地鐵盾構(gòu)下穿建筑群施工地面建筑沉降控制方案及富水砂-黏地層沉降預(yù)測方法*

陳志敏 范長海 張常書

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，730070，蘭州；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，730070，蘭州；3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，300222，天津∥第一作者，教授)

由地鐵穿越城市既有建筑群引發(fā)的地面不均勻沉降問題，已成為我國城市軌道交通發(fā)展的重點問題。文獻(xiàn)[1]基于北京地鐵盾構(gòu)隧道下穿地鐵隧道工程，對地面建筑物沉降規(guī)律及控制沉降的盾構(gòu)施工參數(shù)展開研究。文獻(xiàn)[2]探究盾構(gòu)隧道穿越富水軟弱地層時建筑物樁基沉降規(guī)律及加固方案的有效性。文獻(xiàn)[3]針對富水風(fēng)化花崗巖隧道圍巖力學(xué)特性與變形機(jī)制，提出可行性加固措施。

目前，大多數(shù)研究都集中于盾構(gòu)隧道下穿地面建筑物或既有隧道等工況下的單一地層沉降與控制，而廣州地鐵某區(qū)間隧道主要穿越富水礫砂、粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化-微風(fēng)化花崗巖等復(fù)合地層(以下簡稱“復(fù)合地層”)。在此類特殊地層中，關(guān)于盾構(gòu)施工對建筑物樁基及基礎(chǔ)沉降變形的影響規(guī)律，尚且缺乏系統(tǒng)性的研究成果。故本文以廣州地鐵盾構(gòu)隧道工程為例，就該特殊地層及建筑物基礎(chǔ)沉降控制措施展開研究，以確保地面建筑物群能夠保持正常使用功能。本研究可為類似工程提供理論基礎(chǔ)與工程經(jīng)驗。

1 工程概況與地層-建筑物有限元模型

1.1 工程概況

廣州地鐵某區(qū)間隧道呈東西走向，上行線和下行線橫穿水西村，下穿建筑群段的上行線和下行線埋深為10.3～18.1 m。隧道上行線ZDK 20+232.4—ZDK 20+370.4，長為138.0 m；下行線 YDK 20+259.0—YDK 20+394.3，長為135.3 m。隧道洞身全部位于地下水位線以下，主要穿過富水礫砂、粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化-微風(fēng)化花崗巖帶等復(fù)合地層，局部穿越軟土地層、砂層以及軟硬不均的特殊地層，上行線和下行線地質(zhì)差異不大。各地層物理力學(xué)參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。線路區(qū)間隧道將下穿密集排列的3～8層既有樓，以及少量10～15層的較高建筑。地面建筑分布圖如圖1所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 地面建筑分布圖Fig.1 Distribution diagram of surface buildings

1.2 確定計算模型

依據(jù)MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行分析計算，建筑隧道內(nèi)徑為5 400 mm，采用單層平板式鋼筋混凝土管片，摩爾-庫倫作為土體本構(gòu)模型。樁、柱與土單元之間設(shè)置節(jié)點耦合，以實現(xiàn)基礎(chǔ)與地層的相互作用。

1.3 盾構(gòu)掘進(jìn)過程模擬

隧道在DK 20+358.4處下穿高層建筑群且埋深最淺(見圖1)，故對該里程周圍地層作施工模擬。對模型邊界添加橫向、豎向約束，對初始開挖面施加水平約束。模型整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。區(qū)間隧道下穿地面建筑物盾構(gòu)推進(jìn)時，根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)出渣情況與地面沉隆監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)。盾構(gòu)參數(shù)范圍如表2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of overall structure

表2 盾構(gòu)參數(shù)范圍Tab.2 Range of shield parameters

2 模擬結(jié)果的沉隆分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)沉隆分析

隧道掘進(jìn)完成后，整體模型結(jié)構(gòu)各部位沉隆示意圖如圖3所示。由圖3可知，區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，整體最大沉降量為71.80 mm；最大隆起量發(fā)生在隧道底部，為20.99 mm。建筑1(8層建筑)的最大不均勻沉降為20.00 mm，建筑2(15層建筑)的最大不均勻沉降為56.10 mm。根據(jù)現(xiàn)場對建筑物的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)值為30.00 mm，報警值為20.00 mm)，建筑1和建筑2部分結(jié)構(gòu)的不均勻沉降已超過項目沉降標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 建筑基礎(chǔ)變形分析

