盾構(gòu)隧道下穿復(fù)雜建筑物變形分析及控制措施

何 況

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司, 450018, 鄭州∥正高級(jí)工程師)

0 引 言

目前,越來(lái)越多的地鐵施工項(xiàng)目面臨穿越多層房屋等建筑物問(wèn)題,由地鐵施工帶來(lái)的地層擾動(dòng)會(huì)引起地基及其基礎(chǔ)的應(yīng)力重分布和變形,若控制不當(dāng),則會(huì)引發(fā)房屋傾斜和損壞等后果。近年來(lái),已有相關(guān)研究人員對(duì)此開展了分析研究。文獻(xiàn)[1]以南京市緯三路過(guò)江通道工程S線大直徑泥水盾構(gòu)下穿民房建筑群為例,采用三維數(shù)值計(jì)算對(duì)盾構(gòu)施工主要影響區(qū)的影響范圍和沉降量進(jìn)行了理論預(yù)測(cè),并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出了相應(yīng)的沉降控制措施。文獻(xiàn)[2]以南通軌道交通1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間下穿老舊居民區(qū)為例,基于現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析盾構(gòu)施工對(duì)既有鄰近建筑基礎(chǔ)沉降的影響。文獻(xiàn)[3-4]以呼和浩特地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道施工為例,采用三維有限元軟件MIDAS GTS對(duì)盾構(gòu)隧道下穿砌體結(jié)構(gòu)住宅群進(jìn)行數(shù)值模擬,分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的影響。以上文獻(xiàn)對(duì)老舊房屋的施工分析較少,而老舊房屋往往存在結(jié)構(gòu)老化、拆改嚴(yán)重等問(wèn)題,當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)穿越時(shí),其施工難度更高,控制措施更為復(fù)雜,具有較大的施工挑戰(zhàn)性。

鑒于此,本文以鄭州地鐵5號(hào)線為例,針對(duì)線路某盾構(gòu)區(qū)間下穿老舊多層房屋建筑過(guò)程中存在的施工風(fēng)險(xiǎn)及問(wèn)題,通過(guò)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)受力及其變形情況進(jìn)行理論分析和仿真模擬,提出了盾構(gòu)下穿影響范圍內(nèi)房屋的加固措施和變形控制標(biāo)準(zhǔn)。此外,本文結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)差異沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù),對(duì)比驗(yàn)證了所提施工控制措施的有效性。本文研究可以為后續(xù)盾構(gòu)下穿老舊房屋工程項(xiàng)目提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

鄭州地鐵5號(hào)線某區(qū)間項(xiàng)目縱向穿越2棟住宅樓和1棟綜合樓,房屋基礎(chǔ)底至隧道頂部的地層從上至下依次為雜填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土。地層主要參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道直徑約為6.2 m,雙線隧道間距約為9.5～11.0 m。

表1 地層主要參數(shù)

1.2 周邊房屋現(xiàn)狀

地鐵隧道縱向穿越的3棟房屋均為底層砌體剪力墻結(jié)構(gòu),上部為砌體結(jié)構(gòu),為20世紀(jì)80年代初建造,結(jié)構(gòu)老舊,其一樓臨街房存在拆改現(xiàn)象。2棟住宅樓均為5層建筑,其基礎(chǔ)形式為條形剛性擴(kuò)展基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深為1.9 m;1棟綜合樓為4層建筑,其基礎(chǔ)形式為條形鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深為1.6 m。結(jié)構(gòu)自身抗擾動(dòng)性能較差。此外,由于底部商鋪對(duì)墻體進(jìn)行了改造,部分房屋外觀存在明顯的裂縫和歪斜現(xiàn)象,大大增加了地鐵盾構(gòu)穿越的安全性風(fēng)險(xiǎn)。地鐵盾構(gòu)隧道與房屋的位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道與房屋的位置關(guān)系示意圖

1.3 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

1) 建筑為淺基礎(chǔ)砌體結(jié)構(gòu)房屋,對(duì)差異沉降的敏感性較大,地鐵盾構(gòu)下穿施工具有較大的安全性風(fēng)險(xiǎn),對(duì)房屋結(jié)構(gòu)差異沉降的合理控制具有較高的要求。

