盾構隧道近接樁基影響及加固方式研究

郭文琦，陳 兵

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

近年來，隨著我國地鐵的大量建設和盾構技術的發展，盾構法在地鐵建設中成為首選的工法[1]。同時，由于地鐵、樁基等交通基礎設施的大量建設，使得兩者近接的情況愈發常見[2-3]。

針對地鐵隧道與其他建筑物接近施工的情況，學者們進行了一系列研究。丁智等[4]通過模型試驗、數值計算和現場監測相結合的方法對橋梁樁基礎與地鐵隧道近接施工的相互影響及控制保護技術進行了研究。陳卓等[5]通過FLAC3D三維數值模型，分析計算了地鐵車站隧道群近接橋梁結構施工引起的附加變形及受力，并且對橋梁加固措施的安全性進行了評價。沈建文等[6]以盾構隧道穿越橋樁實際工程為依托，通過有限元數值計算方法模擬了盾構隧道施工對臨近橋樁的樁體沉降、樁體側移、地表沉降的影響，并將結果與現場監測結果進行了驗證。單生彪等[7]通過數值模擬的方法計算不同注漿壓力和不同近接距離下盾構隧道施工的過程，并且分析了襯砌結構近接橋樁的施工力學響應。毛新穎等[8]通過數值計算的方法對盾構到達公路隧道前、穿越過程中、盾尾離開公路隧道的全過程進行了三維數值模擬，得出了盾構下穿近接公路隧道的影響規律。

現有的研究主要集中在隧道接近建筑物施工對建筑物的影響。本文以佛山地鐵2號線工程為依托，通過數值計算的方法，研究了盾構隧道周圍土體在不同注漿加固方式下施工對地層沉降及樁基變形的影響。

1 工程概況

佛山地鐵2號線盾構隧道下穿文登河公路涵，公路涵樁基的松木樁樁長5 m，樁徑0.12 m，樁身間距0.48 m。隧道位于粉細砂、中粗砂地層，距離樁基凈距為7.6 m，隧道埋深約16.8 m，覆蓋層從上至下主要為：素填土、淤泥質粉細砂、淤泥質中粗砂、中粗砂、強風化砂質泥巖、中風化砂質泥巖。根據沿線建構筑物保護分類原則的規定，需做主動加固處理，通過合理的施工方案和施工組織控制地層位移，并采取信息化設計和信息化施工的措施。采用洞內注漿加固方式進行加固，同時也能改善開挖面土體性質，有利于盾構隧道開挖面穩定和盾構姿態的控制。區間隧道與文登公路涵的松木樁平面上基本呈正交，區間隧道與樁基剖面關系見圖1。

圖1 區間隧道與樁基剖面關系景

2 數值模擬

2.1 有限元模型

盾構隧道開挖過程采用在開挖邊界上釋放節點荷載的方式進行模擬。建筑物樁基所受荷載包括建筑物自重、樓面荷載等恒載及活載，在建模中，不考慮基礎及其以上部分，本文研究的是盾構掘進過程產生的附加應力和附加位移對樁基的影響，故計算時不考慮作用在樁基礎頂面上的豎向均布面力。建模過程中，土體、管片及樁基選用Solid45三維實體單元模擬。模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿足與隧道凈距均大于等于3D要求，其長寬高分別為48 m×24 m×37 m。襯砌管片厚0.3 m，幅寬1.2 m，隧道埋深約16.8 m。

為了減小下穿對文登河公路涵樁基的影響，施工中應嚴格控制地層損失率以及盾構推進壓力等盾構掘進參數，盾構通過前對開挖斷面周圍土體進行適量預注漿加固，同時為了減小砂土地層對盾構開挖的影響，對砂土地層進行了注漿加固處理，注漿加固區域如圖2所示。

圖2 盾構周圍土體注漿加固

2.2 模型材料參數

按照地質縱斷面圖，有限元模型中自上而下取五種不同土(巖)層進行計算，自上而下分別為素填土、淤泥質粉細砂、淤泥質中粗砂、中粗砂、強風化砂質泥巖、中風化砂質泥巖。采用不同的材料分別模擬地層、樁基礎、注漿加固區、管片襯砌。模型選取管片材料參數及隧道所穿越地層的物理力學參數如表1所示。

表1 計算采用土體及襯砌材料參數

3 結果分析

本試驗中共對四種盾構隧道周圍土體進行研究，分別是原狀土和每1 m3原狀土摻加超細水泥200 kg、300 kg、400 kg的改良土。

3.1 地層沉降分析

左洞開挖后地表參考面沉降曲線和雙洞開挖后地表參考面沉降曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 左洞開挖后地表參考面沉降曲線

圖4 雙洞開挖后地表參考面沉降曲線

左洞開挖后，對于未進行加固改良的原狀土，隧道正上方地表地層沉降值為25.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為17.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為14.5 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為10.2 mm，比未加固地層減小了15.2 mm。

雙線貫通后，對于未進行加固改良的原狀土，兩隧道中間正上方地表地層沉降值為35.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥200 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為23.8 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥300 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為15.2 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降值為12.9 mm，比未加固地層減小了63.76 %。如圖4所示，說明注漿加固能有效減小地表沉降。

3.2 樁基變形分析

將四種盾構隧道周圍土體下樁基的變形結果匯總如表2所示。

表2 加固前后樁基位移最大值對比 mm

由表2可知，對于未進行加固改良的原狀土，樁基最大X方向位移為5.3 mm，最大Y方向位移為36.6 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥200 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.8 mm，最大Y方向位移為24.2 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥300 kg的改良土，樁基最大X方向位移為3.1 mm，最大Y方向位移為18.7 mm。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥400 kg的改良土，樁基最大X方向位移為2.4 mm，比未加固地層減少了54.72 %，最大Y方向位移為13.8 mm，比未加固地層減少了62.3 %。因此，注漿加固可顯著減小樁基的變形。

4 結論

本文以佛山地鐵2號線盾構隧道工程為依托，通過 ANASYS軟件盾構隧道下穿文登河公路涵樁基的工況進行了建模計算，并對比了不同加固方式下地表沉降和樁基的變形，得到以下有益結論：

(1)與未加固的土體相比，對砂土地層進行注漿加固處理后，隧道正上方處地表沉降量顯著減少。雙線貫通后，對于每1 m3原狀土摻加超細水泥400 kg的改良土，隧道正上方地表地層沉降比未加固地層減小63.76 %。

(2)對砂土地層注漿加固可顯著減小上方公路涵樁基的變形。對于每1 m3原狀土摻加超細水泥400 kg的改良土，樁基最大水平位移比未加固地層減小54.72 %，樁基最大豎向位移比未加固地層減小62.3 %。

(3)為減小本工程中盾構隧道施工對鄰近公路涵樁基的影響，建議本工程中砂土地層地基加固采用每1 m3摻入400 kg超細水泥的加固方案。