付魁

(中鐵十八局集團第一工程有限公司， 涿州 072750)

隨著中國城市建設的快速發(fā)展，城市地下空間和地鐵隧道正在不斷的開發(fā)和建設，目前全國擁有軌道交通的城市將近50個[1-2]。這其中絕大多數(shù)地鐵隧道均采用盾構法施工，并且盾構施工時不可避免地要穿越大量老城區(qū)和棚戶區(qū)的老舊民居。這些民居，多數(shù)修建于20世紀70—90年代，樓層低，磚砌而成，采用天然地基和條形基礎，并且多數(shù)房屋結構已然損壞，整體結構抗變形能力差。因此，對盾構下穿施工的參數(shù)控制精度提出了非常高的要求，稍有不慎就會導致房屋開裂，并造成較大人民生命財產(chǎn)損失。為此，盾構下穿老舊房屋的變形與控制技術問題近年來得到了廣泛關注。

孫宇坤等[3]通過杭州地鐵1號線隧道工程下穿13 棟住宅群案例分析，發(fā)現(xiàn)砌體結構建筑物的沉降變化規(guī)律不同于天然地表沉降變化規(guī)律，尤其工后房屋沉降量占累積沉降量的比例明顯大于天然地表沉降。孫曦源等[4]通過北京地區(qū)6處地鐵隧道下穿砌體結構建筑物典型工程實例，分析得出基底沉降槽顯著影響區(qū)彎折點距隧道軸線0.3H～0.6H(H為隧道頂距基礎底距離)，沉降規(guī)律近似服從修正的Peck公式。張立亞等[5]基于自動化監(jiān)測對盾構切樁穿越建筑群的沉降進行了實時監(jiān)測，結果表明房屋沉降的大小受距中線距離的影響，房屋的沉降主要發(fā)生在盾構刀盤進入房屋到盾尾脫離房屋這一階段。杜闖東等[6]采用刀盤切削樁基實體模型方法，模擬不同刀具布置和多種掘進工況，分析掘進參數(shù)及刀具布置對樁基破壞形態(tài)、刀盤破壞形態(tài)的影響規(guī)律。王禹椋等[7]對盾構切削穿越群樁后的沉降進行數(shù)值模擬，結合數(shù)值模擬結果和實測數(shù)據(jù)進行分析，研究了盾構機切削樁基對地表沉降、樁體本身的影響。唐仁等[8]通過有限元軟件對盾構隧道全斷面正面切樁、非全斷面?zhèn)让媲袠兑约叭珨嗝鎮(zhèn)让媲袠度N工況進行模擬，分析三種工況對樁基承載力影響的大小，確定了切樁后樁基產(chǎn)生負摩阻力的范圍。Giardina等[9]通過數(shù)值模擬研究了砂土隧道與地表結構之間的相互作用，得出了隧道開挖對建筑物的影響不僅取決于結構和土壤之間的相對剛度，也取決于建筑物的重量。Farrell等[10]通過比較建筑物沉降和相應的地面運動，量化了土壤結構相互作用。Zhao等[11]提出了一種現(xiàn)場靈敏度的分析方法，研究了土體-隧道-建筑系統(tǒng)特性對建筑物沉降和傾斜的影響。

目前在中外大多數(shù)盾構隧道下穿工程中地基形式主要為天然地基和樁基，近乎沒有涉及復合地基。盾構下穿切除大部分樁體，不僅對樁端平面上樁端承載力和土的承載力是一種削弱，由于樁體被人工縮短，使得其承擔上部荷載的能力大幅下降，加之周圍土的卸荷作用，樁與土之間的相互作用關系也在發(fā)生變化，而復合地基恰恰是樁與土共同承擔上部荷載，因此，樁與土分擔上部荷載的狀態(tài)和彼此之間的變形協(xié)調(diào)能力將隨之改變，進而引起房屋基礎沉降?；诖?，現(xiàn)依托鄭州5號線農(nóng)業(yè)東路站～心怡路站區(qū)間隧道工程，將對盾構下穿切群樁復合地基全過程中房屋沉降變形的分布特征與變化規(guī)律，以及施工參數(shù)進行系統(tǒng)分析，以期為此類工程中房屋沉降控制提供施工指導建議。