2) 房屋經(jīng)過(guò)改造,拆除了部分結(jié)構(gòu)橫墻。尤其對(duì)于綜合樓而言,其承重橫梁為簡(jiǎn)支梁,梁支座為磚砌體壁柱,部分壁柱和全部壁柱間窗下縱墻全部拆除改作臨街商鋪,進(jìn)一步削弱了房屋結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,建筑橫向剛度和縱向剛度均極差。此外,拆改后的建筑存在外觀歪斜、外墻出現(xiàn)裂縫等情況,受力情況非常復(fù)雜。

3) 房屋距離盾構(gòu)始發(fā)井距離較近,且盾構(gòu)直接下穿或側(cè)穿既有建筑時(shí),盾構(gòu)隧道進(jìn)出洞施工風(fēng)險(xiǎn)與掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)疊加,施工控制難度較大。

4) 地鐵隧道主要位于雜填土和砂質(zhì)粉土地層,該地層具有搖振反應(yīng)迅速、干強(qiáng)度低、韌性低等特點(diǎn),地基承載力差,抗干擾能力較弱。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 建筑物變形機(jī)理分析

地鐵盾構(gòu)下穿建筑物時(shí),對(duì)建筑物產(chǎn)生變形影響的原因主要是由于盾構(gòu)施工引起地層損失,對(duì)建筑物基礎(chǔ)底部地層造成擾動(dòng),同時(shí)引起地層產(chǎn)生彈塑性變形,使得建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,進(jìn)而導(dǎo)致建筑物發(fā)生變形[5]。本文對(duì)地基-條形基礎(chǔ)-砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,建筑物與地面沉降坐標(biāo)系示意圖如圖2所示,建筑物簡(jiǎn)化模型計(jì)算示意圖如圖3所示。原點(diǎn)O′建在盾構(gòu)開挖面的正上方地面處,地面沉降坐標(biāo)系為s′(i)O′i,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向與i軸指向一致,s′(i)為i點(diǎn)的地面變形量;原點(diǎn)O建在建筑物左端地面處,建筑物位移坐標(biāo)系為s(x)Ox,建筑物的左端O點(diǎn)與O′點(diǎn)之間的水平距離為l(開挖面未到達(dá)建筑物時(shí)l為正),令建筑物長(zhǎng)度為1,建筑物某位置處的沉降為s(x),其對(duì)應(yīng)的地面變形為s′(i+x)。

圖2 建筑物與地面沉降坐標(biāo)系示意圖

圖3 建筑物簡(jiǎn)化模型計(jì)算示意圖

根據(jù)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)作用,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)離軸線橫向的距離為0時(shí)(盾構(gòu)正下穿建筑物),根據(jù)彈性地基上剪彎梁的撓度曲線方程,可求得建筑物的沉降為:

(1)

Vloss=πR2η

(2)

式中:

E——基礎(chǔ)梁彈性模量,單位GPa;

I——基礎(chǔ)梁慣性矩,單位m4;

k——地基基床系數(shù),單位kN/m3;

q——上部建筑物作用于地基的豎向荷載,單位kN/m2;

Vloss——地層損失體積,單位m3/m;

h——隧道軸線埋深,單位m;

R——盾構(gòu)機(jī)開挖直徑,單位m;

η——土體損失率,單位%;

L——盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度,單位m。

根據(jù)下穿建筑物結(jié)構(gòu)形式及現(xiàn)狀,取E=30 GPa,I=(0.853/12)m4,L=6 m,q=400 kN/m2,R=2.8 m,代入式(1)—式(2)可得,在盾構(gòu)開挖面距離建筑物由40 m減小至0的過(guò)程中, 3棟樓的最大沉降值為12.3 mm,最大差異沉降值為10.0 mm。

2.2 地面沉降引起建筑變形影響因素分析

盾構(gòu)掘進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)開挖過(guò)程,會(huì)引起一定范圍內(nèi)的土體損失,盾構(gòu)造成的地面沉降變形槽為三維沉降槽[6]。這說(shuō)明在盾構(gòu)開挖面未到達(dá)建筑物地基時(shí),地面變形已對(duì)建筑物產(chǎn)生影響。根據(jù)Peck沉降曲線可知,地面沉降量與開挖面的距離相關(guān),因此建筑物整體會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降,從而改變建筑物原有的支撐狀態(tài)及外力條件,最終導(dǎo)致建筑物變形破壞。一般外力條件主要分為以下幾種:① 盾尾間隙會(huì)導(dǎo)致地層應(yīng)力釋放,引起地層發(fā)生彈塑性變形而產(chǎn)生沉降,進(jìn)而改變建筑物受力狀態(tài),引起建筑物沉降變形;② 盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)擾動(dòng)原有土體的物理力學(xué)參數(shù),進(jìn)而改變其受力特性,導(dǎo)致土體再次發(fā)生沉降變形,造成建筑物因不均勻沉降產(chǎn)生變形;③ 盾構(gòu)機(jī)開挖面出土率是控制地面變形的關(guān)鍵,其決定了地層損失的大小及開挖面的平衡狀態(tài),控制地面產(chǎn)生的豎向變形值,進(jìn)而影響建筑物變形。

