淺覆土地層超大直徑盾構(gòu)隧道下穿建筑物原位保護(hù)技術(shù)研究

薛曉杰

（廣州市高速公路有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

托換技術(shù)起源于13世紀(jì)的古羅馬，在20世紀(jì)30年代在美國的地下鐵道建設(shè)中得到發(fā)展。近年來，隨著世界范圍內(nèi)大量興建地鐵、地下商場、隔江河穿越等地下工程，以及現(xiàn)有建筑物的改造、加層等工程日益增多，托換工程也隨之增多。在我國借鑒國外先進(jìn)托換技術(shù)的同時(shí)結(jié)合中國的實(shí)際情況在許多托換方法中已有多項(xiàng)案例[1-5]。

隨著交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)隧道開始逐漸廣泛應(yīng)用于高速公路行業(yè)，為高速公路下穿江河、湖海以及環(huán)境敏感區(qū)域提供了新的選擇。受高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限制，為滿足設(shè)計(jì)車道數(shù)要求，盾構(gòu)隧道開始往超大直徑方向發(fā)展[6]。

對于處于城市建成區(qū)的高速公路而言，需要相應(yīng)政府關(guān)于避免“大拆大建”的號召，減少高速公路施工過程中對周邊既有建筑物的影響。目前常用于交通行業(yè)的原位保護(hù)技術(shù)多應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)隧道，因地鐵盾構(gòu)直徑較小，對超大直徑盾構(gòu)隧道穿越既有建構(gòu)筑物的原位保護(hù)案例較少。因此該文依托海珠灣隧道工程，對淺覆土超大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有建構(gòu)筑物的原位保護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析。

海珠灣隧道項(xiàng)目路線長約4.35 km，主線隧道設(shè)計(jì)速度為60 km/h。新建過江隧道一座，連續(xù)下穿珠江后航道、洛溪島、三枝香水道，隧道總長約3 463 m，其中盾構(gòu)段長約2 077 m，單個(gè)盾構(gòu)隧道外徑為14.5 m，是廣州地區(qū)擬建的第一條超大直徑盾構(gòu)隧道工程。

1 工程概況

海珠灣隧道工程北接現(xiàn)狀東曉南高架，南至南浦大道，全長4.35 km，是廣州南站快速通道的北段工程。含立交節(jié)點(diǎn)3處（南洲路立交、南環(huán)高速立交、南浦島立交）。自北向南依次通過橋梁跨越南洲路、地鐵2號線、南環(huán)高架，后入地以隧道形式穿越珠江瀝滘水道、洛溪島、三枝香水道及南浦大道。項(xiàng)目采用設(shè)計(jì)速度60 km/h的雙向6車道城市主干路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；道路凈空4.5 m，車道寬度2×3.5 m+3.75 m；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年。該項(xiàng)目地處城市建成區(qū)，周邊交通環(huán)境緊張、居民建筑密集、地下管線復(fù)雜。

海珠灣隧道作為廣州市第一條超大直徑盾構(gòu)，盾構(gòu)開挖直徑為15.07 m，管片外徑14.5 m，且為淺覆土，始發(fā)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)端覆土9.1 m，接收端覆土10.2 m，不足0.7D。盾構(gòu)機(jī)兩次下穿珠江和三枝香水道、穿越兩條斷裂帶、下穿中核商務(wù)大廈和中化廣東等既有建構(gòu)筑物，施工難度極大。

海珠灣隧道項(xiàng)目從南浦島東鄉(xiāng)村始發(fā)井始發(fā)，向北單向掘進(jìn)，在三支香水道南側(cè)EK2+840-2+878、WK2+830-2+865范圍下穿番禺區(qū)中核商務(wù)大廈及其西側(cè)建筑，在瀝滘水道北側(cè)EK1+125-1+243、WK1+128-1+242范圍下穿海珠灣藝術(shù)園區(qū)辦公樓、萬科泊寓、恭喜置業(yè)、易建聯(lián)籃球中心、M汽車修理廠等建筑。根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，需要對盾構(gòu)隧道范圍上方的建構(gòu)筑物先行拆除，并拔除樁基后，盾構(gòu)隧道穿越。

