余濤

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

0 引言

盾構(gòu)法以其對(duì)環(huán)境影響小、工作效率高、機(jī)械自動(dòng)化程度高以及地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］，已成為地鐵隧道主要修筑工法。掌子面掘進(jìn)壓力和同步注漿壓力是盾構(gòu)施工中兩項(xiàng)非常重要的控制指標(biāo)，掘進(jìn)壓力與前艙進(jìn)土量、螺旋機(jī)出土量及艙壓控制密切相關(guān)［2］，同步注漿壓力則關(guān)系到漿液填充效果，進(jìn)而影響因地層擾動(dòng)、超挖引起的地層變形［3］，兩者對(duì)地表和地面建筑沉降的影響目前已有較多分析研究［4-6］，而將兩者的作用在同一工程中進(jìn)行比較的分析較少。

隨著城市地鐵線網(wǎng)的逐漸加密，盾構(gòu)區(qū)間有時(shí)不可避免的會(huì)穿越房屋密集區(qū)域。房屋不同的基礎(chǔ)形式及與隧道不同的位置關(guān)系，對(duì)盾構(gòu)施工也會(huì)有不同的響應(yīng)程度，這是采取針對(duì)性處理措施的關(guān)鍵依據(jù)。

而對(duì)于無(wú)法避開且無(wú)法拆除的樁基房屋通常會(huì)進(jìn)行洞內(nèi)截樁處理，截樁前需要進(jìn)行地基地層加固或基礎(chǔ)托換，以減小對(duì)房屋的影響，保證安全［7］。而在房屋密集區(qū)域往往無(wú)空間使用新建樁基托換原樁基，只能選用筏板基礎(chǔ)。在減小盾構(gòu)施工對(duì)房屋造成的影響方面，兩種處理方法各自的效果如何、是否有必要同時(shí)實(shí)施，是工程中必須研究的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)東莞地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)隧道在下穿一處密集房屋群時(shí)的三維有限元模擬，分析了在不同掘進(jìn)壓力和不同盾尾同步注漿壓力下，盾構(gòu)施工對(duì)地表和建筑物的影響規(guī)律，以及對(duì)截樁的房屋采取地基加固和筏板基礎(chǔ)托換的處理效果，以期對(duì)類似盾構(gòu)隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的借鑒、參考。

1 工程概況

東莞地鐵1 號(hào)線某段隧道采用盾構(gòu)法（土壓平衡盾構(gòu)機(jī)）下穿一處密集的房屋建筑群，房屋均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式有樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)3 類，隧道與房屋群關(guān)系如圖1 所示，其中6#房屋基礎(chǔ)樁侵入隧道內(nèi)，盾構(gòu)通過(guò)前對(duì)其進(jìn)行地基加固和基礎(chǔ)托換，并先后進(jìn)行2次洞內(nèi)截樁。

此段隧道覆土厚度為18 m，隧道凈距為6.3 m，盾構(gòu)管片采用C50 鋼筋混凝土，外徑為6.7 m，管片寬度為1.5 m、厚度為0.35 m。隧道上覆地層依次為素填土、粉質(zhì)黏土（硬塑）、砂質(zhì)黏性土（可塑），隧道所處地層為全風(fēng)化混合花崗巖，下臥地層為土狀強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化混合花崗巖。

圖1 隧道與房屋群平面關(guān)系Fig.1 Plane Relationship between Tunnel and Building Group

2 盾構(gòu)隧道三維有限元模擬

2.1 計(jì)算假定和必要簡(jiǎn)化

⑴ 有限元分析無(wú)法對(duì)盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行模擬，必須將其簡(jiǎn)化為跳躍式掘進(jìn)模式，每步推進(jìn)長(zhǎng)度以一環(huán)管片寬度為單位。

⑵ 盾構(gòu)管片是環(huán)向分塊、縱向分環(huán)，通過(guò)環(huán)、縱向螺栓連在一起的結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模型本文采用進(jìn)行了一定剛度折減的均值體等效模擬，橫向剛度折減系數(shù)取0.7，由于管片縱向上主要承受盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)反力，故縱向剛度不折減［8］。