2.3 建筑物的變形計(jì)算及控制標(biāo)準(zhǔn)

建筑物節(jié)點(diǎn)(如地基梁)變形會(huì)引起自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力(即節(jié)點(diǎn)變形會(huì)導(dǎo)致超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力,如彎矩、剪力等),在保證結(jié)構(gòu)不破壞的前提下,結(jié)構(gòu)變形極值對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)臨界破壞內(nèi)力值。為求得該臨界值,將砌體結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行簡(jiǎn)化,為便于計(jì)算,取建筑物的一個(gè)開間進(jìn)行力學(xué)模型等效,最后簡(jiǎn)化為3次超靜定框架結(jié)構(gòu),并采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。

由于簡(jiǎn)化后的建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)對(duì)稱、位移反對(duì)稱,取結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后的力學(xué)計(jì)算模型如圖4所示。結(jié)構(gòu)橫桿長(zhǎng)L1取開間寬度,為3.30 m;結(jié)構(gòu)彈性模量取為27.4 GPa;豎桿長(zhǎng)L2取開間高度,為3.14 m;橫桿截面尺寸為0.24 m(寬)×0.30 m(高),豎桿截面尺寸為0.24 m(寬)×0.24 m(長(zhǎng))。經(jīng)計(jì)算可得,當(dāng)結(jié)構(gòu)A節(jié)點(diǎn)發(fā)生豎向位移時(shí),各節(jié)點(diǎn)彎矩值均約為670 kNm,豎桿軸力約為406 kN。

注:X1為節(jié)點(diǎn)C處的剪力;Δ為A節(jié)點(diǎn)處的位移量。

為保證建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)力不超過(guò)其自身承載能力,在結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的前提下,根據(jù)結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算其不均勻沉降值。根據(jù)GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,結(jié)構(gòu)極限抗壓強(qiáng)度取1.5 MPa。按照結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度反算建筑物節(jié)點(diǎn)(即地基梁)的沉降控制值,最終計(jì)算得出建筑物節(jié)點(diǎn)(即地基梁)結(jié)構(gòu)的不均勻沉降值需要控制在5 mm范圍內(nèi)才能保證建筑物不發(fā)生破壞。

3 盾構(gòu)下穿建筑物變形數(shù)值分析

3.1 下穿施工數(shù)值模型

3.1.1 計(jì)算模型參數(shù)

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的地質(zhì)詳勘報(bào)告和工程條件建立數(shù)值模型?？紤]模型邊界效應(yīng)的影響,模型x方向?qū)?70 m,y方向長(zhǎng)100 m,z方向高30 m。隧道及房屋主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。盾構(gòu)隧道管片采用板單元模擬,房屋基礎(chǔ)采用實(shí)體單元模擬,房屋墻體采用板單元模擬,樓板采用板單元模擬,圈梁采用梁?jiǎn)卧M。盾構(gòu)下穿建筑物網(wǎng)格模型如圖5所示。

a) 整體模型

表2 隧道及房屋主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1.2 模型分析工況

本工程采用盾構(gòu)施工,按環(huán)推進(jìn),按環(huán)拼裝。若按照實(shí)際工序模擬計(jì)算,需建立360個(gè)分析步序,計(jì)算工作量大且難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以往工程模擬經(jīng)驗(yàn),在充分考慮施工工序的情況下,將分析步進(jìn)行簡(jiǎn)化。以盾構(gòu)隧道每向前掘進(jìn)20 m為1個(gè)施工工況,共設(shè)置28個(gè)施工工況,其中工況1—工況14為右線隧道掘進(jìn),工況15—工況20為左線隧道掘進(jìn),選取其中的關(guān)鍵工序進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