1 工程概況

鄭州地鐵5號線農(nóng)業(yè)東路站～心怡路站區(qū)間左線盾構隧道斜交下穿鄭河小區(qū)居民樓，盾構隧道軸線與居民樓的斜交角為22°。下穿隧道與居民樓平面位置關系如圖1所示。

該民居樓為7層砌體結構，地基與基礎分別為復合地基和條形基礎。條形基礎材料為C30混凝土澆筑而成，素混凝土墊層厚度為100 mm，級配砂石墊層厚度為200 mm，樁頂相對標高為-4.3 m。地基采用水泥土樁復合地基，樁徑500 mm，樁間距950 mm，有效樁長為11 m。盾構機殼體外徑6.34 m，錯縫拼裝管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，壁厚0.35 m，下穿段管片寬度為1.5 m，非下穿段管片寬度為1.2 m。管片材料為C50混凝土。盾構隧道覆土厚度為11.7 m，主要穿越粉質(zhì)黏土層、黏質(zhì)粉土層、細砂層和黏質(zhì)粉土層，樁端持力層位于粉質(zhì)粘土夾粉土層。下穿段長度約為30 m。對應的隧道環(huán)號為685～715環(huán)。在該區(qū)段內(nèi)，盾構機將切削175根樁，使原有11 m樁長，縮短3.1～3.7 m。切樁比(被切削樁的數(shù)量與復合地基總樁數(shù)的比例)的16%左右。無論下穿切樁對象，還是施工中的切樁數(shù)量和切樁比在國內(nèi)外所有工程中尚為首例。盾構隧道下穿切樁如圖2所示。

圖1 下穿隧道與居民樓平面位置關系圖Fig.1 Location relationship between crossing tunnels and residential buildings

圖2 盾構隧道下穿切樁示意圖Fig.2 Schematic diagram of shield tunnel cutting pile

2 房屋和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

實際工程中房屋沉降監(jiān)測點編號JG1-1～JG1-19，共19個測點，如圖1所示。這里將圖1中房屋沉降監(jiān)測點JG1-3～JG1-11所在一側(cè)稱為砌體房屋“北側(cè)”；房屋沉降監(jiān)測點JG1-13～JG1-19、JG1-1所在一側(cè)稱為砌體房屋“南側(cè)”。實際工程中盾構下穿切樁從砌體房屋南側(cè)(JG1-16和JG1-17)開始，北側(cè)(JG1-10和JG1-11)結束。

2.1 盾構施工全過程房屋沉降變化規(guī)律

圖3分別給出了盾構下穿施工全過程中南北側(cè)房屋沉降監(jiān)測點累計沉降變化曲線。從圖3可以看出，盾構下穿施工大致分3個階段。第一階段，盾構機刀盤距離開始切樁位置(JG1-17)仍約有20環(huán)(24 m或3.9倍隧道外徑)，開始引起房屋隆起；第二階段，盾構開始切樁，切樁位置為房屋與隧道軸線的交叉點(JG1-17)；第三階段，盾尾脫離房屋(JG1-11)約30環(huán)(36 m或5.8倍隧道外徑)時，房屋沉降趨于穩(wěn)定。房屋最大隆起和沉降量分別約為5 mm和-10 mm。盾尾脫離房屋后，房屋北側(cè)沉降仍持續(xù)增加，但南側(cè)沉降基本趨于穩(wěn)定。

括號內(nèi)的數(shù)字表示具體的監(jiān)測時間圖3 盾構切樁下穿過程中房屋沉降實時變化曲線Fig.3 Settlement change curve of shield cutting piles through houses

