大直徑盾構(gòu)隧道下穿高層建筑風(fēng)險(xiǎn)分析及沉降變形研究

張 恒

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

近年來，大直徑盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于地鐵施工，時(shí)常會(huì)下穿既有的建筑物，而盾構(gòu)施工不可避免的產(chǎn)生地層擾動(dòng)，造成原有建筑物的地基下沉與樁基礎(chǔ)變形，對(duì)原有建筑物的安全形成威脅，因此，保證既有工程結(jié)構(gòu)和新建大直徑盾構(gòu)隧道施工與運(yùn)營安全值得重點(diǎn)關(guān)注。基于此，關(guān)于盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響分析，大量學(xué)者做了許多的工作[1-10]，然而，上述研究中鮮有以大直徑盾構(gòu)近距離下穿對(duì)高層建筑的影響為背景而開展的。本文以某大直徑盾構(gòu)隧道下穿高層建筑為工程背景，采用數(shù)值模擬方法研究盾構(gòu)下穿施工既有建筑物沉陷對(duì)樁基礎(chǔ)變形影響，通過分析盾構(gòu)掘進(jìn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證沉降變形模型的合理性和下穿過程中沉降控制技術(shù)的有效性，相關(guān)成果可為類似工程施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

廣州地鐵18號(hào)線番禺廣場站至南村萬博站區(qū)間大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有樁基建筑結(jié)構(gòu)，線路貫穿方向?yàn)闁|南角至西北角，盾構(gòu)隧道外徑為8.5 m，內(nèi)徑為7.7 m；管片厚度為0.4 m，長度為1.6 m，中心間距約為14.5 m，強(qiáng)度為C50，防水等級(jí)為P12；盾構(gòu)隧道頂部埋深約為36.3 m，下穿地層主要位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。相關(guān)工程信息如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 盾構(gòu)隧道平面位置

圖2 盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：mm)

大直徑盾構(gòu)隧道斜穿高層建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)樁基承臺(tái)采用獨(dú)立樁基承臺(tái)，承臺(tái)高度介于800～1 900 mm之間，結(jié)構(gòu)樁基采用靜壓式高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁(AB型PHC管樁)基礎(chǔ)，管樁直徑包含400 mm、500 mm、600 mm三種尺寸、長度為13～24 m，樁端距離隧道頂部約2.96 m，位置關(guān)系如圖4所示。

2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和沉降控制技術(shù)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

圖3 盾構(gòu)隧道下穿地質(zhì)條件(單位：m)

圖4 盾構(gòu)隧道與高層建筑結(jié)構(gòu)樁基位置關(guān)系

(1) 高層建筑結(jié)構(gòu)地上9層、地下2層，位于隧道正上方，最深樁底距離隧道頂3 m，屬于密集辦公區(qū)，盾構(gòu)隧道下穿過程具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 盾構(gòu)法施工會(huì)引起隧道周圍地層的土體擾動(dòng)或損失，引起既有建筑地基的不均勻沉降，當(dāng)不均勻沉降過大時(shí)主體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生開裂；也可能直接引起既有建筑結(jié)構(gòu)的變位，當(dāng)變位不均勻產(chǎn)生附加應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂。

(3) 施工場地地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存在全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化帶中，下穿施工過程中容易出現(xiàn)盾構(gòu)進(jìn)水、圍巖周邊土體失穩(wěn)等問題，進(jìn)而增加上部建筑發(fā)生沉降超限的可能性[11]。

2.2 沉降控制技術(shù)

基于對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，對(duì)下穿既有高層建筑結(jié)構(gòu)施工時(shí)，盾構(gòu)下穿前采用數(shù)值仿真預(yù)測技術(shù)，施工過程對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制并采用沉降監(jiān)測技術(shù)，下穿建筑后采用洞內(nèi)注漿加強(qiáng)沉降變形控制。

2.2.1 數(shù)值模擬預(yù)測

利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有建筑結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型，參考鉆孔的鉆探結(jié)果，建模時(shí)各底層信息分別如下：素填土(2 m)、粉質(zhì)黏土(7 m)、全風(fēng)化混合花崗巖(10 m)、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖(36 m)、中/微風(fēng)化混合花崗巖(20 m)，地下水深度為-6.0 m，三維集合模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值計(jì)算模型

穿越所在地層的材料參數(shù)如表1所示，所有地層均采用“摩爾-庫倫”本構(gòu)關(guān)系。

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)隧道相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與高層建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用彈性本構(gòu)模型，具體如表2所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