模擬盾構(gòu)隧道施工下穿既有建筑物的施工工況,分別選擇掘進(jìn)面穿越相應(yīng)建筑物時(shí),建筑物的變形結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2.1 23#樓變形結(jié)果

根據(jù)隧道掘進(jìn)過(guò)程,當(dāng)掘進(jìn)面穿越23#樓,右線隧道穿越時(shí)主要選取工況1～6進(jìn)行研究,左線隧道穿越時(shí)主要選取工況15～20進(jìn)行研究。當(dāng)右線隧道穿越23#樓時(shí),建筑物最大沉降值為12.57 mm,出現(xiàn)在工況5,最大差異沉降值為10.55 mm,出現(xiàn)在工況4;當(dāng)左線隧道穿越23#樓時(shí),建筑物最大沉降值為14.55 mm,最大差異沉降值為12.58 mm,均出現(xiàn)在工況15。3種工況下,盾構(gòu)穿越23#樓的建筑物變形云圖如圖6所示。

a) 工況4

不同工況下,盾構(gòu)穿越23#樓的差異沉降值如圖7所示。由圖7可知:在右線掘進(jìn)過(guò)程中,掘進(jìn)面穿越23#樓時(shí),建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進(jìn)面離開建筑物基礎(chǔ)影響范圍后保持穩(wěn)定,最大差異沉降值為12.57 mm;在左線掘進(jìn)過(guò)程中,掘進(jìn)面穿越23#樓時(shí),建筑物的差異沉降值逐漸減小,在掘進(jìn)面離開建筑物基礎(chǔ)影響范圍后保持穩(wěn)定,差異沉降穩(wěn)定值約為6.00 mm。

圖7 不同工況下盾構(gòu)穿越23#樓的差異沉降值

3.2.2 11#樓變形結(jié)果

根據(jù)隧道掘進(jìn)過(guò)程,當(dāng)掘進(jìn)面穿越11#樓,右線隧道穿越時(shí)主要選取工況6～11進(jìn)行研究,左線隧道穿越時(shí)主要選取工況20～25進(jìn)行研究。當(dāng)右線隧道穿越11#樓時(shí),建筑物最大沉降值為13.65 mm,出現(xiàn)在工況10,最大差異沉降值為13.02 mm,出現(xiàn)在工況8;當(dāng)左線隧道穿越11#樓時(shí),建筑物最大沉降值為13.35 mm,最大差異沉降值為7.65 mm,出現(xiàn)在工況20。3種工況下,盾構(gòu)穿越11#樓的建筑物變形云圖如圖8所示。

a) 工況8

不同工況下,盾構(gòu)穿越11#樓的差異沉降值如圖9所示。由圖9可知:在右線掘進(jìn)過(guò)程中,掘進(jìn)面穿越11#樓時(shí),建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進(jìn)面離開建筑物基礎(chǔ)影響范圍后保持穩(wěn)定,最大差異沉降值為13.65 mm;在左線掘進(jìn)過(guò)程中,掘進(jìn)面穿越11#樓時(shí),建筑物的差異沉降值逐漸減小,在掘進(jìn)面離開建筑物基礎(chǔ)影響范圍后保持穩(wěn)定,差異沉降穩(wěn)定值約為7.64 mm。此外,曲線在工況8時(shí)出現(xiàn)突變,差異沉降值減小,這是由于盾構(gòu)掘進(jìn)方向在此處轉(zhuǎn)彎,盾構(gòu)隧道軸線與建筑物走向中線水平距離減小,導(dǎo)致建筑物軸線兩側(cè)的基礎(chǔ)差異沉降也同步減小。

圖9 不同工況下盾構(gòu)穿越11#樓的差異沉降值

3.2.3 綜合樓變形結(jié)果

根據(jù)隧道掘進(jìn)過(guò)程,當(dāng)掘進(jìn)面穿越綜合樓,右線隧道穿越時(shí)主要選取工況9～14進(jìn)行研究,左線隧道穿越時(shí)主要選取工況23～28進(jìn)行研究。當(dāng)右線隧道穿越綜合樓時(shí),建筑物最大沉降值為10.73 mm,最大差異沉降值為10.80 mm,均出現(xiàn)在工況12;當(dāng)左線隧道穿越綜合樓時(shí),建筑物最大沉降值為10.60 mm,最大差異沉降值為10.76 mm,均出現(xiàn)在工況23。2種工況下,盾構(gòu)穿越綜合樓建筑物變形云圖如圖10所示。