建筑物基本情況：

1.1 中核商務(wù)大廈及33號民房

中核大廈為6層框架結(jié)構(gòu)樓房，建筑面積約10 500 m2（投影面積1 710 m2），分兩期施工，一期臨街，基礎(chǔ)為打入樁基礎(chǔ)，樁徑0.5 m，二期為獨(dú)立樁孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，樁長約21～26 m。33號民房為4層框架結(jié)構(gòu)，部分侵入紅線范圍。

盾構(gòu)始發(fā)約100 m后下穿中核商務(wù)大廈和33號民房，掘進(jìn)范圍內(nèi)樁基共73根（東線38根，西線35根）見表1，侵入隧道約7～12 m。

表1 盾構(gòu)下穿建筑物范圍樁基統(tǒng)計(jì)

1.2 海珠藝術(shù)園區(qū)6棟

海珠藝術(shù)園區(qū)6棟為5～6層框架結(jié)構(gòu)，下設(shè)承臺(tái)及樁基礎(chǔ)，樁徑0.48 m，樁長21～24 m，最大主筋φ14，鋼筋籠長度約6.5 m。

1.3 泊寓公寓

泊寓公寓為6層框架結(jié)構(gòu)，下設(shè)承臺(tái)及樁基礎(chǔ)，樁徑0.6 m，樁長19～20 m，最大主筋φ18，鋼筋籠長度約10 m。

1.4 其余低層建筑

恭喜9號為1層磚砌結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)屋頂，條形基礎(chǔ)。

易建聯(lián)籃球中心：1層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)。

M汽車美容廠：2層鋼結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)。

碼頭：沉箱結(jié)構(gòu)。

2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)穿越地層條件復(fù)雜。盾構(gòu)始發(fā)和接收段處于上軟下硬地層，該線路大部分區(qū)域揭露海陸交互相沉積成因的淤泥質(zhì)細(xì)砂2、粉細(xì)砂1、中粗砂2、粉細(xì)砂3、粗礫砂4及沖積-洪積成因的中粗砂④3，其均屬中等～強(qiáng)透水層，地下水量豐富，且廣州地區(qū)多雨天氣的特點(diǎn)及受珠江水系影響，隧道承受最大水壓達(dá)5 bar，存在易結(jié)泥餅、易噴涌等施工風(fēng)險(xiǎn)。

3 設(shè)計(jì)方案

海珠灣隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)直徑超過15 m，遠(yuǎn)大于地鐵的掘進(jìn)直徑。因此，在該項(xiàng)目中引進(jìn)樁基托換等原位保護(hù)措施，其影響范圍及設(shè)計(jì)施工難度也隨之急劇增加。

為保證成型隧道安全，須對既有建筑物侵入隧道范圍內(nèi)的樁采取托換技術(shù)，將隧道范圍內(nèi)的樁卸載，其次要保證上部結(jié)構(gòu)變形小于規(guī)范要求，梁板柱不能開裂，同時(shí)要保證樁基拖換后，既有建筑物整體不受盾構(gòu)掘進(jìn)的影響。盾構(gòu)掘進(jìn)需切削建筑物底部侵入盾構(gòu)刀盤范圍的樁基，為保障建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需提前對盾構(gòu)下穿樁基范圍的地層進(jìn)行加固，同時(shí)為盾構(gòu)機(jī)切樁提供安全作業(yè)條件。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，在地面采取跟蹤注漿的方式對建筑同步進(jìn)行保護(hù)。

原位保護(hù)的主要技術(shù)措施為“托梁換樁法”：在隧道范圍內(nèi)的承臺(tái)下布置托換梁，在隧道兩側(cè)各3 m外設(shè)置灌注樁支承。在施工完托換梁達(dá)到 100%強(qiáng)度后，截?cái)嗨淼婪秶鷥?nèi)的樁，上部荷載完全由托換梁承擔(dān)，托換梁垂直方向穩(wěn)定性由原基礎(chǔ)拉梁提供。

