復雜地質條件下盾構側穿老舊建筑物加固技術研究

劉柄呈 楊雙鎖 李彥斌 閆 瀟 姜 山

(1.太原理工大學礦業工程學院，030024，太原；2.中鐵三局集團有限公司，030001，太原∥第一作者，碩士研究生)

采用盾構法在城市中修建地鐵，不可避免地要側穿老舊建筑物。老舊建筑物基礎薄弱，自身結構剛度小，抵抗地基不均勻沉降的能力差，是盾構施工中的重大風險源。

文獻[1]指出，在軟弱地層中開挖雙線盾構隧道，先開挖受房屋荷載作用顯著的一側有利于控制不均勻沉降[1]；文獻[2]認為，房屋上部結構對房屋的不均勻沉降有一定的抑制作用；文獻[3]對鄰近建筑物盾構施工造成的橫向地表沉降曲線進行了預測分析；文獻[1]認為，隔離樁樁間距對建筑物沉降影響的重要程度大于樁長和樁徑；文獻[5]認為，淺基礎的沉降形式與隧道的偏心比有關。為抵抗建筑物基礎的不均勻沉降，需要對建筑物采取加固措施。傳統隔離樁在隧道離建筑物距離近的情況下無法施工，且大直徑隔離樁施工本身就會造成一定的沉降[6]，尤其在含砂量大的地層中,過大的樁間距不易形成土拱效應[7]。由于施工條件不佳，單純地面預注漿加固也不能滿足安全要求。針對以上情況,提出了在側穿范圍內打設復合錨桿樁的預加固技術。

1 地表沉降機理分析及加固技術

1.1 沉降機理分析

隧道開挖過程中，從隧道開挖處到地表會形成一個沉降槽。地表沉降是判斷建筑物沉降的一個重要因素。對于雙線盾構隧道引發的地表沉降，其沉降形式和大小受隧道斷面和相對位置影響較大[8]，可使用疊加原理得到地表沉降變化曲線[9-10]，其計算方法為：

(1)

式中：

Smax——隧道軸線上方最大地面沉降量；

i——地面沉降槽寬度系數；

Vloss——單位長度土體損失量，Vloss=πR2η，其中，R為隧道開挖半徑，η為土體損失率。

(2)

式中：

S(x,z) ——坐標x,z位置處的地面沉降量；

x——距隧道軸線橫向水平距離；

z——離地面的豎向距離，以向下為正；

n——與隧道半徑和土質條件有關的影響系數；

L——兩隧道中心間距；

h——隧道軸線至地面距離；

Smax,f,Smax,l——分別為先行隧道及后行隧道的軸線上最大地面沉降量；

if，il——分別為先行隧道及后行隧道的地面沉降槽寬度系數。

當隧道側穿范圍內存在建筑物時，地層沉降受其荷載影響會發生改變。當建筑物與隧道水平距離d處于0≤d

圖1 地表沉降機理示意圖

1.2 加固技術及其機理分析

加固時使用φ150 mm@300 mm雙排復合錨桿樁。錨桿樁施工工藝流程為：施工準備→放線定位→鉆機對準樁孔→成孔→清孔、護孔→錨桿安裝→孔內一次注漿→孔內二次注漿。

地表沉降槽的形成與地層內部滑移區密切相關。地層滑移線是地表和隧道開挖部分相連的最小沉降等值線。將錨桿樁打入受施工擾動明顯的滑移區以外的區域，可以保證錨桿樁的穩定，并使其承受一部分上部土體和建筑傳來的荷載，降低因隧道開挖而造成的地表及建筑物沉降，實現良好的加固作用。錨桿樁支護原理如圖2所示。

圖2 錨桿樁支護作用機理

管片在盾尾拼裝后，為了減小由于刀盤超挖與管片之間存在的間隙造成的地層沉降，應及時在盾尾進行同步注漿和二次注漿，并嚴格控制注漿材料和注漿壓力等參數。注漿后管片與地層間形成的漿液和土的混合體可以視作均質彈性體，即等代層，如圖3所示。

圖3 等代層示意圖

2 計算模型

2.1 工程條件

太原地鐵2號線雙塔西街站—大南門站區間，從雙塔西街站北端引出后，沿牛站西巷路自南向北敷設，并側穿公交公司家屬樓。結構外墻與隧道結構最小凈距約0.6 m，處于隧道強烈影響區。家屬樓沿隧道方向長度較長，與隧道推進方向呈現微小角度，因此在施工中不僅受擾動的時間長，而且建筑不均勻沉降現象更為顯著。建筑和隧道相對位置如圖4所示。