⑶ 盾構(gòu)對(duì)隧道周圍土體的擾動(dòng)、周圍土體向盾尾空隙擠壓作用及盾尾同步注漿效應(yīng)，通過(guò)設(shè)置“等代層”及改變“等代層”材料參數(shù)來(lái)模擬，其厚度δ =η A（A為計(jì)算的盾尾空隙，即盾構(gòu)機(jī)外徑與管片外徑差值的一半；η 為系數(shù)，其取值范圍一般為0.7～2.0［6］，地質(zhì)越好取值越小，反之越大）。

⑷ 計(jì)算時(shí)在盾構(gòu)作業(yè)開挖面上施加表面壓力，以模擬盾構(gòu)刀盤推進(jìn)力對(duì)掌子面土體的支撐作用。

⑸ 為了便于建模分析，本文還對(duì)模型進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：盾構(gòu)機(jī)體是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，其最薄弱部位是盾尾，本文將其簡(jiǎn)化為一個(gè)具有較大剛度的殼體模型，使地層在盾殼支護(hù)下開挖而不產(chǎn)生有害變形；忽略盾構(gòu)機(jī)自重的影響，忽略盾構(gòu)殼體和圍巖間的摩阻力；設(shè)地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；不考慮隧道縱向坡度。

2.2 計(jì)算模型

利用Midas GTS 建立有限元三維模型，為了減小邊界約束對(duì)計(jì)算精度的影響，一般模型邊界橫向取至隧道埋深3～5倍的范圍，豎向取至隧道底部以下3～5倍洞徑范圍［3］。綜合各因素考慮，本文將計(jì)算模型尺寸取為長(zhǎng)116 m×寬102 m×高46 m（見圖2、圖3），模型四周和底面分別施加各自的法向約束，頂面為自由面。地層采用摩爾庫(kù)倫模型，盾構(gòu)管片、房屋結(jié)構(gòu)及注漿加固體均采用彈性模型，地層與地下結(jié)構(gòu)單元耦合并符合變形協(xié)調(diào)。地層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

本文中隧道位于全風(fēng)化混合花崗巖層，此類地層開挖擾動(dòng)后強(qiáng)度極低，系數(shù)η 按照軟黏土考慮，取值1.8，計(jì)算盾尾空隙取80 mm，由此計(jì)算等代層厚度δ=ηA=1.8×80=144 mm，取整數(shù) 150 mm 作為本模型等代層厚度。

圖2 整體三維模型Fig.2 3D Finite Element overall Model

圖3 隧道與建筑三維關(guān)系模型Fig.3 3D Relationship Model of Tunnel and Building

2.3 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

不同計(jì)算步長(zhǎng)對(duì)地面最大沉降量的影響并不十分顯著［2］，為節(jié)約模型計(jì)算時(shí)間，在保證計(jì)算精度的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將每步計(jì)算的盾構(gòu)推進(jìn)循環(huán)設(shè)為6 m（即4 環(huán)管片長(zhǎng)度）。根據(jù)盾構(gòu)施工的流程，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬過(guò)程，主要步驟為：激活各土層、房屋結(jié)構(gòu)及邊界條件，施加20 kPa 地面超載，在自重應(yīng)力下達(dá)到平衡狀態(tài)，然后位移清零。激活第1 個(gè)開挖循環(huán)的盾殼單元和等代層，同時(shí)鈍化（去除）此循環(huán)內(nèi)土體并在掌子面施加表面壓力，模擬在盾殼和刀盤掘進(jìn)壓力支撐作用下的地層開挖，圍巖荷載釋放系數(shù)取0.5，等代層模量取5 MPa，模擬盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)和盾尾空隙。鈍化第1開挖循環(huán)的盾殼單元和掌子面壓力，激活此段管片及施加同步注漿壓力，釋放剩余地層應(yīng)力，模擬盾構(gòu)推進(jìn)、管片安裝及同步注漿過(guò)程；同時(shí)按照第2步驟方法，模擬第2開挖循環(huán)施工過(guò)程。調(diào)整第1開挖循環(huán)段等代層模量至200 MPa模擬注漿硬化，同時(shí)按照第2、3步驟方法，模擬第2、3開挖循環(huán)施工過(guò)程。重復(fù)上述第2、3、4 步驟，模擬剩余循環(huán)段施工過(guò)程，直至隧道貫通，完成整個(gè)模型計(jì)算。

