地鐵盾構(gòu)隧道始發(fā)端近距離側(cè)穿老舊建筑沉降控制措施

任 杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來(lái)，全國(guó)多個(gè)城市地鐵建設(shè)得到前所未有的發(fā)展，在實(shí)施過(guò)程中，難以避免下穿、側(cè)穿既有建構(gòu)筑物。對(duì)于老舊建筑，因其建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且多為磚混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性較差，對(duì)地下結(jié)構(gòu)施工的干擾較為敏感[1]。當(dāng)建筑物位于地鐵車站的端頭位置時(shí)，易受基坑降水、基坑開挖、盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)掘進(jìn)等多重影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要統(tǒng)籌考慮各階段的控制措施，以保證既有建筑物安全。

盾構(gòu)始發(fā)及接收是盾構(gòu)施工關(guān)鍵工序，需采取可靠的加固措施[2-4]。目前，對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)端端頭加固的研究主要有：①加固范圍的研究，一般認(rèn)為富水砂層盾構(gòu)始發(fā)加固范圍沿隧道縱向不宜小于9 m；②加固工藝的研究，常用地層加固工藝主要有攪拌樁、旋噴樁、深孔注漿、素樁等。對(duì)于盾構(gòu)隧道近接施工的研究也分為兩大類：①近接施工影響規(guī)律研究，包含施工影響范圍、建構(gòu)筑物的變形特征等；②近接施工控制措施的研究，主要為盾構(gòu)自身控制措施。相關(guān)研究有：白璐璐等探索地鐵盾構(gòu)隧道下穿建筑物施工影響區(qū)域的劃分[5]；魏綱等研究盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)建筑物沉降的影響[6]；孫宇坤等分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)砌體結(jié)構(gòu)沉降的影響[7]；葛世平等研究地鐵建設(shè)與運(yùn)營(yíng)階段對(duì)地面房屋沉降的影響[8-10]；魏新良等介紹土壓平衡盾構(gòu)在砂性地層中所采取的各種針對(duì)性措施[11]；馬繼周等介紹了盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越民房的控制措施[12-14]。

以太原地鐵2號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，針對(duì)盾構(gòu)隧道始發(fā)端近距離側(cè)穿既有老舊建筑物易產(chǎn)生較大沉降這一問(wèn)題提出具體的工程控制措施，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證工程措施的有效性。

1 工程概況

太原地鐵2號(hào)線為太原市實(shí)施的第一條地鐵線，線路全長(zhǎng)23.7 km。雙塔西街站—大南門站區(qū)間為盾構(gòu)法施工區(qū)間，區(qū)間從雙塔西街站北端引出后，沿10 m寬紅線的牛站西巷由南向北敷設(shè)，在迎澤苑小區(qū)附近以向左偏移，行進(jìn)至迎澤公園內(nèi)七孔橋附近向右偏移，接入大南門站南端。其中，牛站西巷周邊建筑物眾多，管線密集，隧道依次側(cè)穿公交公司宿舍樓、公交公司家屬樓等多處建筑物。

公交公司宿舍樓與雙塔西街站北端凈距約5.6 m，與雙塔西街站—大南門站左線盾構(gòu)區(qū)間最小凈距約0.6 m，處于車站主體基坑及盾構(gòu)隧道的強(qiáng)烈影響區(qū)。公交公司宿舍樓為“砌體+鋼筋混凝土預(yù)制板”結(jié)構(gòu)，地下1層，地上5層，基礎(chǔ)為墻下條形基礎(chǔ)，建筑物現(xiàn)狀已存在裂縫。圖1為公交公司宿舍樓與雙塔西街站、雙塔西街站—大南門站盾構(gòu)區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系，圖2為公交公司宿舍樓在車站、區(qū)間施工前現(xiàn)狀。

圖1 公交公司宿舍樓與車站、盾構(gòu)區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系(單位：m)

圖2 公交公司宿舍樓

雙塔西街站—大南門站區(qū)間位于汾河?xùn)|岸一級(jí)階地，局部為東岸河漫灘。區(qū)間地層以第四系全新統(tǒng)人工填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂(粉)土及上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂(粉)土、圓礫土為主。區(qū)間穿越地層主要為粗砂、中砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土。地下水為第四系松散層孔隙潛水，位于雜填土層，埋深2.3～7.5 m。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)狀況

