盾構(gòu)下穿工程沉降控制數(shù)值研究

史曉濤

（合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009）

1 概述

隨著城市軌道交通工程建設(shè)的快速發(fā)展，在城市中央?yún)^(qū)域修建地鐵隧道不可避免的出現(xiàn)與既有構(gòu)筑物、管線存在交叉的復(fù)雜施工環(huán)境[1-4]。盾構(gòu)下穿工程施工要求采取控制措施減小土體沉降進而確保周邊構(gòu)筑物的安全[5-7]。土壓平衡式盾構(gòu)機作為常見的盾構(gòu)機型，機械化程度高，施工速度快，在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但同步漿液注入點位于盾尾后方時便無法及時填充盾體與土體間的空隙，造成盾體周邊土體變形較大[8-9]。在近距離下穿構(gòu)筑物等變形指標需嚴格控制的地層施工時，可采用盾前注漿的技術(shù)以控制盾體上方土體沉降[10-11]，確保盾構(gòu)下穿工程的沉降控制符合規(guī)范要求[12-13]。

合肥市軌道交通4 號線某標段在距離盾構(gòu)接收井較近的位置近距離下穿雨水箱涵，盾構(gòu)隧道頂面距箱涵底部僅2.6m，箱涵頂板和底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)墻為砌體結(jié)構(gòu)。原設(shè)計對箱涵進行改遷，后因交通導(dǎo)改不具備條件和行人行車安全等因素影響未進行改遷，采取盾構(gòu)施工直接下穿箱涵的方法進行施工，沉降控制難度較大。

隧道上方土體沉降控制不當易造成箱涵產(chǎn)生剪切破壞滲漏，城市雨水滲透至隧道周邊對盾構(gòu)襯砌質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，嚴重時可能導(dǎo)致隧道涌水，威脅地鐵線路安全，施工風險評估為I 級。

2 數(shù)值計算模型的構(gòu)建

為深入數(shù)值分析盾構(gòu)下穿工程施工過程，選擇合理的施工方法與施工參數(shù)，為工程建設(shè)提供依據(jù)，本文構(gòu)建了盾構(gòu)近距離下穿工程數(shù)值分析模型用以分析施工過程中盾構(gòu)周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降規(guī)律，并基于數(shù)值計算研究不同斷面和工況下的盾構(gòu)隧道施工位移場變化規(guī)律。

模型中隧道直徑為6.26m，襯砌管片厚度為0.3m，隧道間距12m，模型橫向長度為100m。隧道頂面至地表為9m，模型豎向長度為60m，模型縱向取盾構(gòu)接收前70m 段進行分析，其中雨水箱涵底部距隧道頂部2.6m，與隧道呈80°斜交，模型的單元尺寸能夠合理過渡以精確模擬盾構(gòu)與管片襯砌對周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降的影響。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 盾后注漿數(shù)值分析

由圖1 和圖2 可知，采用盾后注漿施工時，左洞土體豎向位移最大值為6.45cm，位于隧道拱頂位置，隧道底部最大位移為6.1cm。右洞土體豎向位移最大值為6.1cm，同樣位于拱頂位置，隧道底部最大位移為6.0cm。

圖1 盾后注漿左洞隧道豎向位移

圖2 盾后注漿右洞隧道豎向位移

采用盾后注漿施工，隨著盾構(gòu)的進行，隧道拱頂土體豎向位移呈“駝峰”型分布，主要原因是雨水箱涵相較土體的剛度較大，其自身結(jié)構(gòu)與周圍土體的沉降值較小。因此，盾構(gòu)穿越箱涵前后，拱頂土體的豎向位移先逐漸減小后逐漸增大，且呈現(xiàn)由拱頂向上土體沉降值逐漸減小的規(guī)律。拱底土體的豎向位移分布規(guī)律較為均勻，呈由隧道底部向下隆起位移逐漸減小的變化規(guī)律。

在管片襯砌完成但未注漿位置的土體豎向位移明顯大于已注漿區(qū)域，表明注漿可以有效抑制土體的位移。地表沉降在穿越箱涵前最大值為4.1cm，在箱涵上方地表沉降最大值為2.1cm。

3.2 盾前注漿數(shù)值分析

3.2.1 盾前注漿隧道位移場

圖3 盾前注漿左洞隧道豎向位移

圖4 盾前注漿右洞隧道豎向位移

由圖3 和圖4 可知，采用盾前注漿施工時，左洞土體豎向位移最大值為5.3cm，位于隧道底部，隧道拱頂位置土體最大位移為3.9cm。右洞土體豎向位移最大值也為5.3cm，同樣位于拱頂位置，隧道底部最大位移為3.5cm。由盾前注漿的土體位移云圖可以看出，拱頂位置土體沉降與底部土體隆起位移均明顯減小，盾前注漿縮短了土體與盾體的分離時間，有效的約束了土體的位移。

采用盾前注漿施工，隨著盾構(gòu)的進行，隧道拱頂土體豎向位移同樣呈“駝峰”型分布，但箱涵前后土體沉降差值相對較小。盾構(gòu)穿越箱涵前后，拱頂土體的豎向位移先逐漸減小后逐漸增大，且呈現(xiàn)由拱頂向上土體沉降值逐漸減小的規(guī)律。拱底土體的豎向位移分布規(guī)律較為均勻，呈由隧道底部向下隆起位移逐漸減小的變化規(guī)律。

