楊建禮 馮 飛 譚建兵 韓現(xiàn)民 王 康

1.中鐵隧道集團二處有限公司 河北 三河 065201

2. 石家莊鐵道大學土木工程學院 河北 石家莊 050043

隨著城市軌道交通工程的不斷發(fā)展，盾構區(qū)間隧道近距離穿越既有建筑物的情況愈來愈多，國內學者也開展了大量的相關研究。陸瑤、劉俊巖等人對于地鐵盾構側穿建筑物進行了安全性分析，分析了隧道掘進對于既有建筑物的影響規(guī)律；陳樹茂等人對地鐵隧道全斷面砂層土壓盾構超近距離側穿建筑物進行了研究，在相關施工控制技術方面進行了有益的探索；韓煊、李寧等人對Peck公式在我國隧道施工地面變形預測中進行了適用性分析，通過實測資料統(tǒng)計，對于相關系數(shù)值提出了可供參考的建議；李鴻博等人針對盾構下穿建筑物情況開展了掘進過程空間效應和時間效應對地表沉降及周圍建筑物的影響規(guī)律研究，并在上軟下硬復合地層的沉降控制技術方面取得針對性成果；陳春來等人基于Peck公式，對雙線水平平行盾構隧道施工中土體損失引起的三維土體沉降計算方法進行研究，建立修正的Peck公式，對土體沉降進行了研究，為近距離穿越施工提供了可供借鑒的經(jīng)驗。

實際上，影響盾構隧道近接施工安全的因素較多，除地層條件、建筑物規(guī)模與結構形式、近接程度有關外，還與二者空間位置關系、盾構隧道斷面、選型、盾構掘進參數(shù)控制以及其他輔助措施密切相關。因此，在實際工程中，既有成果只能作為參考，不能簡單套用。本文以鄭州地鐵4號線商～商盾構區(qū)間近距離側穿建業(yè)城市廣場既有建筑區(qū)段為工程背景，開展淤泥質軟土地層土壓平衡盾構近接施工過程中地層沉降響應、沉降控制標準和綜合施工控制技術等方面的相關研究，以期對國內相關領域的研究成果進行補充，也為相關工程提供方法借鑒。

1 工程概況

鄭州地鐵4號線商鼎路站～商都路站區(qū)間起點里程為DK21+062.341、終點里程為DK21+624.800，左線長度為561.969m（短鏈0.490m），右線長度562.459m。區(qū)間右線在里程約DK21+520.166處側穿建業(yè)城市廣場南側的5#樓房。該建筑為7層，筏板基礎，第一層商鋪，以上為民房，為框架結構，地基為粉噴樁復合地基。復合地基與隧道結構的水平距離僅為2.194m，垂直距離為0.988m，如圖1所示。

圖1 臨近建筑與隧道位置示意

本區(qū)地貌單元為黃河沖洪積平原，場地30m深度范圍內地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，0-20m主要地層為砂質粉土、黏質粉土、粉質黏土，夾有粉砂、細砂，20-30m主要地層為中密～密實細砂。其中盾構穿越地層主要為第②22層（Q4-2l）淤泥質粉質黏土，呈淺灰色夾灰褐色、灰黑色，軟塑夾可塑，切面光滑、有光澤、含有機質，干強度低。

表1 圍巖主要物理力學參數(shù)

本場地地下水位類型為潛水和微承壓水。勘察期間場地穩(wěn)定地下潛水水位埋深介于9.2-11.1m，年變幅約2.0m。據(jù)調查場地近5年最高地下水位埋深地下水埋深約3.0m，歷史最高水位埋深為1.50m；承壓水主要賦存于②51細砂層含水土層中，含水層頂板位于盾構隧道下部，根據(jù)地鐵1號線會展中心站抽水試驗結果和區(qū)域水文地質資料，承壓水頭約5.0m。

2 側穿施工效應數(shù)值分析

2.1 計算模型

數(shù)值計算采用有限元軟件邁達斯GTS NX，根據(jù)實際工程概況建立模型100m（長）×40m（寬）×40m（高），盾構管片采用SHELL殼單元模擬，注漿層和盾構機盾殼采用SOLID三維實體單元模擬。建筑物中柱結構采用桿單元，樓板為殼單元，剪力墻、基礎與地基采用實體單元建模。模型如圖2和3所示。計算模型中土艙壓力按2.0bar考慮。