盾構隧道下穿施工導致房屋北側(cè)呈現(xiàn)先隆起后沉降趨勢，而房屋南側(cè)持續(xù)沉降。房屋的南北側(cè)由于與盾構軸線的距離不同，因此受到施工擾動影響的程度也不一樣，進而導致房屋在盾構下穿施工的全過程中向南傾斜。究其原因，盾構側(cè)穿施工迫使隧道周圍土體向隧道軸線方向移動，由此產(chǎn)生的側(cè)向卸荷作用，導致房屋南側(cè)復合地基中樁間土下沉。由于復合地基上部荷載是由樁和樁間土共同承擔，當樁間土下沉時，樁間土分擔的荷載將減小，更多由樁承擔，當樁承擔更多荷載時，加之樁間土下沉改變了樁與樁間土之間摩阻力的作用方向和大小，使樁的正摩阻力減小、負摩阻力增加、樁端阻力減小，進而使樁的承載力下降。承載力下降和分擔荷載增多共同導致房屋南側(cè)的樁沉降增大，進而引起房屋南側(cè)基礎下沉。當房屋南側(cè)沉降時，近似為剛性體的房屋將產(chǎn)生傾斜，致使房屋北側(cè)隆起。

2.2 南側(cè)和北側(cè)房屋沉降分布規(guī)律

圖4分別給出了南北兩側(cè)建筑物沉降的分布特征曲線。從圖4中可以看出，盾構機刀盤開始切樁時會導致房屋西南側(cè)沉降，東北側(cè)隆起；盾尾脫離房屋后，房屋整體下沉。房屋累計沉降最大值出現(xiàn)在房屋與隧道軸線交叉點附近，即JG1-16、JG1-17、JG1-9、JG1-10，這些監(jiān)測點附近的房屋結構易先產(chǎn)生裂縫。此外，房屋南北側(cè)最大沉降點出現(xiàn)在不同位置，使得南北側(cè)基礎和外墻的縱向變形和受力形態(tài)完全不同，北側(cè)基礎和外墻更接近于懸臂高梁結構，南側(cè)基礎和外墻更接近于簡支高梁結構。這種差異不僅會使房屋發(fā)生彎剪破壞，還可能發(fā)生扭剪破壞。而房屋扭剪力最大值出現(xiàn)的位置和大小是隨著盾構機的向前掘進不斷變化的。

圖4 房屋沉降監(jiān)測點分布曲線Fig.4 Distribution curve of building settlement monitoring points

3 施工參數(shù)統(tǒng)計分析與建議

對盾構切樁下穿全過程中土倉壓力、總推力、刀盤扭矩、推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速和注漿量6個關鍵參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，如圖5所示。

由圖5(a)可知，土倉壓力持續(xù)上調(diào)，區(qū)間范圍為0.11～0.15 MPa，其中盾構機刀盤開始切樁前將土倉壓力增至0.14 MPa，使房屋出現(xiàn)了隆起(圖3)，隨后下調(diào)土倉壓力至0.12 MPa，此后逐步上調(diào)至0.18 MPa，盾構機刀盤切樁完成。

由圖5(b)和圖5(c)可知，刀盤轉(zhuǎn)速先減小后緩慢增加，切樁下穿時控制在1.03～1.10 r/min；刀盤扭矩持續(xù)下調(diào)，切樁下穿時控制在2 800～4 400 kN·m。

由圖5(d)和圖5(e)可知，盾構機總推力先微量增幅后迅速減小，切樁下穿段控制在22 500～26 300 kN。掘進速度始終持續(xù)增大，切樁下穿段控制在12～25 mm/min。

同步注漿配比：水泥170 kg、粉煤灰400 kg、膨潤土80 kg、砂750 kg、水450 kg，漿液初凝時間約4 h，注漿壓力約為0.3 MPa。圖6所示，盾尾同步注漿量呈先增加后減小的趨勢，切樁下穿時平均值在7.58 m3，剛開始切樁時迅速將同步注漿量從7 m3上調(diào)至8.8 m3，使房屋隆起增大后又下調(diào)注漿量至6.4 m3后又再次上調(diào)注漿量至8.8 m3，隨后再次下調(diào)。