地表沉降在穿越箱涵前最大值為2.3cm，在箱涵上方地表沉降最大值為1.1cm。表明采用盾前注漿有效抑制了盾構(gòu)施工對地表沉降的影響。

3.2.2 盾前注漿隧道拱頂沉降分析

圖5 盾前注漿隧道左洞拱頂沉降

圖6 盾前注漿隧道左洞拱頂沉降

在雨水箱涵正下方的隧道拱頂位置，沿著盾構(gòu)方向依次設(shè)置6 個監(jiān)測點，數(shù)值計算得到的拱頂土體沉降如圖5 和圖6 所示。可以看出，左洞拱頂沉降值最大為25.1mm，右洞拱頂沉降最大值為24.9mm，左右洞的拱頂沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)下穿箱涵的過程中，掌子面到達箱涵下方時，測點1 的沉降值達到總沉降位移的20.7%，掌子面穿越箱涵下方時，測點6 沉降值達到總沉降位移的63.6%，在盾前注漿完成后，隧道拱頂沉降速率快速減小，表明盾前注漿具有良好的約束土體變形的作用。

3.2.3 盾前注漿雨水箱涵變形分析

圖7 盾前注漿雨水箱涵左側(cè)基礎(chǔ)變形

圖8 盾前注漿雨水箱涵右側(cè)基礎(chǔ)變形

在隧道穿越的雨水箱涵的基礎(chǔ)底部，沿著盾構(gòu)方向依次設(shè)置6 個監(jiān)測點，數(shù)值計算得到箱涵在左右隧道施工時基礎(chǔ)沉降變形如圖7 和圖8 所示。可以看出，箱涵左側(cè)基礎(chǔ)變形最大值為17.5mm，右側(cè)變形最大值為16.5mm，左右洞的拱頂沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)下穿箱涵的過程中，掌子面到達箱涵下方時，測點1 的沉降值達到總沉降位移的13.1%，掌子面穿越箱涵下方時，測點6 沉降值達到總沉降位移的60.7%。隧道下穿過程中箱涵基礎(chǔ)變形速率逐漸增大，同時隨著盾前注漿完成后，變形的速率逐漸減小，表明盾前注漿具有良好的約束土體變形的作用。

4 施工控制

4.1 工藝操作要點

將沉降劃分為5 個階段，即早期下沉、挖掘面下沉、通過時下沉、盾尾間隙下沉和后續(xù)下沉，其中盾構(gòu)通過時的沉降主要由施工所導(dǎo)致的地層損失引起。

盾前注漿漿液的水泥采用普通硅酸鹽水泥，膨潤土采用納基膨潤土，水玻璃采用鈉水玻璃，選擇2 臺獨立變頻控制的軟管擠壓泵并配備攪拌器、混合器、電子流量計等設(shè)備實現(xiàn)注漿。所選擇的設(shè)備應(yīng)具備緊湊、便攜的特點，盡量少占用盾構(gòu)機內(nèi)空間。

在盾構(gòu)機靠近盾尾附近臺車一側(cè)放置并固定拌和、注入設(shè)備，接入臨時水電，進行設(shè)備調(diào)試。高壓注入管道長度需滿足接入前盾預(yù)留徑向孔要求，材料通過襯砌完成后的隧道由臺車運輸至現(xiàn)場。

4.2 質(zhì)量控制措施

注漿前應(yīng)進行詳細的漿液配比試驗，選定合適的注漿材料及漿液配比，確保漿液黏度、初凝時間、終凝時間等物理力學指標符合工程實際及施工要求。

制訂詳細的注漿施工設(shè)計和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程序，嚴格按要求實施注漿并進行檢查、記錄和分析，及時做出P（注漿壓力）-Q（注漿量）-t（時間）曲線，分析注漿效果，反饋指導(dǎo)下次注漿。

根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地面及周圍建筑物變形監(jiān)測結(jié)果，及時進行信息反饋，修正注漿參數(shù)及施工方法，發(fā)現(xiàn)情況及時解決。

5 結(jié)論

本文對盾構(gòu)隧道近距離下穿雨水箱涵施工過程進行了分析，構(gòu)建了盾構(gòu)近距離下穿工程數(shù)值分析模型用以分析施工過程中盾構(gòu)周邊土體位移、雨水箱涵變形與地表沉降規(guī)律，并基于數(shù)值計算研究不同斷面和工況下的盾構(gòu)隧道施工位移場變化規(guī)律。得出如下結(jié)論：

（1）盾后注漿的隧道土體最大位移為6.45cm，而盾前注漿為5.3cm，拱頂豎向位移均呈“駝峰”型規(guī)律分布。

（2）相比盾后注漿，盾前注漿隧道拱頂沉降與箱涵基礎(chǔ)變形收斂的速度較快，且沉降數(shù)值較小。

（3）盾前注漿能夠有效控制土體變形，進而保證下穿箱涵施工時雨水箱涵結(jié)構(gòu)的安全與地表沉降的控制。

（4）本文盡在理想開挖與襯砌狀態(tài)下討論下穿施工的數(shù)值分析，未考慮地下水等因素的影響。因此，仍需在施工中通過與監(jiān)測結(jié)果對比分析，才能更好的指導(dǎo)施工。