富水砂卵石地層盾構下穿既有房屋結構的擾動沉降特征及控制技術

摘" 要：砂卵石地層是力學不穩定地層，富水砂卵石地層盾構近距離下穿建（構）筑物工程易引起地層損失和圍巖擾動。該文采用數值模擬和現場試驗方式開展富水砂卵石地層盾構下穿既有房屋結構的地面擾動沉降規律研究，研究結果表明，下穿過程中，盾構隧道掘進先對既有房屋結構水平變形產生影響，再對沉降變形產生影響。隨著盾構掘進，房屋結構的最大沉降變形發生在房屋中軸線附近，而最大水平位移則發生在下穿建筑物完成后。鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內注漿組合加固措施結合穩定的掘進參數控制能有效減小富水砂卵石地層盾構下穿施工對淺基房屋結構的影響。

關鍵詞：盾構隧道；砂卵石地層；地表沉降；掘進參數；有限元法

中圖分類號：U455.43" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0106-04

Abstract： Sandy Cobble Stratum are mechanically unstable strata. Shield tunneling projects in water-rich Sandy Cobble Stratum can easily cause stratigraphic losses and surrounding rock disturbanceswhen passing through buildings （structures） at close distances.This paper uses numerical simulation and field tests to conduct research on disturbance settlement characteristics of shield tunneling passing through existing building structures in water-rich sandy cobble stratum. The results demonstrate that： During the penetration process， shield tunnel excavation first affects the horizontal deformation of the existing structure， and then affects the settlement deformation. As the shield tunneled， the maximum settlement deformation occurred near the central axis of the house， while the maximum horizontal displacement occurred after the tunneling was completed. The combined reinforcement measures of steel pipe isolation piles + tracking grouting + in-hole grouting combined with stable excavation parameter control can effectively reduce the impact of shield tunneling project on shallow foundation structure in water-rich sandy cobble stratum.

Keywords： shield tunnel; sandy cobble stratum; ground surface settlement; tunneling parameter; finite element method

隨著當前我國地鐵工程的興建，盾構施工將會面臨各種復雜特殊的地質環境，例如富水砂卵石地層[1-3]。砂卵石地層是典型的力學不穩定地層，具有較高含量的卵石及漂石，較大的孔隙度、滲透率，較松散的結構比，較低的黏聚力[4-5]。砂卵石地層在盾構機掘進過程中受頂推和旋轉切削作用將不可避免地發生應力應變狀態重新分布，易引起地層損失和圍巖擾動，給隧道結構安全以及周邊地層穩定構成較大危害，尤其是對于盾構近距離側穿、下穿建（構）筑物工程，有效控制地表沉降是首要亟待解決的技術難題[6-7]。本文以地鐵盾構區間下穿既有老舊民房片區工程為研究對象，建立了盾構下穿既有房屋結構數值模型，分析了盾構施工對既有房屋結構產生的影響，分析了既有房屋結構變形和受力狀態，并結合工程實踐總結了地層擾動變形控制技術，為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

本文選擇盾構區間段的某一小區作為研究對象，該小區無地下室，地上建筑結構形式為混合結構，樓板及屋面板采用預制板。左線盾構隧道與既有民房結構水平重疊2.3～3.2 m，豎向凈距10.89～12.43 m。工程標段區間隧道洞身基本位于密實卵石土中，該巖層顏色呈灰色、灰黃色；巖層質感密實、飽和；卵石粒徑20～150 mm，粉細砂充填，卵石成分主要為石英巖、花崗巖，呈圓狀、亞圓狀；層厚1.3～8.9 m，呈層狀廣泛分布于基巖之上。工程標段區間的地下水豐富，主要為填土層的上層滯水、第四系砂卵石層的孔隙水、基巖裂隙水。