數(shù)值仿真過程中考慮盾構(gòu)隧道施工順序?qū)ι喜考扔懈邔咏Y(jié)構(gòu)的影響，先施工右線，待右線推進(jìn)120 m后開始施工左線。盾構(gòu)施工仿真流程如下：鈍化第n環(huán)管片土體，鈍化第n-1環(huán)管片盾殼，激活第n環(huán)管片盾殼，激活第n-1環(huán)管片盾構(gòu)管片，激活第n-1環(huán)管片注漿層，激活相關(guān)頂推力、千斤頂力，注漿壓力，保持雙線掘進(jìn)距離相隔100 m。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的推進(jìn)和注漿模擬如圖6所示。

2.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

由于下穿過程主要通過強(qiáng)風(fēng)化巖地層，盾構(gòu)采

表2 結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)開挖過程模擬

用土壓平衡模式，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中參數(shù)擬定值：土壓力(上中下)上2.1～2.2 bar(推進(jìn))(1 bar=0.1 MPa)；停機(jī)保壓2.5 bar；貫入度≤25 mm/rpm；刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.8 rpm；掘進(jìn)速度30～50 mm/min；刀盤扭矩2 500～3 500 kN·m；總推力21 000～23 000 kN；注漿壓力≤2.8 bar；注漿量11～12 m3/環(huán)；理論出渣量98～130 m3/環(huán)；螺旋機(jī)扭矩≤30 kN·m；渣土溫度≤31 ℃；鉸接壓力≤50 bar。

在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)通過既有建筑物時(shí)，掘進(jìn)過程確保同步注漿及時(shí)穩(wěn)定地層，如盾尾注漿跟不上時(shí)必須降低掘進(jìn)速度確保每環(huán)注漿量。同時(shí)要注意發(fā)泡劑及水的合理使用，一方面可以改善土的性質(zhì)，加強(qiáng)對(duì)刀具的保護(hù)，提高掘進(jìn)速率；另一方面可避免發(fā)泡劑管路擱置而堵塞。

2.2.3 沉降監(jiān)測控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需要對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建筑物沉降情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。對(duì)隧道內(nèi)部布置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，且在隧道左、右線掘進(jìn)上方及周圍進(jìn)行監(jiān)測，著重考慮隧道下穿正上方的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測。

2.2.4 洞內(nèi)注漿控制

為有效減少左、右雙線兩次穿越下部既有建筑結(jié)構(gòu)造成的差異沉降，有必要對(duì)隧道洞內(nèi)進(jìn)行注漿加固，洞內(nèi)注漿補(bǔ)償注漿里程左線為ZDK39+620.000-ZDK39+700.000，共計(jì)80 m；右線為YDK39+647.200-YDK39+700.000，共計(jì)52.80 m，采用洞內(nèi)注漿會(huì)有效保護(hù)建筑物和隧道結(jié)構(gòu)的沉降變

圖7 隧道管線與地面建筑物沉降監(jiān)測布置

形[12-13]。左、右線采用通II型注漿管片，通過隧道頂部連接塊(L)及標(biāo)準(zhǔn)塊(B)預(yù)留注漿孔，對(duì)隧道拱部地層進(jìn)行跟蹤注漿加固，隧道拱頂每個(gè)連接塊及標(biāo)準(zhǔn)塊預(yù)留注漿孔3個(gè)。注漿管材選用?42 mm袖閥鋼管；漿液類型采用普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥，水泥漿水灰比為(0.6～1.0)∶1，漿液擴(kuò)散半徑為0.5 m，具體材料選用及配比按相關(guān)試驗(yàn)確定；注漿壓力按0.1～0.5 MPa控制；注漿時(shí)先外后內(nèi)，少量多次。注漿加固范圍如圖8所示。

圖8 隧道洞內(nèi)補(bǔ)償注漿加固范圍(單位：mm)

3 沉降變形分析

盾構(gòu)隧道右線于2020年3月27日-31日通過既有高層建筑結(jié)構(gòu)，5 d內(nèi)掘進(jìn)33環(huán)管片；盾構(gòu)管片左線于2020年4月8日-13日通過既有高層建筑結(jié)構(gòu)，6 d內(nèi)掘進(jìn)48環(huán)管片；盡管盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程順利，但是需對(duì)左、右線下穿過程中以及下穿后的沉降變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值仿真對(duì)比，以確定盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程的位移變化規(guī)律，從而驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)沉降控制技術(shù)的可行性，為類似工程項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)。

3.1 建筑物沉降

建筑物地面共布置了40個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)從JGC-38-1～JGC-38-40，但監(jiān)測過程中部分監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失，因此本文僅對(duì)隧道正上方變形結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)盾構(gòu)隧道剛開始下穿至下穿后3 d的地表建筑物沉降進(jìn)行監(jiān)測，如圖9所示。同時(shí)提取相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)在相關(guān)施工步的數(shù)值結(jié)果，將其結(jié)果換算成監(jiān)測日期數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10所示。

