辛振省

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 工程簡(jiǎn)介

某地鐵區(qū)間隧道自A站向南經(jīng)過(guò)體育場(chǎng)南端附近，線路穿越北一環(huán)路向南前行，上行線長(zhǎng)2 895.747 m，下行線長(zhǎng)2 895.399 m，區(qū)間總長(zhǎng)5 791.146 m。工程由2臺(tái)Φ6250海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)施工，先后在上行線隧道和下行線隧道施工，盾構(gòu)從長(zhǎng)江路站北端頭井下井，掘進(jìn)至B站南端頭井。本區(qū)間先后穿越鳳凰花園小區(qū)公建-GJ04、鳳凰花園西區(qū)J-02#、鳳凰花園西區(qū)J-01#，最后從鳳凰花園西區(qū)G02旁穿過(guò)，詳見(jiàn)區(qū)間穿越鳳凰花園小區(qū)關(guān)系平面圖1和樓房實(shí)景圖2.本區(qū)間需連續(xù)下穿、旁穿鳳凰花園多棟高層住宅樓，穿越地層主要為②4中砂、②5粗砂、②6礫砂、②7圓礫、⑤1-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑥1全風(fēng)化千枚巖、⑥2強(qiáng)風(fēng)化千枚巖等。住宅樓樁基礎(chǔ)為夯擴(kuò)灌注樁，樁徑Φ0.5 m，樁長(zhǎng)約13.85 m。樁底距離設(shè)計(jì)隧道外徑頂最小距離為67 cm，距離盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)外徑距離為49 cm。盾構(gòu)隧道與樁基的位置關(guān)系如圖3所示。

2 施工力學(xué)計(jì)算分析

2.1 模型建立與施工力學(xué)模擬

針對(duì)勘察報(bào)告所提供的地質(zhì)資料參數(shù)和盾構(gòu)隧道與樓房的相對(duì)位置建立三維模型，如圖4所示，前兩棟樓房高度33 m，最后一棟樓房高度定為21 m，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為6.2 m，隧道管片厚度為300 mm，同步注漿按照20 mm厚度考慮，管片寬度為1.2 m。根據(jù)圣維南原理，為了使得邊界約束條件不對(duì)開(kāi)挖真實(shí)情況造成影響，土層模型要足夠大，兩側(cè)邊緣分別距離隧道外邊緣的距離均大于3倍的開(kāi)挖直徑，以便仿真計(jì)算完全依照現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿住宅樓的平面圖

圖2 樓房實(shí)景圖

為了詳細(xì)突出盾構(gòu)在開(kāi)挖推進(jìn)過(guò)程中的作用，整個(gè)仿真模擬過(guò)程從距離樓房邊緣30 m處開(kāi)始，分為穿越J-02#樓房前、下穿J-02過(guò)程中、下穿至J-02與J-01之間、下穿至J-01#樓下方、下穿至J-02與G02之間、盾構(gòu)完全穿過(guò)小區(qū)6個(gè)階段。同樣，第二條隧道開(kāi)挖也分為6個(gè)階段，這充分體現(xiàn)了盾構(gòu)下穿小區(qū)三棟樓房的完成過(guò)程中圍巖土體的力學(xué)場(chǎng)變化及樓房和樁基的變化情況。在此預(yù)測(cè)下穿小區(qū)樓群的過(guò)程中發(fā)生的地層地表位移及相關(guān)力學(xué)行為，以期為盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的設(shè)定提供參考，同時(shí)，也為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)和加固施工提供充分的依據(jù)，從而保證施工安全，做到加固有的放矢，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全、高效的目的。在模擬過(guò)程中，地層分布完全按照勘察報(bào)告提供的地層分布試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行。

圖3 盾構(gòu)隧道與樁基位置關(guān)系

圖4 盾構(gòu)下穿小區(qū)的三維數(shù)值模型

模型建立后，為各層土體附上其屬性，但此時(shí)的模型只是各層土體的堆積，不是現(xiàn)實(shí)中的原狀土體。在附彈性模型mode elastic后，在土體的自重作用下，土體自動(dòng)開(kāi)始固結(jié)沉降，形成原狀土體的應(yīng)力場(chǎng)。在這個(gè)過(guò)程中，地層形成的過(guò)程就已經(jīng)完成，但是，在模擬此過(guò)程時(shí)，模型會(huì)有下沉的位移和速度，為了得到開(kāi)挖引起的位移，必須清除地層壓實(shí)過(guò)程中形成的位移和單元位移速度，這樣不至于造成位移的疊加。清除位移和位移速度后，保存土體壓實(shí)過(guò)程中的應(yīng)力，至此就是現(xiàn)成原狀土體。此時(shí)進(jìn)行相關(guān)的施工仿真模擬得到的結(jié)果就是施工引起的變化，就是工程所需要的數(shù)據(jù)。

表1 材料參數(shù)表

為了使模擬的結(jié)果更加貼近事實(shí)，使模擬計(jì)算有一定的參考價(jià)值，本計(jì)算嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟進(jìn)行，即開(kāi)挖掘進(jìn)—安裝管片—同步注漿—二次補(bǔ)充注漿—開(kāi)挖掘進(jìn)。在此過(guò)程中，掌子面一直承受盾構(gòu)土艙和刀盤(pán)支撐壓力，地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取如表1所示。

2.2 施工力學(xué)模擬結(jié)果分析

綜合位移場(chǎng)分布如圖5所示，塑性區(qū)分布和地表及樓房位移如圖6所示，樁基應(yīng)力場(chǎng)分布如圖7所示，樓房下邊緣模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度曲線如圖8所示。

