17+985鉆孔灌注樁與橋樁變形云圖

圖17 DK17+935斷面地層變形云圖

圖18 DK17+985門型墩與橋樁變形云圖

圖19 DK17+860斷面地層變形云圖

圖20 DK17+860復合錨桿樁與橋樁的橫向變形

圖21 3個斷面的數值模擬沉降槽分布

由3個斷面數值模擬的計算結果，可得到3個斷面采取不同防護措施后地表橫向沉降的曲線變化如圖21所示，由3個斷面的模擬沉降槽曲線可以看出：由于存在防護結構，地表沉降曲線明顯不對稱，有防護措施的一側沉降整體小于沒有布置防護措施的一側，且曲線中能夠明顯看出在各斷面的防護結構設計處沉降曲線存在拐點，這表明采用門型墩、防護樁或復合錨桿樁，均能夠有效隔斷地層變形傳遞。

同時對數值模擬與現場監測的地表沉降與樁體位移的進行對比分析，如表3所示。

表3 三斷面現場監測與數值模擬結果對比

由表3的統計結果可發現數值模擬結果與實測情況相差不大，說明了數值模擬結果的合理性，同時由3個斷面數值模擬和現場監測的結果對比得到門型墩防護措施在對地表最大沉降、樁體最大水平位移以及地層變形隔離效果方面均表現出最優的控制效果。

4 結論

基于盾構施工過程中，通過不同防護措施試驗斷面的實測數據分析和數值模擬結果，可得到以下結論：

(1)應用鉆孔灌注樁、門型墩和復合錨桿樁3種地層隔離防護設計，能有效阻隔地層變形的傳遞路徑，達到了地層變形控制和周邊環境保護的目的；

(2)由隔離效果參數分析和數值模擬計算結果可得到：門型墩防護措施對地層變形的隔斷效果最佳，鉆孔灌注樁次之，復合錨桿樁的防護效果相對最弱。

(3)復合錨桿樁雖然在3種防護措施中的隔離效果最差，但是與其他兩種隔離措施的隔離效果差別不是很大。且復合錨桿樁施工的難度較小，且經濟實惠，因此在類似的工程中使用復合錨桿樁就可以達到隔離變形的目的。