圖10 盾構(gòu)隧道下穿沉降計(jì)算值與監(jiān)測值

從圖9可知，左、右線下穿的整個(gè)過程中所有監(jiān)測點(diǎn)變形規(guī)律一致。右線和左線下穿過程中位移有隆起，因盾構(gòu)掘進(jìn)過程中保持著洞內(nèi)注漿；當(dāng)右線和左線下穿完畢后，地面建筑沉降會(huì)下降直至穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是當(dāng)右線下穿完畢后、左線下穿中和下穿后，與右線下穿位移相比，所有監(jiān)測點(diǎn)變形均有所增大，且當(dāng)右線下穿完畢后監(jiān)測點(diǎn)位移持續(xù)增大，位移增大至7～10 mm。建筑物沉降監(jiān)測結(jié)果表明盾構(gòu)掘進(jìn)過程和掘進(jìn)后對(duì)建筑物沉降影響較大，而掘進(jìn)過程中的注漿有利于減少沉降，保護(hù)盾構(gòu)隧道的順利掘進(jìn)。

從圖10可以看出，隨著右線和左線分別下穿，計(jì)算值與監(jiān)測值具有相似的變化規(guī)律，但在下穿后計(jì)算值比較穩(wěn)定，這是因?yàn)槎軜?gòu)實(shí)際掘進(jìn)過程注漿和管片未能及時(shí)完成，導(dǎo)致盾構(gòu)下穿后會(huì)有非穩(wěn)定的變形過程，這也是計(jì)算值小于監(jiān)測值的原因。通過下穿前仿真預(yù)測與監(jiān)測對(duì)比，說明仿真預(yù)測模型可以較為準(zhǔn)確的模擬出盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中的位移變形規(guī)律。

3.2 樁基礎(chǔ)水平變形

盾構(gòu)隧道下穿會(huì)引起樁基發(fā)生側(cè)向變形，基于數(shù)值仿真軟件對(duì)盾構(gòu)下穿過程的樁基側(cè)向變形進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明側(cè)向變形發(fā)生在右線下穿完畢后，樁基x向和y向最大變形值變形云圖如圖11所示，隨施工步變化曲線如圖12所示。x方向最大水平位移為1.202 mm(偏向西)，y方向最大水平位移為-0.986 mm(偏向南)，均朝向隧道掘進(jìn)掌子面，雖然樁基最大水平位移隨著掘進(jìn)過程不斷變化，但是均在風(fēng)險(xiǎn)控制范圍，滿足設(shè)計(jì)及施工的要求。

圖11 盾構(gòu)隧道下穿樁基水平位移計(jì)算值

圖12 盾構(gòu)隧道右線和左線下穿樁基最大水平位移計(jì)算值

3.3 地下室底板變形

盾構(gòu)隧道下穿既有高層建筑時(shí)，由于獨(dú)立式樁基存在，有必要考慮地下室底板的整體沉降，基于數(shù)值仿真得到盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地下室底板的最大變形，最大計(jì)算云圖和位移變化如圖13所示。地下室底板最大變形值為-2.582 mm，位于隧道掘進(jìn)線路中，雖然有一定變形，但是安全可控；地下室底板最大變形發(fā)生在盾構(gòu)掘進(jìn)完成時(shí)，并且隨著盾構(gòu)掘進(jìn)最大變形不斷增大，在盾構(gòu)通過建筑物時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 在盾構(gòu)隧道下穿既有獨(dú)立式樁基高層建筑

圖13 地下室底板最大變形

結(jié)構(gòu)過程中，由于樁基與隧道距離較近，掘進(jìn)引起的建筑周圍土體的擾動(dòng)會(huì)造成建筑物不均勻沉降，增加大直徑盾構(gòu)的施工風(fēng)險(xiǎn)，建議掘進(jìn)施工過程中密切關(guān)注盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控施工過程，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)采用注漿加固等措施。

(2) 大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)過程和掘進(jìn)后對(duì)高層建筑沉降影響較大，建筑物監(jiān)測點(diǎn)的變形逐漸增大至7～10 mm，相比單線掘進(jìn)完成增大約6 mm，表明二次掘進(jìn)會(huì)引起更大的變形，數(shù)值模擬結(jié)果也驗(yàn)證了此變化規(guī)律；而同步洞內(nèi)注漿有利于減少建筑物沉降，可以有效保護(hù)盾構(gòu)隧道的順利掘進(jìn)。

(3)隨著盾構(gòu)掘進(jìn)樁基最大水平位移和地下室底板最大沉降變形逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)完畢后變形幾乎穩(wěn)定，這充分表明了盾構(gòu)掘進(jìn)過程需要同步注漿或其他有效措施保證隧道和既有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。