Research on the Control of the Risk of Unconventional Blocking of Foundation Pit on Shield Undercrossing

YU Hai-bing

（Tengda Construction Group Co.， Ltd.， Shanghai 201204， China）

【摘? 要】針對某地下通道與地鐵線路合建的一個基坑工程，論文研究該基坑由于先期從開挖到結(jié)構(gòu)回筑在時間上存在先后、空間上存在連接問題，南北兩塊結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的不均勻沉降。論文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行盾構(gòu)穿越，用有限元方法對地鐵盾構(gòu)上下行推進(jìn)施工過程中分別穿越南、北結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通過數(shù)據(jù)分析評價遠(yuǎn)期地鐵施工對基坑的影響，再通過沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，以期為類似穿越工程提供有效借鑒。

【Abstract】Aiming at a foundation pit engineering jointly constructed by an underground passage and a subway line， this paper studies the uneven settlement between the north and south structures of this foundation pit due to the sequential and spatial connection problems from excavation to structure back construction in time in the first phase. Based on this， the paper carries out shield undercrossing， uses the finite element method to carry out numerical simulation calculation on the process of crossing the south and north structures respectively during the upward and downward advancement construction of the subway shield construction， evaluates the impact of long-term subway construction on the foundation pit through data analysis， and then verifies it through settlement observation data， so as to provide effective reference for the next similar crossing engineering.

【關(guān)鍵詞】基坑非常規(guī)分塊;差異沉降;盾構(gòu)穿越

【Keywords】unconventional blocking of foundation pit; differential settlement; shield undercrossing

【中圖分類號】TU753? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）02-0181-03

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑所處位置日趨鬧市化（周圍有大量構(gòu)建筑物、地下管線錯綜復(fù)雜），基坑施工與其對周邊環(huán)境影響的矛盾日漸凸顯，尤其是在軟土地區(qū)，該矛盾不僅出現(xiàn)在施工與環(huán)境之間，還出現(xiàn)在不同施工工程之間。通過回顧各種工程實例，由基坑施工引起外側(cè)土體變形造成周邊建構(gòu)筑物和管線損壞的事件時有發(fā)生。例如，基坑非常規(guī)分塊，需采用非常規(guī)的支護(hù)體系、非常規(guī)的開挖方式，這增加了基坑施工過程中周邊環(huán)境保護(hù)的難度和突發(fā)事件產(chǎn)生的可能性?；拥姆浅Ｒ?guī)分塊施工使得結(jié)構(gòu)回筑在時間上存在先后、空間上存在連接問題，極易使不同分塊結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生不均勻沉降，造成結(jié)構(gòu)接縫漏水、周邊環(huán)境破壞。再加上盾構(gòu)穿越對結(jié)構(gòu)的影響，各類因素綜合疊加，更加體現(xiàn)出對這種特殊復(fù)雜基坑控制研究的意義。

為此，本文以東西通道工程為依托工程，針對縱向分坑的通道基坑施工過程中自身結(jié)構(gòu)施工及盾構(gòu)從通道結(jié)構(gòu)底穿越推進(jìn)過程中對已完成結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行技術(shù)分析，從盾構(gòu)下穿推進(jìn)過程中已完地道結(jié)構(gòu)沉降風(fēng)險控制、對非常規(guī)分塊基坑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異沉降控制等方面展開研究，研究對于中心城區(qū)基坑施工控制和鄰近施工工程具有重要的參考價值。

2 工程概況

東西通道DY1～DY2基坑位于后續(xù)施工的地鐵14號線盾構(gòu)區(qū)間上方，西接新建地鐵14號線車站結(jié)構(gòu)（主體結(jié)構(gòu)已完成），東側(cè)向南開口連接出口匝道，基坑長50 m，寬28.8～34 m，開挖深度9.4～11.2 m。受管線影響，設(shè)縱向封堵墻分坑施工。后期地鐵14號線區(qū)間盾構(gòu)沿地道方向從結(jié)構(gòu)下方穿越。DY1～DY2平面圖見圖1。

本工程基坑外側(cè)止水帷幕兼擋土墻采用Φ1000型鋼水泥土攪拌墻，三軸攪拌樁施工工藝同坑內(nèi)加固三軸攪拌樁。受北側(cè)圍護(hù)管線影響，先施工南側(cè)和中間圍護(hù)，待南側(cè)基坑施工完畢后施工北側(cè)圍護(hù)。采用非常規(guī)縱向設(shè)縫，分塊施工。

根據(jù)基坑特點、周邊環(huán)境條件和工程地質(zhì)情況，為保證安全，控制基坑變形，對基坑進(jìn)行一定范圍的地基加固，加固采用Φ850 mm三軸水泥土攪拌樁，樁間搭接250 mm。陰角采用三重管旋噴樁（Φ1 000 mm、Φ800 mm）進(jìn)行加固，樁間搭接250 mm。加固范圍分別于靠近側(cè)墻5 m范圍、中間4 m寬抽條加固，坑底加固深度為坑底以下3 m。西側(cè)靠近已建14號線車站11 m范圍為進(jìn)出洞加固，加固深度為坑底至-22.8 m。