3.1 隧道線保護(hù)范圍內(nèi)基礎(chǔ)托換加固

托換樁受場地限制及施工要求，選用微型鋼管樁，采用鉆機(jī)成孔350 mm的孔徑，鋼管直徑220 mm，壁厚為8 mm。其他托換樁選用灌注樁，樁直徑1 200 mm。托換梁主梁跨度在21 m左右，截面為70 mm×2 200 mm，采用后張拉緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力梁，次梁截面為600 mm×2 200 mm。

3.2 隔離樁加固

為保障隧道外舊基礎(chǔ)在原位保護(hù)工程施工過程不受影響，同時(shí)考慮減少隧道施工時(shí)土體沉降影響，對隧道外圍采用隔離樁進(jìn)行加固。隔離樁先采用樁徑800 mm，樁長24 m的高壓旋噴樁樁心間隔0.65 m咬合布置；后插入鋼筋籠，籠徑450 mm，籠長25 m；樁頂鋪設(shè)200 mm C20混凝土墊層用以控制隔離樁水平位移。

4 有限元分析

為保證設(shè)計(jì)方案的可行性，該項(xiàng)目的MIDAS GTS 有限元計(jì)算模型模擬隧道經(jīng)過時(shí)隧道兩側(cè)的建筑物在有無隔離樁的不同情況下的位移情況。左側(cè)沒有布置隔離樁，右側(cè)布置隔離樁。網(wǎng)格的尺寸為1.3 m。

該模型土體的尺寸為50 m×70 m×100 m，按照地勘資料，從上至下依次為回填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、礫砂，全分化花崗巖、中分化花崗巖、微分化花崗巖。土體材料模型采用3D 修正摩爾庫倫單元。

隔離樁布置于距離隧道側(cè)2 m處，隔離樁為D800的混凝土攪拌樁和D300×12的微型鋼管樁混合布置，攪拌樁的間距為0.65 m，鋼管樁的間距為1.3 m。該模型不考慮攪拌樁對原有建筑的影響，只布置微型鋼管樁，間距為1.3 m。模型中微型鋼管樁采用1D彈性單元。考慮到隔離樁頂有200 mm厚C20混凝土墊層的拉結(jié)，對隔離樁頂?shù)乃轿灰七M(jìn)行約束。

原有建筑按照實(shí)際情況模擬，單柱單樁，建筑樁為D800灌注樁，地梁尺寸為400 mm×900 mm，地板厚度為400 mm。模型中樁及地梁采用1D 彈性單元，底板采用板單元。

隧道的模擬按照實(shí)際施工的步驟進(jìn)行模擬。模型中，隧道的外徑為14.5 m，注漿層的厚度為0.6 m。隧道掘進(jìn)中的掌子面壓力取1.6 MPa，注漿壓力取0.1 MPa。

模型的布置及網(wǎng)格如圖1和圖2所示。

圖1 整體網(wǎng)格模型

圖2 隧道、建筑物及隔離樁布置圖

取原有建筑處的切面作水平位移分析。隧道穿過時(shí)最大的水平位移為2.88 mm，對比左右兩側(cè)建筑樁的水平位移，根據(jù)與隔離樁的距離，3 m處的水平位移能減少73.3%，8 m處的水平位移能減少50.9%，13 m處的水平位移能減少41.6%，18 m處的水平位移能減少41.1%。

5 保障措施

在既有建構(gòu)筑物原位保護(hù)措施施工完成后，需要對建筑物下方地基進(jìn)一步加固，以保障盾構(gòu)機(jī)的安全掘進(jìn)。主要措施包括：

（1）樁基施工完成后，對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)邊線外3 m、樁基前后3 m、沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向外6 m范圍進(jìn)行旋噴加固。

（2）采用高壓旋噴樁加固，加固深度至中風(fēng)化巖面下0.5 m。

（3）在聯(lián)聲電子區(qū)域內(nèi)設(shè)置試驗(yàn)段，收集盾構(gòu)相關(guān)參數(shù)作為后續(xù)正式下穿建筑物的施工參考依據(jù)。