2" 數值模擬

2.1" 基本假設條件

盾構掘進對既有建筑物擾動數值模型采用地層-結構模型計算方法。在破壞準則上，土體采用莫爾-庫倫準則，房屋結構和隧道結構考慮在彈性范圍內工作，采用線彈性本構關系。在邊界條件上，模型底部施加豎向固定約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面，對房屋結構施加扭轉約束。

2.2" 計算參數

模型的工程相對位置和網格劃分如圖1所示，模型中地層尺寸為120 m×200 m×27 m，地層自淺而深分別為人工填土、粉質黏土、密實砂卵石和強風化泥巖。房屋建筑三維尺寸為70 m×40 m×21 m，隧道直徑8.3 m，兩者在水平面上重疊3 m。模型中地層、盾構、房屋結構的基礎計算參數見表1。

2.3" 模擬結果分析與討論

圖2分別展示了隧道下穿淺基民房施工過程中巖土層及房屋結構的沉降變形及水平位移情況。由圖可知，既有民房結構與左線盾構隧道投影的重疊區域發生了顯著隆起抬升現象，隆起強度沿盾構掘進方向逐步降低，由下穿區域向非下穿區域逐步降低。既有房屋結構沉降變形在樓板、墻體與地面相連的結構基礎處的強度最大。相對遠離隧道的右側房屋區域沒有發生明顯的水平位移情況，民房結構水平變形位置主要集中在相對靠近隧道的左側房屋區域的結構基礎處，且距離隧道越近，水平位移越大。

圖3展示了隧道下穿淺基民房施工過程中沉降-位移變形情況。在距離民房建筑垂直地下空間10 m處，盾構隧道掘進開始對房屋結構沉降產生明顯影響。隨著盾構掘進，房屋建筑沉降量展露出指數級增長趨勢，房屋結構沉降變形最大值（約0.5 mm）出現在下穿建筑物中軸線（掘進距離105 m）附近。隨著盾構繼續掘行，房屋建筑沉降量開始逐漸減小直至盾構駛出民房建筑垂直地下空間，此后房屋結構沉降變形將持續保持平穩。房屋結構的水平位移變形在整個盾構掘進過程中呈S型增長趨勢。盾構隧道掘進在距離民房建筑垂直地下空間50 m處就已經開始對房屋結構水平變形產生了明顯影響，該時間節點顯著早于能影響沉降變形的時間節點。隨著盾構掘進，房屋建筑水平位移增長速率逐漸加快；當盾構掘進至下穿建筑物中軸線時，房屋建筑水平位移增長速率進一步提升；當盾構駛出民房建筑垂直地下空間時，房屋建筑水平位移將保持穩定。既有房屋結構最大水平位移為1.3 mm，發生在盾構施工完成時。

3" 工程措施

3.1" 加固措施

圖4展示了區間隧道與既有結構的加固措施方案，盾構區間穿越既有民房結構區間采用鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內注漿3種加固措施來減少圍巖變形、地層損失和地面沉降。其中，鋼管隔離樁采用直徑219 mm鋼管，隔離樁之間相距0.35 m，隔離樁長度均深入隧道底以下1 m左右。地面跟蹤注漿加固一般采用φ48 mm袖閥管，間距定為1.5 m×1.5 m，注漿材料為水泥單液漿，注漿壓力及注漿量是根據盾構過程中的監測結果進行反饋調控的。洞內注漿加固采用長度一般不小于2.5 m的φ42 mm的鋼花管，加固范圍是為隧道拱頂225°外擴3 m區域。注漿材料采用水泥單液漿，并預備速凝材料以供特殊緊急情況使用，注漿壓力0.8 MPa，注漿量為22 m3。