通道結(jié)構(gòu)設(shè)縱向變形縫。南側(cè)設(shè)置900 mm厚內(nèi)襯墻，北側(cè)設(shè)置1 200 mm厚內(nèi)襯墻，頂板厚度為1 400 mm，底板厚度為1 400 mm。規(guī)劃14號線區(qū)間隧道距離結(jié)構(gòu)底板4.65～5.42 m。結(jié)構(gòu)橫斷面圖見圖2。

3 計算模型的建立

采用有限元分析軟件分別建立DY1～DY2基坑南、北兩個結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)區(qū)間相應(yīng)的三維有限元模型，分別對盾構(gòu)上下行穿越南、北結(jié)構(gòu)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出穿越過程兩個基坑的沉降模擬數(shù)據(jù)，通過模擬數(shù)據(jù)分析評價穿越過程對基坑結(jié)構(gòu)的影響，便于設(shè)置預(yù)防措施。

現(xiàn)以基坑長方形為X軸，以垂直基坑長邊方向為Y軸，豎直方向為Z軸建立三維模型并進(jìn)行計算分析。南北坑計算模型見圖3。

有限元數(shù)值模擬是基于一定的假設(shè)和模型簡化進(jìn)行的。其認(rèn)為土層為均質(zhì)水平分布，同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。模型頂面為自由面，無約束;模型底面每個方向均約束;模型4個側(cè)面均只有約束方向，其余方向自由無約束。通道基坑坑底主要位于灰色淤泥質(zhì)粘土層，新建盾構(gòu)區(qū)間位于灰色粘土層。

為準(zhǔn)確地模擬基坑開挖過程中周邊地表及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況[1]，根據(jù)上下行穿越的不同工況，可采用動態(tài)模擬施工過程的計算方法。具體穿越分為兩個時段：

初始地應(yīng)力平衡，上行線盾構(gòu)推進(jìn)：穿越過程5天。

下行線盾構(gòu)推進(jìn)：穿越過程5天。

新建地鐵14號線區(qū)間盾構(gòu)上下行施工間隔預(yù)計1個月左右，先行施工上行線，根據(jù)施工經(jīng)驗，盾構(gòu)掘進(jìn)按平均每天8環(huán)計算，則穿越北側(cè)48 m通道結(jié)構(gòu)按5天計算。上行線盾構(gòu)進(jìn)洞后，下行線推進(jìn)到通道結(jié)構(gòu)下方間隔1個月，穿越南側(cè)48 m通道結(jié)構(gòu)也按5天計算。

4 盾構(gòu)下穿前的措施

4.1 通道結(jié)構(gòu)沉降觀測

在基坑設(shè)計時，在考慮基坑本身安全的同時，應(yīng)盡量減少施工對鄰近設(shè)施的影響?；陬A(yù)留反壓土臺的分段、分層、分階段開挖方法，可在不增加造價的同時有效控制基坑變形。當(dāng)各種原因引起的結(jié)構(gòu)間沉降差異超過安全控制允許值，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)即將達(dá)到安全控制允許值時，一般采取改變挖土速度、改變挖土順序位置、加臨時鋼支撐、個別地方可采取注漿和補強(qiáng)加固等措施進(jìn)行控制。當(dāng)控制后監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率在可控范圍內(nèi)時，可在開挖最后一層土?xí)r加快基坑落底，及時澆筑混凝土墊層，并根據(jù)現(xiàn)場情況可適當(dāng)增加混凝土墊層厚度，加快結(jié)構(gòu)底板制作。在底板砼澆筑完成后，及時在底板設(shè)置沉降控制點，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工?？煽刂粕喜拷Y(jié)構(gòu)施工荷載或停止上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行沉降差異的控制，確保整個施工過程的安全?，F(xiàn)場結(jié)構(gòu)底板監(jiān)測點布置圖見圖4。

考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)縱向變形縫，在規(guī)劃地鐵區(qū)間隧道下穿土層時，隧道上方土體由于隧道掘進(jìn)過程中的土層損失而出現(xiàn)沉降，土層越深，越接近隧道，土層的豎向變形越大，而且上下行隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的土層沉降變化不盡相同，從而對上方南北兩個通道結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同。通過對變形縫南北兩側(cè)通道結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行沉降觀測，確定二者差異沉降值，對因隧道下穿引起的地道結(jié)構(gòu)風(fēng)險控制起到至關(guān)重要的作用。

4.2 設(shè)置注漿孔

在地鐵盾構(gòu)隧道中心軸線正上方及兩隧道中心連線中點的正上方通道底板處共預(yù)留3個注漿孔[2]（兼作卸壓孔），沿縱向間距2 m設(shè)一組注漿孔橫斷面，以滿足盾構(gòu)推進(jìn)時通道底板下注漿充填的要求，控制通道沉降和隆起，確保通道結(jié)構(gòu)安全。