由圖3 c)可知，隧道掘進(jìn)導(dǎo)致整體地層形成明顯沉降槽，其中建筑物基礎(chǔ)與地面區(qū)域最為突出，周圍地層發(fā)生輕微隆起。這主要是由于建筑2的樁基持力層最大沉降量為62.20 mm，建筑1的樁基持力層最大沉降量比建筑2小26.10 mm。盾構(gòu)施工對建筑1和建筑2的樁基持力層的穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的破壞，相比于下行線，上行線上部建筑物對地層的荷載作用更大，使富水砂礫、粉質(zhì)黏土等軟弱土層產(chǎn)生了顯著沉降，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物與上方地層的不均勻沉降。因此，有必要對建筑物樁基持力層進(jìn)行加固處理。

圖3 整體模型結(jié)構(gòu)各部位沉隆示意圖Fig.3 Subsidence and heave diagram in various parts of the overall model structure

3 沉降控制方案比選

由于盾構(gòu)施工穿越的復(fù)合地層結(jié)構(gòu)松散、可塑性差，且花崗巖存在不同程度的破碎、整體性不良等特點，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)機(jī)械特性，采用改進(jìn)的線間注漿加固方案對開挖洞室上方和下方地層進(jìn)行加固處理。針對盾構(gòu)掘進(jìn)完成后建筑1和建筑2基礎(chǔ)部分與建筑物樁基持力層的不均勻沉降，可利用筏板結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性加固處理建筑基礎(chǔ)，以提高其安全性與穩(wěn)定性。

3.1 線間注漿加固方案

前盾盾體設(shè)置4個直徑為50 mm的徑向孔，通過徑向孔向盾體2～3 m范圍內(nèi)的地層加壓注入膨潤土液漿，對地層進(jìn)行加固處理。線間注漿加固方案如圖4所示。注漿材料選用膨潤土-水泥液漿，水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。在保證水泥-水玻璃雙液漿適宜流動性的同時，應(yīng)控制初凝時間為3～4 h。

圖4 線間注漿加固方案Fig.4 Inter-line grouting reinforcement scheme

3.2 筏板結(jié)構(gòu)注漿加固方案

對建筑物下部施加厚度為0.7 m的鋼筋混凝土筏板，其保護(hù)層厚度為 20 mm，采用 C35 混凝土。同時，對筏板下部粉質(zhì)黏土層及礫砂等富水軟弱夾層進(jìn)行注漿加固，厚度為0.2 m。筏板結(jié)構(gòu)注漿加固方案如圖5所示。

圖5 筏板結(jié)構(gòu)注漿加固方案Fig.5 Grouting reinforcement scheme for raft structure

4 加固方案沉降控制效果分析

隧道周圍地層經(jīng)線間注漿加固和筏板結(jié)構(gòu)加固后的建筑物沉隆變形情況如圖6和圖7所示。

由圖6 a)—圖6 c)可知，在筏板結(jié)構(gòu)加固工況下，建筑物出現(xiàn)整體性沉降變形，建筑1和建筑2鄰近部位的最大沉降量為27.50 mm，超過了項目規(guī)定值，兩者的最小沉降量為10.10 mm。筏板結(jié)構(gòu)與樁基持力層沉降趨勢基本一致，沉降變形更為集中化，其沉降量隨建筑1和建筑2相鄰區(qū)域距離的增大而逐漸減小。筏板結(jié)構(gòu)在左右側(cè)高層建筑的差異荷載作用下，變形量自頂板區(qū)域向外側(cè)區(qū)域逐漸擴(kuò)散、衰減，與非建筑區(qū)域沉降量存在較大差異，最大沉降量差值達(dá)到了15.00 mm。左側(cè)區(qū)域的較大荷載導(dǎo)致左側(cè)區(qū)域的沉降量明顯大于右側(cè)區(qū)域的沉降量，可能會引起建筑結(jié)構(gòu)的傾覆破壞。因此，筏板結(jié)構(gòu)注漿加固方案在該工程項目中是不可行的。