圖2 建筑物模型

圖3 整體模型

2.2 施工過程中掘進的次序優(yōu)化

在分析注漿壓力和注漿層彈性模量對近接施工效應的影響前，應先確定本工程左右線路的掘進先后順序，其中右線臨近建筑物，左線遠離建筑物。以注漿層彈性模量2MPa為針對工況，建立有限元模型，分別進行左線先行和右線先行兩種工況下側穿施工過程模擬，對比不同工況下的地表沉降、建筑物基礎的最大沉降值，從而分析出最優(yōu)化的掘進次序。結果如圖4、5所示。

圖4 兩種工況下地表沉降曲線（m）

圖5 兩種工況下建筑物結構沉降云圖（m）

兩種掘進方式下地表沉降槽曲線形態(tài)近似相同。由于隧道近接建筑物，沉降曲線呈現(xiàn)不對稱形態(tài)。兩種工況下最大地表沉降均發(fā)生在兩線正上方中間偏向右線位置。從計算結果可以看出，右線先行工況下最大地表沉降值為1.75cm，左線先行工況下最大地表沉降值為1.69cm，先挖左線后挖右線產(chǎn)生的最大地表沉降值相對較小。建筑物在靠近隧道一側產(chǎn)生的沉降較為明顯，右線先行工況下建筑物基礎最大沉降值為1.38cm，而左線先行工況下為1.28cm。

通過對兩種工況對比分析可知，在本工程的施工中，推薦采取距離臨近建筑物較遠的左線先行、右線后行的掘進方案較為合理。

2.3 不同注漿層彈模參數(shù)的影響分析

軟土盾構隧道施工過程中，當管片脫出盾尾后，管片與地層之間理論間隙較大，因此，同步注漿和二次注漿質量對地層變形影響顯著。一般情況下，注漿量和注漿壓力可根據(jù)施工過程的監(jiān)測結果進行動態(tài)調整。但注漿材料及其配比在施工過程中，尤其在穿越施工中很難實現(xiàn)調整，需在在掘進前進行試驗確定。在數(shù)值模擬僅對注漿層彈性模量參數(shù)影響效應進行了系列分析。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，水泥砂漿注漿層的早期彈性模量為5-20MPa，計算中注漿層彈模分別按2.0MPa、4.0MPa、6.0MPa和8.0MPa取值，并開展對比分析。

（1）不同工況下地表沉降計算結果

注漿層彈模為2.0MPa的計算結果如圖4（b）所示，其他工況計算結果見圖6。

圖6 地表沉降計算結果

（2）建筑物基礎沉降

注漿層彈模為2.0MPa的計算結果如圖5（b）所示，其他工況計算結果見圖7。

圖7 建筑物基礎沉降計算結果

當盾構隧道左線先行，注漿層彈模不同時，地表和建筑基礎最大沉降量如表2所示。

表2 注漿層彈模與地表最大沉降量的關系

可見，隨著注漿層彈性模量越大，地表和既有建筑沉降值越小。注漿層彈性模量由2MPa提高至4MPa時，地表和建筑基礎最大沉降有顯著減小，減小幅度分別達到0.87cm和0.62cm，而隨注漿層彈性模量繼續(xù)增大，沉降控制效果改善不再明顯。

水泥砂漿的早期彈性模量為5-20MPa，但考慮到同步注漿不能保證100%充填率，且受地層水環(huán)境及施工因素的影響，其彈性模量應折減20%-30%。因此，實際注漿層彈性模量在3.5-14MPa范圍。建議在實際施工過程中，嚴格進行現(xiàn)場試驗，以控制注漿層彈性模量達到4MPa以上，如注漿材料選擇水泥漿無法滿足此要求時，應考慮更換注漿材料或改良注漿工藝。

3 側穿施工地表沉降控制基準

3.1 基于經(jīng)驗方法的地表沉降控制標準

近年來評價地表沉降對建筑物的影響更多的是采用英國在Jubilee延長線(2000年)施工中對建筑物的評價原則和標準。該套評價方法將建筑物視為均質彈性地基梁，認為建筑物的破壞是由于拉應變所致?？紤]地表的垂直位移和水平位移，計算出建筑物的最大拉應變，對照相關的標準，給出建筑物受地表沉降影響的級別，如表3所示。