3.2" 掘進參數

盾構過程中需要設定適當的掘進參數并進行嚴格控制，其中主要包括：刀盤配置、刀盤轉速、刀盤扭矩、千斤頂總推力、螺旋輸送機轉速、外加劑選擇及注入量等。同時在施工過程中通過對刀盤面板土壓力和土艙壓力、出土量及出土狀態進行密切觀察和記錄，將數據反饋到盾構控制中心，及時調整或優化掘進參數。在盾構下穿施工段中，刀盤轉速設定為2 r/min，注漿量設定為13 m3/環；土倉壓力控制在0.9～1.7 bar，平均值為1.1 bar；工作壓力控制在200～250 bar，平均值為220 bar；總推力控制在30 800～48 800 kN，平均值為39 200 kN；刀盤扭矩控制在7 800～15 600 kN·m，平均值為11.5 kN·m；螺旋機轉速控制在9.4～13.6 r/min，平均值為11.89 r/min；超（欠）方控制在-4～3 m3/環；渣土重量控制在210～230 t/環，平均值為214 t/環；掘進速度控制在60～98 mm/min，平均值為82.3 mm/min。

3.3" 監控量測

在盾構施工及相關輔助施工（如地基加固、地層同步補償注漿等）過程中，對既有房屋結構進行了系統全面的監控量測，監測點布置如圖5所示。圖6展示了盾構下穿過程中建筑物代表性節點的沉降時態曲線，由圖可知，距離盾構隧道較近的房屋結構易發生沉降現象，距離盾構隧道較遠的房屋結構則易發生隆起現象。在下穿建筑物起點至其中軸線區段，建筑物沉降現象變化較為明顯；當盾構掘進過建筑物中軸線后，建筑物沉降總體保持穩定不變。整體來看，盾構下穿對既有房屋結構對其沉降的影響很小，基本控制在5 mm以下，符合沉降控制保護標準。

4" 結論

1）下穿過程中，隧道掘進面對既有房屋結構沉降變形、水平變形、傾斜變形產生明顯影響的初始掘進位置有差異。隧道掘進面在距離民房建筑垂直地下空間50 m處開始產生水平變形影響，10 m處產生沉降變形影響。

2）下穿過程中，既有房屋結構的擾動形變主要集中在下穿房屋區域的結構基礎處，并且房屋結構的沉降、水平隨著盾構的掘進展現出了不同的形變規律。沉降量關于下穿房屋的中軸線呈非完全對稱分布，而水平位移則呈S型增長趨勢，其變化趨勢拐點均與房屋中軸線相關。

3）對于富水砂卵石地層盾構下穿既有房屋結構工程，建議采用鋼管隔離樁+跟蹤注漿+洞內注漿組合加固措施來控制既有房屋結構的水平位移及沉降。

參考文獻：

[1] 賀開偉，王又增，丁夢俊，等.砂卵石地層雙模盾構針對性設計與應用[J].隧道建設（中英文），2022，42（S1）：508-516.

[2] 王士民，王先明，吳恒生，等.富水砂卵石地層土壓平衡盾構渣土改良分析——以洛陽地鐵1號線青年宮站-夾馬營站區間盾構隧道為例[J].隧道建設（中英文），2021，41（S2）：68-74.

[3] 葸振東，胡林浩，張書香，等.富水砂卵石地層大直徑盾構渣土改良試驗研究——以成都地鐵17號線明九區間2#風井-九江北站盾構工程為例[J].隧道建設（中英文），2021，41（1）：37-43.

[4] 吳恒生.盾構法全斷面富水砂卵石地層長距離下穿開元湖快速掘進施工技術[J].施工技術（中英文），2021，50（19）：49-53.

[5] 韋生達，劉丹娜，彭鑫，等.基于灰色理論的砂卵石地層盾構施工參數控制對地表沉降影響分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2022，41（2）：84-94.

[6] 張晉勛，宋永威，楊昊，等.凍結飽水砂卵石蠕變損傷特性試驗研究[J].科學技術與工程，2021，21（29）：12665-12671.

[7] 王俊，王闖，何川，等.砂卵石地層土壓盾構掘進掌子面穩定性室內試驗與三維離散元仿真研究[J].巖土力學，2018，39（8）：3038-3046.