圖5 值構切樁下穿施工參數(shù)的變化Fig.5 Change of construction parameters of underpass of shield cutting pile

結合圖1、圖3、圖5和圖6，盾構機從黏質(zhì)粉土和細砂地層，掘進至粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和富水砂層，土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、掘進速度、同步注漿量在703～715環(huán)出現(xiàn)了大幅波動，致使該段房屋北側(cè)沉降增幅加快。對于本工程而言，盾構切樁下穿時，穩(wěn)定土倉壓力、增大同步注漿量、提高刀盤轉(zhuǎn)速更有利于控制房屋沉降變形。而盾尾脫離房屋后，不應大幅度調(diào)整施工參數(shù)，適當增大刀盤壓力和千斤頂推力，保持刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、同步注漿量和掘進速度不變，更有利于控制房屋沉降。

此外，盾構切樁下穿過程中，在盾構機殼的拱頂和拱腰3個點，采用克泥效注漿。AB液體積比20∶1，每方漿液克泥效粉用量400 kg，波美度水玻璃70 kg，水846 kg。注入率120%～150%，填充盾體與周圍土體之間的間隙。管片脫離盾尾6～8環(huán)后進行二次雙液注漿，每環(huán)注漿的順序為先拱頂后兩腰。注漿壓力控制在0.5 MPa以下，并根據(jù)房屋沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量，實施調(diào)整注漿參數(shù)。為了防止盾構機在富水砂層(圖1)中磕頭，實際施工時通過調(diào)整分區(qū)油缸壓力，將盾構機姿態(tài)上調(diào)。

盾構下穿施工全過程對房屋裂縫進行了監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)原裂縫發(fā)展，如圖7所示。盾構切樁下穿后期，分別依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007)[12]和《危險房屋鑒定標準》(JG J125)[13]和極限拉應變控制方法[14]相關規(guī)定，對房屋結構損傷情況進行了分析。測點JGC1-01和JGC1-03，差異沉降為4.6 mm，斜度i=0.2‰；測點JGC1-11和JGC1-13，差異沉降為5.8 mm，斜度i=0.3‰；測點JGC1-16和JGC1-07，差異沉降為10.7 mm，斜度i=0.6‰。砌體結構的極限拉應變?yōu)?‰，滿足規(guī)范要求。表明上述施工措施有效。

圖6 左線盾構注漿量變化曲線Fig.6 Change curve of shield grouting amount on left line

圖7 房屋開裂監(jiān)控Fig.7 Building crack monitoring

4 結論

依托盾構切樁下穿砌體房屋條形基礎群樁復合地基實際工程，本文系統(tǒng)對房屋沉降分布特征及變化規(guī)律，施工參數(shù)進行了分析，并初步給出如下建議。

(1)在距離開始切樁位置約20環(huán)(3.9倍隧道外徑)，以及盾尾脫離復合地基加固后約30環(huán)(5.8倍隧道外徑)的范圍內(nèi)，盾構施工會對房屋沉降產(chǎn)生較大影響，尤其是切樁下穿段。為此，對于此類工程應在該范圍內(nèi)加密房屋監(jiān)測頻率和布點。

(2)盾構切樁斜向下穿房屋，會導致房屋向隧道軸線方向傾斜。房屋累計沉降最大值會出現(xiàn)在房屋與隧道軸線交叉點附近，應加密觀測該處房屋裂縫開展情況。

(3)盾構切樁下穿時，穩(wěn)定土倉壓力、增大同步注漿量、提高刀盤轉(zhuǎn)速更有利于控制房屋沉降變形。而盾尾脫離房屋后，不應大幅度調(diào)整施工參數(shù)，適當增大刀盤壓力和千斤頂推力，保持刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、同步注漿量和掘進速度不變，更有利于控制房屋沉降。

(4)采用克泥效盾殼徑向注漿、二次雙液注漿、上調(diào)盾構姿態(tài)在富水砂層中輔助削弱施工擾動對地層變形的影響是有效的。