表3 建筑物損壞級別與極限拉應變間對應關系表

分析中以左線先行注漿層彈模4.0MPa為基本參考工況，圖8側穿施工完成后既有建筑基礎底面橫向沉降曲線示意，圖9為右線掘進至建筑物中間位置時基礎底面的橫向和縱向沉降曲線。從圖9可以看出，受建筑物短邊相對剛度較大影響，基礎沿隧道縱向不均勻沉降相對較小，研究中可不作為控制工況。假定橫向沉降曲線規(guī)律不變，按比例調整基礎底面沉降數(shù)值，并作為荷載加到基礎對應節(jié)點上，直至建筑物結構達到控制極限狀態(tài)，此時的底板最大沉降即為施工過程既有建筑基礎允許的最大沉降，最后根據(jù)地表沉降和建筑基礎基礎沉降的關系估算允許地表產(chǎn)生的最大沉降值。根據(jù)前述數(shù)值計算結果地層與基礎埋深沉降曲線如圖10所示，從中可以看出，兩條曲線變化的形式和數(shù)值基本一致。建筑影響嚴重等級按非常輕微狀態(tài)控制（對應極限拉應變取0.075%），當其擴大則極限狀態(tài)下建筑結構的拉應變和底板埋深處沉降曲線如圖11所示。建筑物基礎沉降值為23.7mm，最后結合圖10的曲線規(guī)律，側穿施工中最大允許地表沉降為29.1mm。

圖8 建筑物橫向沉降

圖9 右線側穿一半位置時橫向和縱向沉降圖

圖10 地表與基礎埋深沉降曲線

圖11 極限狀態(tài)下基礎沉降與底板拉應變

3.2 基于建筑基礎極限斜率要求的地表沉降控制標準

根據(jù)現(xiàn)行《建筑地基基礎設計規(guī)范》中建筑物地基基礎變形允許值的規(guī)定，其基礎允許斜率為0.003。根據(jù)圖6計算結果，并假定建筑基礎與地層變形協(xié)調一致，則在注漿層彈模4.0MPa的工況下，基礎底面所在水平面（包括建筑基礎及隧道上方地層）橫向沉降變形擬合曲線如圖12所示（以沉降最低點為坐標軸原點）。

圖12 建筑基礎橫向沉降變形

其擬合方程形式如下：

對上式求導，即可得到沉降曲線斜率表達式為：

假定沉降規(guī)律（方程）不變，按比例調整沉降數(shù)值，直至建筑物基礎達到允許斜率，并根據(jù)建筑物基礎埋深處土層沉降規(guī)律與地表沉降規(guī)律關系，可得建筑物基礎允許最大沉降值為為20.8mm，則橫向允許地表最大沉降值為25.7mm。

3.3 側穿施工地表沉降管理基準

從施工安全角度出發(fā)，以上述數(shù)值計算為基礎，選取相對保守的基于建筑基礎允許斜率計算結果作為參考目標，并考慮建筑物的使用狀態(tài)，分別對上述允許沉降數(shù)值適當折減，最終制定沉降控制管理基準如表4所示。

表4 側穿施工沉降控制管理基準

4 側穿段施工控制技術

4.1 掘進施工控制技術

（1）在穿越前50m設立試驗段，根據(jù)現(xiàn)場檢測結果，探索施工過程中不同施工參數(shù)對施工效應的影響，優(yōu)化掘進施工參數(shù)，為側穿施工提供指導。根據(jù)試驗段施工效果，擬定掘進參數(shù)如表5所示。

表5 試驗段調整后盾構掘進參數(shù)

（2）盾構掘進至距離建筑物位置20m處，降低推進速度，減小油缸推力以減小對前方土體的擾動強度；盾構推進速度擬定為10mm/min，在掘進過程根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整盾構掘進速度。當盾構機通過側穿段后10m，掘進速度適當提高至20mm/min，以提供盾尾同步注漿、二次注漿條件，及時填充、加固地層，減少二次沉降對臨近建筑的基礎擾動。

（3）掘進過程中為精確設定土艙壓力，除根據(jù)土艙壓力測試結果進行微量調整外，還需保持出土量與掘進進尺的總體平衡，已達到穩(wěn)定施工效果。根據(jù)試驗段工程實踐，每環(huán)理論出土量為48.86m3，土體松散系數(shù)按照1.1考慮，每環(huán)土方運輸量約為54m3，控制效果較為理想。