2.1 車站主體基坑開挖

車站所處地貌單元為汾河?xùn)|岸一級(jí)階地，基坑底主要為粉細(xì)砂層、圓礫層、中砂層，基底砂層較厚，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，懸掛式止水，基坑開挖階段對(duì)建筑物的影響主要有以下兩方面。

(1)基坑采用懸掛式止水帷幕，基坑降水會(huì)影響基坑外地下水位，導(dǎo)致地層二次固結(jié)沉降，建筑物產(chǎn)生沉降。

(2)基坑開挖、回筑階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形引起基坑外土體擾動(dòng)，建筑物產(chǎn)生沉降。

2.2 盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序，也是施工中的事故多發(fā)環(huán)節(jié)，區(qū)間始發(fā)端范圍地層主要為中砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，地面下1.5 m即為地下水，在該地層極易發(fā)生涌水涌砂事故，造成地面沉降，甚至洞門失穩(wěn)、地面塌陷。如果盾構(gòu)端頭加固措施不合理，盾構(gòu)始發(fā)將給建筑物帶來(lái)較大安全隱患[15]。

2.3 盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)

相較于其他施工方法，盾構(gòu)法具有施工安全快速，對(duì)地層影響小，能較好的控制地面沉降等優(yōu)點(diǎn)，但盾構(gòu)掘進(jìn)不可避免地會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)。合理選擇參數(shù)是控制地層沉降的關(guān)鍵，主要控制參數(shù)包括：掘削面支護(hù)壓力、盾構(gòu)機(jī)出土量、盾尾注漿壓力、注漿時(shí)間等[16]。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 車站主體基坑開挖

車站主體基坑分兩期施工，先施工南側(cè)基坑，后施工北側(cè)基坑。南側(cè)基坑深約18.1 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，經(jīng)計(jì)算分析，圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)插入比按1∶0.5控制。

南側(cè)地下連續(xù)墻施工階段，局部槽段存在塌孔，連續(xù)墻施工完成后，塌孔槽段周邊地面沉降約5.6 mm；開挖前施工降水引起地面附加沉降約3.0 mm；基坑開挖及回筑階段，現(xiàn)場(chǎng)存在架設(shè)支撐不及時(shí)、土方超挖的情況，最終地面沉降約29 mm。鑒于南側(cè)基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，公交公司宿舍樓后續(xù)會(huì)受到車站北段基坑開挖、區(qū)間左、右線盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)掘進(jìn)多重影響，由于樓房年代久遠(yuǎn)，自身?xiàng)l件較差，為確保建筑物的安全，針對(duì)北側(cè)基坑關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，采取以下針對(duì)性措施。

(1)車站北側(cè)端頭臨近宿舍樓一側(cè)，地下連續(xù)墻施工時(shí)采用旋噴樁加固兩側(cè)槽壁，避免連續(xù)墻成槽階段塌孔，對(duì)建筑物基底地層造成擾動(dòng)。

(2)車站北側(cè)盾構(gòu)井端頭地下連續(xù)墻插入基底深度較南側(cè)基坑加深5 m，以增大降水過(guò)程中地下水繞流距離，減少降水對(duì)基坑外地層的影響。

(3)施工階段嚴(yán)格控制土方開挖，及時(shí)架設(shè)支撐，嚴(yán)禁土方超挖，加強(qiáng)鋼管支撐軸力、周邊地層、建筑物等的監(jiān)測(cè)。

3.2 盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)

盾構(gòu)始發(fā)期間，較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，盾體和圍巖之間的空隙得不到及時(shí)有效填充，如地層加固體質(zhì)量較差，會(huì)形成滲流通道，造成涌水涌砂事故。因此，盾構(gòu)始發(fā)端的端頭加固對(duì)始發(fā)安全尤為重要，端頭加固設(shè)計(jì)主要考慮以下因素。

(1)選擇合理的端頭加固工法，根據(jù)具體的地質(zhì)情況，采用降水、攪拌樁、旋噴樁、注漿、水平凍結(jié)、垂直凍結(jié)、素樁、素墻等工法。

(2)根據(jù)車站端頭的水文地質(zhì)情況，合理確定加固區(qū)域的長(zhǎng)度、深度，尤其是在富水砂層，加固體范圍不夠時(shí)，盾構(gòu)機(jī)殼體與土體之間的空隙將形成滲流通道，導(dǎo)致涌水涌砂。