圖4 隧道與建筑物相對位置

家屬樓基礎形式為墻下條形基礎。由于建筑物建成已近40年，墻體磚局部風化、砂漿粉化、個別墻體出現斜裂縫，因此，盾構側穿時，家屬樓抵抗施工擾動的能力較差。

側穿區間范圍內雜填土厚，地下水位線較高，土體含水量較大，拱頂夾雜砂性土。由于土層的自身結構特征，在盾構掘進時極易發生危險。

2.2 數值計算模型建立

為減少邊界條件對計算結果的影響，模型長寬高取80 m×60 m×30 m。模型底面和四周固定，上表面為自由面，X軸與隧道軸線方向正交，Y軸與隧道軸線方向平行，Z軸為豎直方向。地下水位深度為3.5 m。隧道開挖直徑為6.2 m。管片采用C55混凝土，厚度為0.35 m，寬度為1.20 m。模型中用等代層彈性模量為1.2 MPa，泊松比為0.2，注漿壓力0.3 MPa。基礎為條形基礎，采用C25混凝土，不考慮上部結構對土體位移的約束作用。錨桿樁采用C35混凝土，內設q235鋼筋。計算時以開挖兩環(2.4 m)并施加殼單元支護和同步注漿為一次施工步驟。根據計算結果在條形基礎上施加455 kN/m的荷載。數值計算模型如圖5所示。為研究不同角度的錨桿樁對土體的加固作用，設置了三種錨桿樁進行研究，與地面夾角分別為30°、45°、60°，如圖6所示。

圖5 太原地鐵2號線盾構隧道側穿建筑物數值計算模型

圖6 土體加固用錨桿樁模型示意圖

為減少隧道開挖對建筑物沉降的影響，采用左線通過后再開挖右線的施工方案[1,13]。根據工程實際地質條件設定模型土層厚度及物理力學性質，如表1所示。

表1 太原地鐵2號線盾構隧道側穿建筑物位置土層物理力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 加固效果分析

建筑物建成后發生的變形包括結構自重作用下的固結沉降、附近管隧掘進引起的變形等。建筑自重沉降以均勻沉降為主，且主要發生在建筑建成初期，所以主要考慮盾構開挖引起的變形。

圖7為無支護時雙線貫通后模型內部的滑移區域。由圖7可見，左線滑移區要大于右線滑移區。根據上述分析，應保證錨桿樁有足夠的長度使其延伸到穩定土層之內。

圖7 無支護時雙線貫通后模型內部的滑移區域

在不設錨桿樁時，對開挖造成的建筑物沉降進行計算。模型監測節點如圖8所示。

圖8 數值計算模型監測點布設示意圖

不采取加固措施時，雙線貫通后建筑物沉降如圖9～10所示。由圖9可見，建筑物長邊發生了不均勻沉降，沉降最大的點在鄰近隧道一邊、靠近盾構后到達的一側，沉降值為40.85 mm；沉降最小的點在遠離隧道一邊、盾構先到達一側的建筑物拐角，沉降值為13.01 mm。說明隧道開挖過程中建筑物產生了剪切扭轉變形，這對結構的穩定是極為不利的。由圖10可見，建筑物短邊發生了沉降，先開挖一側的沉降要小于后開挖一側的沉降，建筑物傾向隧道一側。總體來說建筑物沿對角線傾斜。

圖9 不采取加固措施時雙線貫通后建筑物長邊沉降

圖10 不采取加固措施時雙線貫通后建筑物短邊沉降

不同開挖步驟下各監測點的建筑物沉降監測數據如圖11所示。由圖11可見：左線貫通后，建筑物靠近隧道一側的沉降占到了總沉降的80%左右；右線貫通后，建筑物靠近隧道一側的沉降受到明顯的影響，而遠離隧道一側沉降受右線影響不明顯，建筑物的傾斜加劇。左線開挖對建筑物沉降的影響要遠大于右線，因此要重點考慮對左線的支護。雙線貫通后，各監測點的建筑物沉降量均達到最大值，但建筑物局部傾斜率最大時刻發生在左線開挖到648 m處和雙線隧道貫通后，此時建筑物產生的剪切扭轉變形對結構穩定性更為不利。因此，除雙線貫通后建筑物的最大沉降量和局部傾斜之外，應重點控制左線開挖過程中建筑物的傾斜。根據圖10計算的建筑的局部傾斜率最大值為236‰。

圖11 不同開挖步驟下各監測點的建筑物沉降監測數據

根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[14]和DBJ 04/T 258—2016《建筑地基基礎勘察設計規范》[15]的相關規定，建筑地基變形允許值為30 mm，建筑結構基礎的局部傾斜允許值為20‰。以上計算得到的建筑物變形已超過規范規定的變形允許值。

將與地面夾角為60°的雙排復合錨桿樁單元激活，計算在錨桿樁支撐下建筑物的沉降量，結果如圖12所示。由圖12可見：雙線貫通后，建筑物沉降得到了有效的抑制；建筑物的沉降規律沒有發生改變，仍沿對角線方向傾斜；建筑物最大沉降為15.56 mm，最大隆起為4.43 mm。推斷這是由于錨桿樁攔阻土體下沉，斜打錨桿樁起到了有效的加固作用。建筑物基礎有一定剛度，靠近隧道一側沉降會使遠離隧道一側隆起。

圖12 與地面夾角為60°的雙排復合錨桿樁單元激活后建筑物長邊沉降

與地面夾角為60°的雙排復合錨桿樁單元激活時各監測點沉降如圖13所示。由圖13可見：錨桿樁的加固作用主要體現在降低左線開挖的影響，因而右線貫通對沉降影響占比增加；錨桿樁對右線開挖造成沉降的控制作用較小；建筑物局部傾斜率最大值為2.01‰，錨桿樁有效地降低了建筑物的局部傾斜率。