表1 地層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.1 Parameters of Stratum and Structural Materials

3 結(jié)果分析

為了對(duì)比在不同掌子面頂推掘進(jìn)壓力及不同同步注漿壓力作用下，盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)地層及建筑物變形的影響，設(shè)定了3 種掌子面盾構(gòu)掘進(jìn)壓力P（P1=100 kPa、P2=150 kPa、P3=200 kPa）和 3 種同步注漿壓力 Q（Q1=100 kPa、Q2=150 kPa、Q3=200 kPa），分析在不同掘進(jìn)壓力和注漿壓力兩兩組合下的地層沉降的變化規(guī)律和建筑變形。

3.1 不同掘進(jìn)壓力和注漿壓力下地層沉降分析

圖4為不同掘進(jìn)壓力P 和注漿壓力Q 下每個(gè)推進(jìn)步的地表最大沉降量，分別為注漿壓力為Q1、Q2和Q3時(shí)，在P1、P2和P3三種掘進(jìn)壓力下的地表沉降量曲線圖。從圖4 中可以直觀地看出，注漿壓力一定的情況下，通過(guò)提高掌子面盾構(gòu)掘進(jìn)壓力，可以有效減小地表沉降。

表2為不同掘進(jìn)壓力P和注漿壓力Q組合下地表沉降量最大值，每個(gè)水平的掘進(jìn)壓力P和每個(gè)水平的注漿壓力Q 分別各自組合1次，共進(jìn)行9次試驗(yàn)，從而全面反映2個(gè)因素對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。

表3為掘進(jìn)壓力相同情況下，注漿壓力相差1 級(jí)（即相差50 kPa）時(shí)地表沉降差值，表中第1組值表示注漿壓力為Q2與注漿壓力為Q1時(shí)的地表沉降差值，第2 組值表示注漿壓力為Q3與注漿壓力為Q2時(shí)的地表沉降差值?？梢钥闯觯? 中第2 組值與第1 組值相比，僅有微弱的減小，說(shuō)明隨著注漿壓力增加，地表沉降有所減小，并且減小趨勢(shì)略微下降。

表4 為注漿壓力相同情況下掘進(jìn)壓力相差1 級(jí)（即相差50 kPa）時(shí)地表沉降差值，表中第1 組值表示掘進(jìn)壓力為P2與掘進(jìn)壓力為P1時(shí)的地表沉降差值，第2 組值表示掘進(jìn)壓力為P3與掘進(jìn)壓力為P2時(shí)的地表沉降差值。同樣，表4 中第2 組值與第1 組值相比，有較大幅度的減小，說(shuō)明隨著掘進(jìn)壓力的增加，地表沉降有較大幅度減小，但同時(shí)其減小的趨勢(shì)也在大幅下降，呈現(xiàn)出收斂的特征。

表2 地表沉降量最大值Tab.2 Maximum Value of Surface Settlement

圖4 不同掘進(jìn)壓力和注漿壓力下地表沉降量Fig.4 Stratum Settlement under Different Jacking Force and Grouting Pressure

表3 相同掘進(jìn)壓力和不同注漿壓力下沉降差值Tab.3 Settlement Difference under the Same Driving Pressure and Different Grouting Pressure

表4 相同注漿壓力和不同掘進(jìn)壓力下沉降差值Tab.4 Settlement Difference under the Same Grouting Pressure and Different Driving Pressure