(3)嚴(yán)格控制加固區(qū)加固質(zhì)量，加固體強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，難以滿足盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中剪切、滑移的要求，將出現(xiàn)局部滲漏。

(4)為保證始發(fā)的安全，防止始發(fā)掘進(jìn)時(shí)漿液、地下水從盾殼和洞門間隙流失，必須保證洞門的密封效果。

根據(jù)太原地鐵2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，富水砂層盾構(gòu)始發(fā)端傳統(tǒng)端頭加固區(qū)域長(zhǎng)度不小于10 m，寬度及深度一般取盾構(gòu)區(qū)間左右、上下各3 m。公交公司宿舍樓距離車站北側(cè)基坑凈距約5.6 m，距離盾構(gòu)左線凈距最小約0.6 m，難以采用三軸攪拌樁、旋噴樁等加固方法；水平注漿法加固質(zhì)量可靠性差，單獨(dú)使用風(fēng)險(xiǎn)較大；洞內(nèi)水平凍結(jié)法加固體質(zhì)量可以保證，但后期融沉沉降對(duì)建筑影響較大。綜合考慮始發(fā)端頭的地層情況及周邊建筑物現(xiàn)狀，決定采用洞內(nèi)鋼套筒始發(fā)，為減小盾構(gòu)機(jī)出洞門初始掘進(jìn)階段對(duì)地層的擾動(dòng)，提出在洞門外3 m范圍采取地面凍結(jié)法加固地層。凍結(jié)加固范圍：隧道縱向3.0 m，隧道橫向東西側(cè)各3.0 m，隧道上下各3.0 m(12.2 m×12.2 m×3.0 m)。

3.3 盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)

本區(qū)間出車站即開始側(cè)穿公交公司宿舍樓，無(wú)條件調(diào)試掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)盾構(gòu)初期掘進(jìn)提出較大挑戰(zhàn)。地質(zhì)資料顯示，南內(nèi)環(huán)街站-雙塔西街站區(qū)間盾構(gòu)穿越段與雙塔西街站-大南門站區(qū)間地層類似，故先掘進(jìn)南雙區(qū)間，充分積累該地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套合適的掘進(jìn)參數(shù)，再掘進(jìn)雙塔西街站-大南門站區(qū)間。

盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿建筑物時(shí)，一般采用同步注漿及通過(guò)后洞內(nèi)壁后二次注漿，可有效填充刀盤超挖引起的土層空隙，減小地層沉降。盾構(gòu)通過(guò)后，隧道周圍土體由于受到擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次固結(jié)沉降，為減小對(duì)建筑物的影響，側(cè)穿建筑物范圍盾構(gòu)管片采用多孔管片；盾構(gòu)通過(guò)后，及時(shí)對(duì)管片周邊3 m范圍進(jìn)行主動(dòng)填充式注漿加固。

本區(qū)間出車站即開始側(cè)穿建筑物，且建筑物建設(shè)年代久遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)型式較差，為減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)建筑物的影響，盾構(gòu)施工前在側(cè)穿建筑物范圍打設(shè)雙排φ150 mm@300 mm復(fù)合錨桿樁，樁豎向斜角為30°，總長(zhǎng)約22 m，對(duì)公交公司宿舍樓進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)。

盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿公交公司宿舍樓加固措施見圖3。

圖3 盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿公交公司宿舍樓加固措施(單位：mm)

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 模型概況

利用PLAXIS軟件建模計(jì)算，模型長(zhǎng)度方向?yàn)榻ㄖ蓚?cè)各60 m，寬度方向?yàn)槎軜?gòu)隧道左右兩側(cè)各60 m，豎直方向?yàn)槎軜?gòu)隧道底以下30 m，采用小應(yīng)變硬化(HSS)模型進(jìn)行計(jì)算。地層模型采用輻射型網(wǎng)格劃分方式，基坑輪廓及隧道外輪廓單元長(zhǎng)度按1.2 m控制，模型邊界單元長(zhǎng)度按6 m控制，模型單元數(shù)總計(jì)約19萬(wàn)?；迂Q向分4次開挖至基底，每次開挖至支撐底高程位置，盾構(gòu)區(qū)間縱向按照每次開挖1.2 m(管片幅寬)，施工至模型邊界位置。施工過(guò)程中，基坑周邊及現(xiàn)狀道路按照20 kPa超載考慮，計(jì)算地層參數(shù)見表1，模型見圖4。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