由圖7 a)—圖7 c)可知，相比于未加固工況，在線間注漿加固方案下，建筑物各部位的沉降量降低了一個數(shù)量級，建筑1和建筑2的整體沉降量為1.00～7.00 mm，兩建筑相鄰區(qū)域的沉降變形為6.30 mm左右，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值。該方案通過對隧

圖7 線間注漿加固工況下的建筑物沉隆示意圖Fig.7 Schematic diagram of building subsidence and heave under inter-line grouting reinforcement working condition

道四周松散地層進(jìn)行注漿加固，將加固區(qū)的最大沉降和隆起變形均控制在10 mm以內(nèi)，保證了樁基持力層的穩(wěn)定性，降低了盾構(gòu)掘進(jìn)工法對地層擾動變形的影響。通過對比分析可知，線間注漿加固方案更適用于盾構(gòu)施工時該類復(fù)合地層中的沉隆控制。

5 富水砂-黏地層沉降預(yù)測方法

地層沉降經(jīng)驗公式為：

S=Smaxexp(-x2/2i2)

(1)

(2)

i=kh

(3)

式中：

S——地面上任意處沉降量，mm；

Smax——地面沉降最大量，mm；

x——開挖隧道中線距計算點的橫向距離，mm；

i——沉降槽寬度，mm；

D——隧道直徑，mm；

h——隧道埋深，mm；

k——沉降槽寬度系數(shù)，取為0.76；

Vi——地層損失率，取為2%。

根據(jù)式(1)和式(2)，以及數(shù)值模擬法[4-6]，結(jié)合現(xiàn)場試驗段所得地層沉降量進(jìn)行對比分析，探究經(jīng)驗公式法對于富水砂-黏地層沉降規(guī)律預(yù)測的適用性。

上行線和下行線隧道開挖時的地層沉降結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，上行線和下行線隧道施工完成后，由經(jīng)驗公式計算所得的0 m地面、-8 m地層的沉降值和數(shù)值模擬的結(jié)果均關(guān)于隧道中線呈正態(tài)分布。在隧道中線處，沉降量達(dá)到最大值，且隨著與隧道中線距離的增大,沉降量逐漸減小，在1.5D范圍處沉降變形趨于穩(wěn)定。監(jiān)測斷面各點沉降數(shù)據(jù)相對零散，但大體遵循正態(tài)分布走向。經(jīng)驗公式忽略了施工中的眾多因素，所得地層沉降量處于數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)之間，與兩者分別相差約10.00 mm，與后者吻合程度較高。因此，經(jīng)驗公式法可應(yīng)用于此種地質(zhì)條件中由盾構(gòu)隧道施工引起的地層沉降預(yù)測。

6 結(jié)語

結(jié)合地鐵隧道盾構(gòu)下穿城市建筑群工程，研究了地層與建筑群的沉降規(guī)律與控制措施，獲得以下幾點結(jié)論：

圖8 隧道地層沉降結(jié)果Fig.8 Tunnel ground subsidence results

1) 筏板結(jié)構(gòu)加固對該種復(fù)合地層的沉降控制效果較差。由于高層建筑的差異荷載及厚度的擴(kuò)散作用，部分變形可導(dǎo)致建筑失穩(wěn)破壞。

2) 線間注漿加固通過加固松散的樁基持力層、封閉圍巖裂隙和注漿抬升力等作用，有效控制了地層的水平變形范圍與豎向沉降數(shù)值，適用于該復(fù)合地層的沉降控制。

3) 相比于數(shù)值模擬，經(jīng)驗公式法與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)更為吻合，可適用于富水砂-黏復(fù)合地層中由盾構(gòu)施工引起的地層沉降變形預(yù)測。