通過(guò)三維數(shù)值計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：①?gòu)乃苄詤^(qū)發(fā)展情況來(lái)看，隧道周邊一定范圍受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響，會(huì)發(fā)生破壞。對(duì)于樓房下方，由于地層附加應(yīng)力比較大，受隧道開(kāi)挖的影響，應(yīng)力松弛比較快，破壞區(qū)會(huì)有一定的發(fā)展，但一般均在隧道通過(guò)的臨近單元下方地基范圍內(nèi)發(fā)展。②從整個(gè)過(guò)程的位移場(chǎng)分布來(lái)看，隧道通過(guò)地層的位移場(chǎng)分布非常明顯，地層最大位移量為30 mm，發(fā)生在隧道正上方2～5 m的土層范圍內(nèi)，如果及時(shí)足量地同步注漿、二次補(bǔ)充注入雙液漿，最終的樁基沉降可以控制在10 mm以內(nèi)。受群樁效應(yīng)的影響（本計(jì)算按照大承臺(tái)方案考慮），最終的房屋最大沉降約為8 mm；單從地表沉降規(guī)律分析，其基本上屬于規(guī)律的波浪形，樓房的前后沉降比較大，樓房地基沉降比較小。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道穿越處房屋沉降明顯，會(huì)發(fā)生傾斜，傾斜度可能達(dá)到0.15%左右。由于“鞭梢效應(yīng)”，房頂處向著隧道開(kāi)挖方向的位移明顯，位移速度比基礎(chǔ)要快，在施工過(guò)程中應(yīng)該重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。③由開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度監(jiān)測(cè)分析來(lái)看，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都是收斂的，不會(huì)發(fā)生持續(xù)位移，不會(huì)給房屋帶來(lái)塌陷的危險(xiǎn)。樓房下邊緣模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度曲線基本都有2個(gè)波峰，分別受左右雙線二次開(kāi)挖的影響，G02樓房主要受左線的影響，最快位移速度發(fā)生在G02樓房最靠近隧道開(kāi)挖側(cè)的樓頂位置，但這樣的速度持續(xù)時(shí)間有限，最終的沉降在12 mm以內(nèi)。④從應(yīng)力分布情況來(lái)看，對(duì)于隧道正上方的樁基，由于開(kāi)挖破壞了樁體的端承基礎(chǔ)，樁基的卸載效應(yīng)明顯，但是，鄰近樁基承載力迅速加大來(lái)承擔(dān)被卸載樁基的荷載，樓房下方管片應(yīng)力會(huì)明顯增加。⑤樓房下穿所造成的基礎(chǔ)位移明顯大于側(cè)穿產(chǎn)生的基礎(chǔ)位移，同時(shí)，樓房會(huì)發(fā)生不均勻沉降。

3 施工建議措施

由數(shù)值計(jì)算過(guò)程中各個(gè)力學(xué)場(chǎng)變化的過(guò)程分析，特對(duì)施工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題提出相應(yīng)的解決措施：①準(zhǔn)確計(jì)算土壓力（本計(jì)算設(shè)置的掌子面壓力為1.8～1.9 bar），按照計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整。②減少超挖，及時(shí)足量同步注漿，在不影響堵管的前提下盡量縮短凝固時(shí)間。漿液的初凝時(shí)間調(diào)整為3 h以內(nèi)，同時(shí)，二次補(bǔ)充注漿要及時(shí)跟進(jìn)并采用雙液漿。在此要注意的是，二次注漿位置在不影響盾尾刷止水的情況下要盡量提前。根據(jù)同步漿液初凝時(shí)間和盾構(gòu)掘進(jìn)速度，二次注漿宜在盾尾管片后第5環(huán)到第10環(huán)的位置。同步注漿和二次注漿都采用注漿量和注漿壓力同時(shí)控制的注漿方法，這樣做的主要目的是減少超挖造成的沉降傳向基礎(chǔ)，同時(shí)，增大樁周土體的強(qiáng)度，以增大摩擦力。③配合好螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和油缸拖進(jìn)速度以及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，主要觀察土艙背板最上方的土壓力計(jì)的讀數(shù)，因?yàn)橐坏┏鐾凛^快，最上方的土壓力計(jì)最先有反應(yīng)。同時(shí)，在下穿房屋的過(guò)程中，要嚴(yán)格控制出土量。④及時(shí)、高頻率監(jiān)測(cè)。在盾構(gòu)距離到達(dá)房屋前10 m和穿過(guò)后10 m以內(nèi)的下穿階段，每隔0.5 h監(jiān)測(cè)一次，樓房頂部應(yīng)該布置足量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這樣易于監(jiān)測(cè)和分析傾斜的發(fā)生以及樓房頂部的位移。

采取上述施工措施后，盾構(gòu)最終安全下穿整個(gè)住宅小區(qū)，最終監(jiān)測(cè)房屋最大沉降量為11 mm，滿足規(guī)范要求。

圖5 綜合位移場(chǎng)分布/m

圖6 塑性區(qū)分布和地表及樓房位移/m

圖7 樁基應(yīng)力場(chǎng)分布圖/Pa

圖8 樓房下邊緣模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度曲線

4 結(jié)論

在盾構(gòu)超近距離下穿建筑物樁基的施工過(guò)程中，推進(jìn)的各種參數(shù)都是彼此聯(lián)系的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)認(rèn)真分析研究并加以控制，比傳統(tǒng)注漿加固更重要。

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，二次注漿位置在盾尾5環(huán)左右的距離能有效控制地層位移。在盾構(gòu)近距離下穿樁基礎(chǔ)，特別是端承型群樁基礎(chǔ)的過(guò)程中，只有開(kāi)挖面正上方的樁基應(yīng)力釋放明顯，其他樁基應(yīng)力釋放并不明顯。