圖4 盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿公交公司宿舍樓計(jì)算模型

模擬計(jì)算的施工工序?yàn)椋孩倩臃植绞┕ぶ猎O(shè)計(jì)高程；②施工區(qū)間左線至加固段結(jié)束位置；③施工區(qū)間左線至模型邊界；④施工區(qū)間右線至加固段結(jié)束位置；⑤施工區(qū)間右線至模型邊界。

4.2 計(jì)算結(jié)果

(1)盾構(gòu)區(qū)間左線施工至加固段結(jié)束位置時(shí)，建筑物最大沉降值為9.66 mm，位于建筑物東側(cè)中北部，最大局部?jī)A斜0.55‰。

(2)盾構(gòu)區(qū)間左線施工至建筑物以外60 m位置時(shí)，建筑物最大沉降值為11.43 mm，位于建筑物東北角，最大局部?jī)A斜0.60‰。

(3)盾構(gòu)區(qū)間右線施工至加固段結(jié)束位置時(shí)，建筑物最大沉降值為13.73 mm，位于建筑物東側(cè)中北部，最大局部?jī)A斜0.78‰。

(4)盾構(gòu)區(qū)間右線線施工至建筑物以外60 m位置時(shí)，建筑物最大沉降值14.04 mm，位于建筑物東側(cè)中北部，最大局部?jī)A斜0.89‰。

各階段沉降結(jié)果見圖5。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿公交公司宿舍樓建筑沉降云圖

5 施工監(jiān)測(cè)情況

5.1 建筑物測(cè)點(diǎn)布置

在盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿建筑物期間對(duì)家屬樓沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍繞建筑物四周進(jìn)行布置，建筑物沿隧道掘進(jìn)方向臨近隧道一側(cè)設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，背離隧道一側(cè)設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6 公交公司宿舍樓監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

5.2 工后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

家屬樓臨近隧道一側(cè)沉降量大于遠(yuǎn)離隧道一側(cè)，建筑物整體向東傾斜。

盾構(gòu)區(qū)間左線穿過(guò)公交公司宿舍樓后，建筑物東側(cè)中北部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC-4沉降最大，沉降量為10.25 mm；盾構(gòu)區(qū)間右線穿過(guò)公交公司宿舍樓后，建筑物東側(cè)中北部監(jiān)測(cè)點(diǎn)JGC-4沉降最大，最終沉降量為11.68 mm；建筑物局部?jī)A斜0.87‰。

5.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

建筑物最終沉降比數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果略小，盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)掘進(jìn)采取針對(duì)性措施后，有效控制建筑物的沉降，保證建筑物安全。臨近隧道一側(cè)建筑物測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖7。

圖7 臨近隧道一側(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖7可知，建筑物沉降曲線的變化趨勢(shì)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本保持一致，盾構(gòu)通過(guò)后建筑物東側(cè)中北部沉降最大，引起此種變形規(guī)律的原因主要有：

①對(duì)于規(guī)則條形基礎(chǔ)建筑物中部的地基附加應(yīng)力最大，地基土層受到擾動(dòng)后，附加應(yīng)力大的區(qū)域引起的二次固結(jié)沉降相對(duì)較大；

②地鐵隧道與建筑物南側(cè)端墻最近距離約2 m，與北側(cè)端墻最近距離約0.6 m，盾構(gòu)掘進(jìn)期間建筑物北側(cè)基礎(chǔ)受到的擾動(dòng)相對(duì)更大。

6 結(jié)論

(1)富水砂層中相對(duì)隔水層較深時(shí)，為保證方案的經(jīng)濟(jì)、合理，往往采用懸掛式止水帷幕，基坑降水時(shí)不可避免影響基坑外的地下水，可能會(huì)帶來(lái)地層的附加固結(jié)沉降，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這一不利因素。

(2)盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)的關(guān)鍵工序，事故多發(fā)，尤其始發(fā)端存在既有建筑物、管線時(shí)，對(duì)加固方案要求較高。本工程推薦的“鋼套筒+地面3 m范圍凍結(jié)”方案能夠有效保證類似工程的施工安全；

(3)盾構(gòu)法雖然能有效控制地面沉降，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，但盾構(gòu)始發(fā)即開始側(cè)穿建筑物，掘進(jìn)參數(shù)處于摸索階段，風(fēng)險(xiǎn)較大，本工程采取的復(fù)合錨桿樁在施工前主動(dòng)加固建筑物，可有效控制建筑物沉降。