（4）盾構穿越過程中應及時實施同步注漿和二次注漿，并根據(jù)注漿效果動態(tài)調整漿液配比，盡量縮短凝固時間，保證注漿量，嚴控注漿質量。

4.2 側穿段地表注漿技術

為減小盾構區(qū)間隧道掘進施工過程中地層的變位，采用地表深孔注漿形式進行側穿前地表改良和加固，設計注漿加固水平范圍為建筑基礎外緣至近端區(qū)間隧道外側不小于3范圍，豎向范圍為隧底3m至地表，縱向范圍為側穿全段并向兩端各外延不小于10m距離。如圖5.4所示。注漿采用分段后退式注漿，豎向分段長度3～4m，注漿壓力貫徹分段控制0.5～1.5MPa（淺層小、深層大），并根據(jù)建筑基礎變形情況動態(tài)調整；注漿材料為雙液漿，水泥、水玻璃體積比1:0.8，水灰比1:1；為防止塌孔，采用地質鉆機跟管鉆孔，套管直徑φ108mm，孔距1.5～2.0m，梅花形布置，采用跳孔法施注，以防止竄漿。鉆孔至設計標高后，從孔底分段注漿，各段間設止?jié){塞，注一段拔一段套管，如此循環(huán)直至注漿結束。注漿至距地表3m左右一段時注漿壓力不應超過0.5MPa；距地表0～3m時停止帶壓施注，填注孔段、拔出套管即可。

4.3 洞內補償注漿控制技術

淤泥地層固結特征顯著，而引起地層發(fā)生故結沉降的主要原因為孔隙水的排放（盾構掘進為水的排除創(chuàng)造了條件）和土體應力狀態(tài)的改變。為有效阻水和補償?shù)貙訐p失，可在洞內向洞周地層實施補償注漿以減小工后沉降。洞內補償注漿其實是二次注漿的延續(xù)，注漿材料（水泥砂漿）、注漿壓力、管路及注漿系統(tǒng)均與二次注漿相同，注漿采用多次間隔補注方式進行，時間間隔3h左右，補償次數(shù)5～8。

4.4 洞內補強注漿控制技術

淤泥質地層固結沉降特性明顯，施工中為補償掘進施工過程中地層應力損失和改良洞周地層特性，施工中實施洞內補強注漿，對側穿段地層進行補償和改良。實施過程中在管片常規(guī)6個注漿孔基礎上增設了10個補強注漿孔（如圖13所示）。洞內補強注漿可采用小導管注漿形式實施，管長2.5m，管周每15cm梅花型布設φ6注漿孔如圖14所示，漿材采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力可控制在0.5～1.0MPa。補強注漿在二次注漿施做結束后及時施作。補償注漿在一定程度上對二次注漿效果也具有補償增效作用。

圖13 管片注漿孔布設示意

圖14 洞內小導管補強注漿加固示意

5 施工監(jiān)測及效果分析

圖15 地表及建筑物沉降分析圖

根據(jù)地表及建筑物人工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，盾構機在側穿建筑物前，地表呈現(xiàn)最大4mm隆起。盾構機側穿建筑物后，地表最大累計沉降為-12mm。整個過程中建筑物沉降在-1～2mm之間波動。

6 結論

依托鄭州地鐵4號線商～商區(qū)間近距離側穿既有建筑樓房段工程，開展了軟土地層地鐵盾構區(qū)間近接側穿建筑物施工效應及控制技術研究，揭示了盾構區(qū)間隧道左右線不同掘進次序、不同二次注漿層彈模影響下側穿施工效應規(guī)律，建立了側穿施工條件下地表沉降控制管理基準，形成了軟土地層盾構區(qū)間近距離側穿既有建筑物沉降控制技術，獲得結論具體如下：

（1）通過施工過程數(shù)值仿真分析，確定了遠離建筑物側區(qū)間隧道先行的掘進方案，為施工決策拱了理論依據(jù)；分析結果認為注漿層彈模不應小于4MPa，一般水泥砂漿即可滿足施工要求，避免了特殊注漿材料的二次研發(fā)，簡化了施工前的準備工作。

（2）結合數(shù)值模擬結果，分別基于既有工程經(jīng)驗和相關規(guī)范要求建立了相應的施工過程地表沉降控制限值標準，并制定了如表5所示的地表沉降施工動態(tài)管理基準，為側穿施工安全管理提供了技術支持。

（3）通過側穿前50m的試驗段探索，形成了優(yōu)化掘進參數(shù)控制、地表深孔分段后退式預注漿、洞內多次間隔補償注漿控制和洞內實施地層補強注漿控制等相結合的綜合控制技術?，F(xiàn)場監(jiān)測結果顯示，控制效果較好。