工況12

不同工況下,盾構(gòu)穿越綜合樓的差異沉降值如圖11所示。由圖11可知:在右線掘進(jìn)過(guò)程中,掘進(jìn)面穿越綜合樓時(shí),建筑物的差異沉降值急劇增大,在掘進(jìn)面離開建筑物基礎(chǔ)影響范圍后保持穩(wěn)定,最大差異沉降值為10.80 mm;在左線掘進(jìn)過(guò)程中,建筑物的差異沉降值基本不變,維持在10.20 mm左右,這是由于綜合樓南端與左線隧道間距為50 m,

圖11 不同工況下盾構(gòu)穿越綜合樓的差異沉降值

盾構(gòu)隧道在基礎(chǔ)影響范圍之外,基本不受盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的擾動(dòng)。

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)各工況的數(shù)值模擬可以看出:隧道掘進(jìn)面距建筑物基礎(chǔ)距離大于10 m時(shí),隧道掘進(jìn)對(duì)建筑物基礎(chǔ)基本無(wú)影響;隨著隧道掘進(jìn)面的推進(jìn),建筑物的沉降逐漸增大,然后隨著隧道掘進(jìn)面的遠(yuǎn)離,建筑物沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,基底下的應(yīng)力擴(kuò)散角一般取22°,當(dāng)土層為密實(shí)性的粗砂、中砂及硬塑狀態(tài)的黏土?xí)r,應(yīng)力擴(kuò)散角取30°。根據(jù)本區(qū)間的地質(zhì)資料,區(qū)間下穿房屋段,建筑物基底所在土層為②-31砂質(zhì)粉土層,盾構(gòu)所在土層為②-32黏質(zhì)粉土層。兩層土體的壓縮模量比小于3,基底距離隧道底部的覆土厚度與建筑物基礎(chǔ)寬度的比值大于0.5,擴(kuò)散角度為23°,則經(jīng)過(guò)計(jì)算可得,建筑物基礎(chǔ)的擴(kuò)散影響半徑為5.6 m。當(dāng)盾構(gòu)隧道區(qū)間距離建筑物5.6 m時(shí),開始進(jìn)入建筑物的基礎(chǔ)易擾動(dòng)影響范圍區(qū)域。建筑物兩側(cè)約1倍洞徑范圍內(nèi)均為基礎(chǔ)擾動(dòng)敏感區(qū)域。

根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,砌體承重結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)局部?jī)A斜率為0.002,即砌體承重結(jié)構(gòu)建筑物橫墻沉降差與橫墻間距離的比值。對(duì)于本工程,橫墻間距的最小值為3 300 mm,即允許的差異沉降限值應(yīng)為6.60 mm,小于數(shù)值計(jì)算得到的最大差異沉降值,不能滿足規(guī)范規(guī)定的沉降差要求,同時(shí)也不滿足建筑房屋沉降控制標(biāo)準(zhǔn)5.00 mm的要求。由于建筑物年代久遠(yuǎn)且建筑結(jié)構(gòu)老化,在使用期間拆改現(xiàn)象較嚴(yán)重,其整體抗變形能力較差,盾構(gòu)下穿具有較大的風(fēng)險(xiǎn),因此在下穿過(guò)程中需采取相應(yīng)的施工措施、地層加固措施和建筑物加固措施,以保證既有建筑物的安全。

4 盾構(gòu)下穿復(fù)雜建筑物地面變形控制措施

4.1 監(jiān)控量測(cè)

在盾構(gòu)下穿期間,通過(guò)自動(dòng)化、數(shù)字化的監(jiān)測(cè)手段,對(duì)建筑物進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算,保證盾構(gòu)在穿越建筑物期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。該工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)周期為6個(gè)月,人工監(jiān)測(cè)周期為8個(gè)月。為提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,應(yīng)定期對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí),應(yīng)采取措施及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)和校核,以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2 施工及加固措施

砌體房屋基礎(chǔ)的不均勻沉降是砌體房屋產(chǎn)生裂縫的最主要原因,施工過(guò)程中需盡可能減小地面沉降。為了控制沉降,主要的施工控制措施有:

1) 調(diào)整施工順序。右線區(qū)間掘進(jìn)100 m后,左線再進(jìn)行始發(fā),避免盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)建筑物產(chǎn)生連續(xù)擾動(dòng),以減小建筑物基礎(chǔ)的差異沉降。