對(duì)沉降量值分析可以看出，提高掘進(jìn)壓力和注漿壓力都可以減小地表沉降，但掘進(jìn)壓力對(duì)地表沉降控制作用效果更大，而注漿壓力影響較小。對(duì)比表3 和表4 中沉降差值，可以得出掘進(jìn)壓力對(duì)地表沉降的影響效應(yīng)是注漿壓力影響效應(yīng)的9 倍～4 倍，但根據(jù)變化趨勢(shì)可以預(yù)計(jì)隨著兩種壓力作用的增加，這種影響效應(yīng)的差別將會(huì)減小。

3.2 不同掘進(jìn)壓力下地面建筑沉降分析

通過(guò)前面的分析已經(jīng)知道，增加注漿壓力對(duì)地層沉降影響較小，故下面的分析不再對(duì)比不同注漿壓力下的情況，而是將注漿壓力固定在200 kPa 水平，分析對(duì)比不同掘進(jìn)壓力P下地面房屋豎向位移變化。

從圖5 中可以看出，1#房屋在各掘進(jìn)壓下均呈現(xiàn)小幅隆起，2#房屋則隨著掘進(jìn)壓增大由略微沉降轉(zhuǎn)為小幅隆起，8#房屋則在各掘進(jìn)壓下基本保持不變，3#～7#房屋則在盾構(gòu)臨近時(shí)呈現(xiàn)微量隆起、盾構(gòu)通過(guò)后出現(xiàn)較大沉降，且大幅下沉均發(fā)生在6#房屋前后兩次截樁期間。

根據(jù)表5所列數(shù)據(jù)分析，隨著掘進(jìn)壓力增加，建筑沉降減少、隆起加大，但變化幅度呈收斂趨勢(shì)，而每棟房屋相鄰基礎(chǔ)差異沉降則與掘進(jìn)壓力關(guān)系不大，說(shuō)明由于房屋結(jié)構(gòu)的整體性，其沉降或隆起也呈整體協(xié)調(diào)性。

圖5 不同掘進(jìn)壓力下各房屋位移量Fig.5 Settlement of Buildings under Different Driving Pressures

表5 房屋最大沉降量及沉降差Tab.5 Maximum Settlement and Settlement Difference of the Buildings

房屋變形總體規(guī)律是：樁基建筑沉降（或隆起）小、條形基礎(chǔ)建筑沉降大，下穿建筑沉降小、側(cè)穿建筑沉降大。6#房屋由于洞內(nèi)截樁而導(dǎo)致大幅沉降，5#房屋則因靠近6#房屋受其截樁影響也出現(xiàn)較大沉降，且5#房屋是在臨近6#房屋處發(fā)生最大沉降而其余范圍影響小，導(dǎo)致了5#房屋基礎(chǔ)差異沉降最大。

各掘進(jìn)壓力下，不論最大沉降量還是基礎(chǔ)差異沉降，都滿足規(guī)范相關(guān)要求［9］，但從工程安全角度而言，顯然應(yīng)該在推進(jìn)時(shí)將掌子面掘進(jìn)壓力控制在Q3（200 kPa）水平。

地層側(cè)向土壓力計(jì)算式為：

式中：λ 為側(cè)向土壓力系數(shù)；γi為上覆地層重度；hi為上覆地層厚度。結(jié)合表1 地層參數(shù)通過(guò)計(jì)算可知，隧道洞身范圍內(nèi)靜止土壓力約為189.1 kPa，與掘進(jìn)壓力Q3水平較為接近，故為更好地控制地面豎向變形，在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)掌子面壓力應(yīng)設(shè)定在與地層側(cè)向靜止土壓力相當(dāng)?shù)乃健?/p>

3.3 基礎(chǔ)托換和地基加固對(duì)6#房屋沉降影響分析

6#房屋樁基侵入隧道內(nèi)，洞內(nèi)截樁前對(duì)其進(jìn)行了地基加固和基礎(chǔ)托換，由于相鄰房屋非常密集因而無(wú)法施作樁基進(jìn)行托換，只能采用筏板基礎(chǔ)（見圖6），具體施工步驟如下：開挖至地面以下3 m，采用旋噴樁對(duì)地基加固，加固體厚度為4 m，然后施作筏板基礎(chǔ)并與樁基可靠連接，以達(dá)到基礎(chǔ)托換、減小沉降的目的。為了分析地基加固和基礎(chǔ)托換對(duì)6#房屋沉降的影響，本文對(duì)比了以下4 種工況：①不進(jìn)行地基加固和基礎(chǔ)托換；②只進(jìn)行地基加固、不做基礎(chǔ)托換；③只進(jìn)行基礎(chǔ)托換、不做地基加固；④既進(jìn)行地基加固又施作基礎(chǔ)托換。