（4）樁基托換及盾構(gòu)穿越過程中，應(yīng)加強(qiáng)建筑物監(jiān)測，必要時(shí)在承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)置千斤頂，一旦監(jiān)測到建筑或地面沉降超過容許值，調(diào)整啟用千斤頂頂升。在被轉(zhuǎn)換的框架柱及其在托換主梁上的對應(yīng)位置，新增承臺(tái)，隧道保護(hù)線外選取部分結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行沉降觀測。施工期內(nèi)觀測工作由樁開始施工時(shí)即應(yīng)開始，施工托換梁及地下隧道施工時(shí)應(yīng)每天觀測2次，其余施工期間一天1次。施工過程如暫時(shí)停工，在停工時(shí)及新開工時(shí)應(yīng)各觀測1次，停工期間每隔1個(gè)月觀測1次，使用期內(nèi)第1～2月3天觀測1次，第3～6月一個(gè)月觀測1次，第6～12月2個(gè)月觀測1次，第二年觀測2～3次，第三年后每年1次，直至穩(wěn)定為止。

（5）盾構(gòu)應(yīng)采取適宜的掘進(jìn)施工參數(shù)，加強(qiáng)盾構(gòu)二次注漿。

（6）下穿既有建構(gòu)筑下方的管片結(jié)構(gòu)加強(qiáng)配筋。

在盾構(gòu)施工過程中，將采取如下施工措施，進(jìn)一步保障施工安全：

（1）控制掘進(jìn)速度，嚴(yán)格控制泥水壓力、注漿壓力、注漿量等。

（2）準(zhǔn)備充足刀具及進(jìn)倉人員，做到掘進(jìn)過程中及時(shí)更換損壞刀具，遇到掉樁等及時(shí)進(jìn)倉清理。

（3）穿越完成后在沿江路北側(cè)，下穿三枝江水道前，設(shè)置停機(jī)檢修換刀段，為下穿水道做準(zhǔn)備工作。

（4）盾構(gòu)穿越過程中，為防止掘進(jìn)過程中泥漿沿樁周間隙冒頂失壓引起管片上浮、盾構(gòu)姿態(tài)變化等，考慮使用克泥效或其他特殊泥漿。

6 結(jié)論

該文以海珠灣隧道工程為背景，針對淺覆土條件下超大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有建構(gòu)筑物方案進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論。

（1）對不同建構(gòu)筑物進(jìn)行分類分析，參考其他同類項(xiàng)目，對下穿不同建構(gòu)筑物選擇了不同的保護(hù)措施，確保工程實(shí)施的可靠性、可行性及經(jīng)濟(jì)性，通過模型分析及提出相應(yīng)的施工期間的監(jiān)測等保護(hù)措施確保了盾構(gòu)隧道及既有建構(gòu)筑物的安全。

（2）既有建構(gòu)筑物的原位保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，在數(shù)值分析、設(shè)計(jì)階段模擬可行之后，需加強(qiáng)對施工過程的監(jiān)測，及時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)做好分析，施工過程動(dòng)態(tài)跟進(jìn)，確保施工安全。

（3）該文依托海珠灣隧道既有建構(gòu)筑物原位保護(hù)工程進(jìn)行分析，通過該方案的實(shí)施將房屋征拆變更為原位保護(hù)，增加工程成本，減少征拆費(fèi)用，節(jié)約了建設(shè)成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)該原位保護(hù)方案一方面將最大限度減少工程對周邊企業(yè)和居民日常生活的影響，響應(yīng)避免“大拆大建”號召，積極推進(jìn)項(xiàng)目綠色生態(tài)建設(shè)；另一方面將規(guī)避征拆制約因素，大大減少征拆難度和動(dòng)遷工作量，為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目高效率、加速度建設(shè)和廣州老城市煥發(fā)新活力創(chuàng)造有利條件。此外，海珠灣隧道原位保護(hù)工程的實(shí)施也將為后續(xù)類似超大直徑盾構(gòu)隧道項(xiàng)目的實(shí)施提供借鑒及參考。