圖13 與地面夾角為60°的雙排復合錨桿樁單元激活后監測點沉降值

3.2 錨桿樁受力分析

錨桿樁的變形仿真模擬計算結果如圖14所示。由圖14可見：錨桿樁上段下沉的過程中輕微變形，證明上段錨桿樁有限制土體位移的作用，但加固作用有限；錨桿樁中段變形明顯，建筑沉降最大處對應下方的錨桿樁變形并非最大，變形最大處發生在錨桿樁中段靠近隧道的部分，證明這一部分起到了很好的加固作用；錨桿樁下段位移小且有隆起趨勢，證明錨桿樁下段對錨桿樁起固定作用。這與傳統隔離樁的加固原理有明顯不同。

圖14 錨桿樁變形仿真模擬計算結果(放大)

與地面夾角為45°和30°的雙排復合錨桿樁單元分別激活時各監測點沉降如圖15所示。由圖15可見：隨錨桿樁與地面夾角的減小，錨桿樁加固作用逐漸減小；夾角為45°的情況下，建筑物靠近隧道一側沉降與無支護時相比有所降低，遠離隧道的一側出現了輕微的隆起，錨桿樁有一定加固效果但作用明顯降低；夾角為30°的情況下，錨桿樁失去減小建筑物沉降的作用。

圖15 錨桿樁與地面夾角分別為45°和30°時的建筑物沉降

隧道開挖時，土體位移可以分解為豎直和水平兩個方向。錨桿樁應與地面角度盡可能大，使其不直接承受上部土體的豎直荷載，而是以限制土體水平位移為主，充分發揮土體顆粒間摩擦力和粘聚力產生的自穩作用；同時較大的夾角可以使錨桿樁下段更好地延伸到滑移不明顯的土層內，起到更好的穩固作用。

4 實際應用及結果分析

在太原地鐵2號線側穿家屬樓區間范圍內，對本文前述加固方案進行了實際應用。為在避開隧道的同時又能充分發揮錨桿樁的加固作用，實際施工中錨桿樁與地面夾角取60°。錨桿樁采用3根φ25 mm鋼筋，采用鋼筋接駁器連接，按間距1 m安裝鋼筋定位支架，以使鋼筋籠保持直立并束在樁孔中心，定位支架與鋼筋采用焊接固定。家屬樓實測點布置如圖16所示。圖17和圖18分別為樓房東側(靠近隧道一側)和西側(遠離隧道一側)沉降的實際監測數據。

圖16 太原地鐵2號線側穿家屬樓實測點布置示意圖

圖17 太原地鐵2號線側穿家屬樓樓房東側沉降實測值

圖18 太原地鐵2號線側穿家屬樓樓房西側沉降實測值

由圖17可見:盾構機抵達之前JGC3-01、JGC3-02、JGC3-03、JGC3-07、JGC3-08監測點輕微沉降，但變化不大；隨著盾構機由南向北推進，盾構機到達后，沿推進方向布置的監測點的沉降值開始依次增加；左線盾構機通過后，沉降有一段相對穩定期；右線開挖后，沉降繼續增大，最終左右線分別引起的沉降相差不大，這是由于錨桿樁起到了減小沉降的作用。盾構機雙線通過后，從最終穩定沉降量可以看出，JGC3-01監測點的沉降量最小，JGC3-03和JGC3-07監測點的沉降量最大，建筑物整體向東北方向傾斜。與實測結果相比，JGC3-03監測點處的沉降數值計算結果稍小。從模型中隧道和地層變形來看，這是由于建筑物Y方向尺寸大，模型受邊界條件的影響造成的；但兩者變形趨勢一致，計算結果可靠。

由圖18可見：遠離隧道一側的監測點JGC3-04、JGC3-05和JGC3-06的隆起值在盾構機抵達之前和側穿前期有所增加，在側穿后期和離開后略有減小，但仍為隆起狀態且前后差值始終沒有超過4 mm。可以認為，樓房西側受盾構施工的影響較小。在盾構通過后，JGC3-04、JGC3-05和JGC3-06監測點的最終沉降量相差不大，證明計算結果可靠。

5 結論

1) 雙線隧道開挖時，建筑物的最大沉降發生在雙線貫通后，但建筑物局部傾斜率的最大值也可能發生在其鄰近隧道的開挖過程中。

2) 雙線盾構隧道側穿建筑物時，建筑物的沉降主要是由其鄰近隧道的開挖造成的，應重點對鄰近隧道開挖造成的土層擾動進行控制。

3) 與傳統隔離樁不同，錨桿樁受力變形部分主要發生在中部靠近隧道的部分，因此其加固作用主要體現在降低與建筑物相鄰隧道盾構施工造成的沉降，對相隔隧道盾構施工造成的擾動加固作用較小。

4) 在施工場地受限的情況下，錨桿樁對建筑物能起到良好的加固作用。錨桿樁應在靠近隧道且盡量與地面夾角大的位置打設，才能充分發揮其加固作用。