圖6 6#房屋地基基礎(chǔ)處理三維模型Fig.6 3D Model of Foundation Treatment of Building No.6

如圖7所示，在地基不加固、樁基礎(chǔ)不托換的工況下，6#房屋在盾構(gòu)通過(guò)前的隆起和通過(guò)后的沉降都最大；只托換樁基礎(chǔ)、不加固地基時(shí)，6#房屋變形量次之；只加固不托換和既加固又托換這2 種情況幾乎效果一樣，變形量最小。

由表6可知，在不加固不托換工況下，6#房屋差異沉降最大且已經(jīng)超出規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)［9］；只托換不加固對(duì)控制房屋最大沉降和差異沉降起到較為明顯的效果；只加固不托換則可以更大幅度控制變形，而在地基加固的同時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)托換，只有小幅度改善。

圖7 6#房屋沉降量Fig.7 Settlement of No.6 Building

表6 6#房屋最大沉降量和差異沉降Tab.6 Maximum Settlement and Differential Settlement of No.6 Building

因此，可以判斷地基加固對(duì)于房屋變形控制起到更好的作用，而在地基加固的基礎(chǔ)上再實(shí)施托換則改善效果已不顯著。

4 結(jié)論與建議

盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響的因素較多且復(fù)雜，本文通過(guò)合理簡(jiǎn)化的三維模型，分析了掘進(jìn)壓力和注漿壓力對(duì)地表及房屋的影響規(guī)律，對(duì)比了地基加固和筏基托換對(duì)截樁房屋的影響效果，得到以下結(jié)論和建議：

⑴ 通過(guò)對(duì)本盾構(gòu)隧道計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，掌子面掘進(jìn)壓力對(duì)于控制地表和地面建筑位移方面，效果顯著大于盾尾同步注漿壓力的作用。這是因?yàn)橐鸬孛娉两档脑蛑饕嵌軜?gòu)開挖時(shí)引起的地層擾動(dòng)和損失，而掘進(jìn)壓力的大小對(duì)于控制掌子面土體的位移、保持掌子面穩(wěn)定方面起決定性作用。盾尾注漿壓力作用在地層主要變形發(fā)生之后，其作用主要是使?jié){液充分填充盾尾空隙、減少二次沉降，對(duì)地層變形的影響程度處于次要地位。

⑵ 盾構(gòu)穿越區(qū)域地面建筑的豎向位移，除了受盾構(gòu)掌子面壓力影響外，主要取決于建筑基礎(chǔ)形式及與隧道的空間位置關(guān)系。一般而言，建筑的基礎(chǔ)形式越弱，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)受影響越大，沉降越明顯；建筑物距離隧道越近則可能受到的影響也越大。因此針對(duì)不同的基礎(chǔ)形式和與隧道的位置關(guān)系，采取不同的處理措施，才能保證建筑物既安全又經(jīng)濟(jì)合理。

⑶ 對(duì)于侵入隧道內(nèi)的樁基房屋，洞內(nèi)截樁前應(yīng)采取必要的工程措施，以避免造成過(guò)大的沉降或差異沉降。通過(guò)本例工程的計(jì)算分析可以看出，單獨(dú)采用地基加固的效果優(yōu)于單獨(dú)進(jìn)行筏板基礎(chǔ)托換，而2 種處理措施同時(shí)使用卻并未起到更加顯著的作用，僅比單獨(dú)地基加固略微改善而已。因此，對(duì)需洞內(nèi)截樁的房屋的處理措施，應(yīng)首選地基加固，次選基礎(chǔ)托換，而兩者同時(shí)采用的必要性不大。