預(yù)留注漿孔采取2寸鋼管預(yù)埋在底板內(nèi)。為避免預(yù)埋鋼管處通道底板滲水，預(yù)埋鋼管設(shè)置兩道止水鋼板，鋼管距底板底應(yīng)保留250 mm厚的混凝土結(jié)構(gòu)，后期注漿時放入注漿管時鑿除。

5 穿越過程中的模擬

5.1 上行線盾構(gòu)推進(jìn)

地鐵區(qū)間上下行線施工間隔1個月左右，先行施工上行線。上行線盾構(gòu)從東向西推進(jìn)，穿越地道結(jié)構(gòu)用時5天。從數(shù)據(jù)可以看出，盾構(gòu)穿越第一天即圖5第一天中，北地道結(jié)構(gòu)東側(cè)沉降點N2沉降數(shù)據(jù)為1.7 mm，相應(yīng)位置南地道沉降點S1沉降數(shù)據(jù)為1.6 mm。二者差異沉降較小，且距離盾構(gòu)區(qū)間隧道距離越近沉降數(shù)據(jù)越大。圖5第二、三和四天中，隨著盾構(gòu)推進(jìn)，日沉降量最大值西移，盾構(gòu)穿越后地道日變化量趨緩。圖5第五天中，盾構(gòu)已經(jīng)穿越地道結(jié)構(gòu)投影，沉降日變化量越來越小，脫離盾構(gòu)區(qū)間推進(jìn)的影響，累計沉降量逐漸趨同。

5.2 下行線盾構(gòu)推進(jìn)

下行線盾構(gòu)到達(dá)通道結(jié)構(gòu)前，通道結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)。下行線盾構(gòu)穿越沉降數(shù)據(jù)見圖6，沉降數(shù)據(jù)變化趨勢與上行線相似，下行線沉降數(shù)據(jù)大于上行線，但二者差異沉降較上行線小。隨著盾構(gòu)推進(jìn)，日沉降量最大值西移，但相對于上行線變化偏小，盾構(gòu)穿越后地道日變化量趨緩。

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分析，地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿對基坑沉降造成一定影響，地道南北基坑得益于抗拔樁、地基加固及進(jìn)出洞加固等措施已提前考慮盾構(gòu)穿越。本次基坑在盾構(gòu)穿越過程中總體沉降未超過10 mm，差異沉降未超過5 mm。故穿越影響較小，且南北基坑的差異沉降控制較好。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測成果，實測沉降值變化趨勢與模型數(shù)值分析沉降值基本吻合。本工程的沉降控制措施及最終達(dá)到的控制指標(biāo)對后續(xù)類似工程具有一定的參考意義。結(jié)合本工程實際經(jīng)驗，相關(guān)參數(shù)可作為類似盾構(gòu)下穿引起基坑沉降的管控指標(biāo)，基坑整體沉降為10 mm，差異沉降為5 mm。但仍需盾構(gòu)穿越前做好預(yù)防準(zhǔn)備措施，包括對地道結(jié)構(gòu)縱縫出現(xiàn)滲水等破壞現(xiàn)象的封堵、使用注漿孔進(jìn)行注漿補救等準(zhǔn)備措施。

6 結(jié)論與展望

①相關(guān)部門要根據(jù)地質(zhì)情況、工程特點及周邊建構(gòu)筑物等，合理地進(jìn)行施工作業(yè)。通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)來確?；訃o(hù)及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時，可以有效地控制周邊建筑物和管線的沉降和變形。

②新建隧道穿越地鐵車站、地下通道、地下管線等進(jìn)行“近接”施工時，首先對既有構(gòu)建筑物進(jìn)行安全評估，提前做好穿越前的各種施工措施;其次通過有限元等方法進(jìn)行數(shù)值計算，預(yù)測該地道的變形量，通過變形量評估地道結(jié)構(gòu)的安全性，進(jìn)而確定盾構(gòu)推進(jìn)過程中的變形控制指標(biāo);最后在盾構(gòu)隧道穿越過程中進(jìn)行變形監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗證盾構(gòu)穿越對既有構(gòu)建筑物的影響，確保該影響在安全可控的范圍內(nèi)[3]。

③利用有限元數(shù)值模擬分析方法對盾構(gòu)推進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以實現(xiàn)對推進(jìn)過程中的各個重點部位進(jìn)行超前了解，從而有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

④通過模擬數(shù)據(jù)分析，地道對盾構(gòu)穿越采取必要的加固、留注漿孔等安全措施，確保措施安全有效，并在后期結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)加以論證，為類似穿越工程提供有效的施工借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

【1】宋德鑫，陶鑄，范欽建.分坑施工在控制基坑長邊效應(yīng)中的應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2015，29（2）：84-89.

【2】華中良.預(yù)留盾構(gòu)穿越的非對稱地下結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].城市道橋與防洪，2013（7）：357-359+28.

【3】陶連金，許有俊，王文沛.盾構(gòu)穿越既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全評估[J].地下空間與工程學(xué)報，2010，6（S1）：1513-1516.

【作者簡介】余海兵（1983-），男，浙江臺州人，工程師，從事地下工程及橋梁施工技術(shù)研究。