2) 盾構(gòu)參數(shù)控制。通過(guò)試掘進(jìn)調(diào)整和優(yōu)化推進(jìn)壓力、出土量和掘進(jìn)速度等施工參數(shù),配合監(jiān)測(cè)信息,嚴(yán)格控制地層擾動(dòng)。

3) 注漿加固。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,利用盾體預(yù)留的徑向注漿孔在盾構(gòu)殼體外同步進(jìn)行克泥效注漿,達(dá)到填充和止水的目的。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明地面沉降仍較大,則進(jìn)行二次注漿,填充隧道壁后的建筑空隙。

4) 防止漏漿。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的盾構(gòu)姿態(tài)不良易造成盾尾處漏漿,引起地面沉降。因此在盾構(gòu)下穿建筑物期間,確保盾構(gòu)推進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線相吻合,盾尾四周間隙均勻,避免蛇形及俯仰;通過(guò)加大盾尾油脂壓注量來(lái)防止?jié){液通過(guò)盾尾流失;采用性能較好的盾尾油脂。

5) 房屋加固。一層壁柱采用混凝土圍套加固;二層梁格構(gòu)式鋼梁加固。在永久加固施工完成前,為保障加固過(guò)程中及后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)樓體的穩(wěn)定性,需在各圈梁下部增加臨時(shí)支撐。

4.3 沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

歷時(shí)約75 d,該區(qū)間實(shí)現(xiàn)了雙線貫通,在此期間共開展了45次監(jiān)測(cè)工作。沿隧道掘進(jìn)方向布置30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為5 m。建筑物差異沉降變化曲線如圖12所示。由圖12可知:① 在盾構(gòu)下穿23#樓期間,對(duì)23#樓的沉降影響較大,最大差異沉降值為5.80 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構(gòu)側(cè)穿23#樓期間,23#樓的差異沉降逐漸減小,在側(cè)穿隧道掘進(jìn)面離開23#樓基礎(chǔ)影響范圍后,差異沉降穩(wěn)定值約為1.80 mm。② 在盾構(gòu)下穿11#樓期間,對(duì)11#樓的沉降影響較大,11#樓最大差異沉降值為5.30 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構(gòu)隧道側(cè)穿11#樓期間,11#樓的差異沉降逐漸減小,在側(cè)穿隧道掘進(jìn)面脫離11#樓基礎(chǔ)影響范圍后,其差異沉降穩(wěn)定值約為2.30 mm。③ 在盾構(gòu)下穿綜合樓期間,最大差異沉降值為5.50 mm(控制值為5.00 mm)。在盾構(gòu)側(cè)穿綜合樓期間,盾構(gòu)施工對(duì)綜合樓影響較小,最大差異沉降值為5.30 mm。結(jié)合工況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可得,在盾構(gòu)下穿及側(cè)穿建筑物期間,由于下穿影響,建筑物的差異沉降值急劇增大;由于側(cè)穿隧道距綜合樓較遠(yuǎn),側(cè)穿對(duì)綜合樓的影響較小,差異沉降穩(wěn)定值約為4.00 mm。

圖12 建筑物差異沉降變化曲線

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,建筑物差異沉降逐漸趨于穩(wěn)定,部分測(cè)點(diǎn)達(dá)到數(shù)據(jù)預(yù)警狀態(tài)。但總體來(lái)看,建筑物差異沉降值基本位于控制值范圍內(nèi)。與計(jì)算模擬結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),采取加固措施后的監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯低于采取措施前的計(jì)算結(jié)果,保證了盾構(gòu)下穿施工期間建筑物的安全,驗(yàn)證了施工中所采取的加固措施的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以鄭州地鐵5號(hào)線盾構(gòu)下穿復(fù)雜建筑物為例進(jìn)行分析研究。該工程項(xiàng)目的盾構(gòu)下穿施工存在地層敏感度高、建筑物拆改嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差及存在安全隱患等問(wèn)題。本文在對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)受力分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算了盾構(gòu)施工可能引起的建筑物沉降值,提出差異沉降控制限制。對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),有必要對(duì)房屋采取加固措施。通過(guò)施工過(guò)程中建筑物受力的仿真分析,研究了建筑物在施工過(guò)程中的受力狀態(tài),并設(shè)計(jì)了針對(duì)性的加固措施。加固后,建筑物的差異沉降基本滿足控制限值要求,驗(yàn)證了施工中所采取的加固措施的有效性。