陸宏朝，李 鵬，郭 峰，李軍鋒，侯建林，鄭選榮

（1、中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司 合肥 230088；2、西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 西安 710054）

近些年來(lái)，隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展，城市地鐵線路愈發(fā)密集，新的地鐵隧道建設(shè)過(guò)程中不可避免要下穿一些老舊村莊建筑群，這些年代較為久遠(yuǎn)、沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工的老舊村莊，對(duì)沉降變形十分敏感。當(dāng)盾構(gòu)下穿引起地層損失后，極易引起建筑物開(kāi)裂、不均勻沉降、傾斜等危害。部分區(qū)域以自穩(wěn)性差的富水砂層為主，地層的復(fù)雜進(jìn)一步加大了盾構(gòu)施工的難度與風(fēng)險(xiǎn)。為此，富水砂層盾構(gòu)下穿老舊村莊施工過(guò)程中，必須采取有效的沉降控制措施，以確保盾構(gòu)順利、安全、高效地掘進(jìn)。

針對(duì)盾構(gòu)下穿引起的建筑物不均勻沉降以及地表沉降等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了研究。PECK［1］基于對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了著名的PECK 公式，假定地表橫向沉降槽呈正態(tài)分布；雷江松［2］對(duì)盾構(gòu)隧道注漿加固進(jìn)行分析，提出上下隧道工程應(yīng)采取注漿加固保護(hù)手段，控制并減小施工對(duì)既有隧道的影響，上隧道施工時(shí)，下隧道的注漿加固范圍應(yīng)盡可能加大；賈小偉等人［3］認(rèn)為盾構(gòu)穿越樁基礎(chǔ)時(shí)，樁基會(huì)抑制土體豎向位移，使其變形曲線為“蝴蝶狀”；徐林等人［4-5］對(duì)盾構(gòu)穿越建、構(gòu)筑物的影響規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)建筑的傾斜值、最大沉降量以及最大扭矩與兩建筑物間的凈距和隧道的深度有著密切聯(lián)系，相鄰建、構(gòu)筑物間存在保護(hù)現(xiàn)象；趙星等人［6］通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)隧道側(cè)穿建筑物進(jìn)行研究，隨著刀盤(pán)距離建筑物越來(lái)越近，盾構(gòu)對(duì)建筑物的影響越來(lái)越大，建筑物發(fā)生的變形也越來(lái)越大，主要變形表現(xiàn)為建筑物的沉降；盧鵬等人［7］研究認(rèn)為建筑沉降與地表沉降規(guī)律相近；余濤［8］通過(guò)有限元分析盾構(gòu)下穿密集房屋群時(shí)，不同盾構(gòu)推力以及注漿壓力對(duì)地表和房屋位移變化的規(guī)律；陳仁朋等人［9］通過(guò)有限元模擬，研究建筑物變形與地層變形間的相互作用關(guān)系；岳鵬飛等人［10］通過(guò)建立樁基-土體-隧道共同作用的有限元模型，分析在建筑物荷載作用下地層沉降規(guī)律以及樁基受力特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)下穿引起建筑物的沉降的研究多通過(guò)理論分析、有限元模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式找道盾構(gòu)開(kāi)挖引起的沉降規(guī)律，隨后采取相應(yīng)的施工控制措施減少沉降量。但是針對(duì)富水砂層等軟弱地層，研究一套系統(tǒng)的盾構(gòu)村莊下穿老舊村莊沉降控制方法還并不多見(jiàn)。

本文以西安地鐵16號(hào)線一期某區(qū)間工程為依托，對(duì)富水砂層盾構(gòu)下穿老舊村莊村將控制技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)地質(zhì)勘測(cè)、有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及停機(jī)注漿相結(jié)合的方式，形成一整套盾構(gòu)下穿老舊村莊的沉降控制方法，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，以期為類(lèi)似地層盾構(gòu)施工提供實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

西安地鐵16號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道全長(zhǎng)1 678.148 m，左右線間距14～17 m，設(shè)計(jì)隧道地板埋深介于16.63～29.57 m，相應(yīng)高程為361.14～376.70 m。區(qū)間地層從上到下主要為素填土、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)粘土；地下水穩(wěn)定埋深14.2～20.0 m。區(qū)間隧道擬采用盾構(gòu)法施工，開(kāi)挖直徑6 480 mm。穩(wěn)定地下水位埋深11.0～16.2 m。盾構(gòu)與村民樓的位置關(guān)系如圖1所示。盾構(gòu)穿越的房屋為磚混結(jié)構(gòu)，層高3.3 m，房屋由前1 層后3 層組成，基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2～3 m，隧道埋深15 m。由于房屋高低不一，對(duì)沉降較為敏感。盾構(gòu)區(qū)間距離地表比較接近，盾構(gòu)施工對(duì)村民樓影響較大，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 盾構(gòu)與村民樓的位置關(guān)系圖Fig.1 Position Relationship between Shield and Village Building （m）

2 沉降控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，結(jié)合有限元軟件模擬富水砂層區(qū)域，盾構(gòu)下穿老舊村莊的全過(guò)程。并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，評(píng)估盾構(gòu)下穿老舊村莊施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2.1.1 盾構(gòu)下穿老舊村莊有限元模擬

為評(píng)估盾構(gòu)下穿老舊村莊對(duì)周邊環(huán)境及地表沉降的影響，采用有限元軟件MIDAS-GTS NX 建立西安地鐵16 號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間下穿老舊村莊的三維有限元模型，模型尺寸取為108 m×93 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高）。隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m。隧道埋深為15 m，左右線豎向軸線間距17 m。村民樓基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，柱截面邊長(zhǎng)500 mm，柱長(zhǎng)2.5 m。有限元模型中從上到下地層依次為素填土、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)粘土。根據(jù)上述資料建立數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 房屋及其基礎(chǔ)模型Fig.2 Housing and Its Foundation Model

土層、注漿層采用3D 實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片、盾殼利用軟件功能形成的2D 板單元模擬。土層采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)筑物及盾構(gòu)結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)關(guān)系。利用實(shí)體單元建立建筑、土體與襯砌，實(shí)體單元能夠在軟件中對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行可視化處理，直觀地判斷建筑變形的危險(xiǎn)之處。有限元模型中各土層參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameters of Soil Layer

表2 盾構(gòu)支護(hù)參數(shù)Tab.2 Shield Support Parameters

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為評(píng)估盾構(gòu)下穿對(duì)老舊村莊周邊環(huán)境的影響，主要需要監(jiān)測(cè)盾構(gòu)下穿過(guò)程中地表沉降的變化。為了分析盾構(gòu)施工過(guò)程中左右線開(kāi)挖對(duì)地表沉降的變形的影響，選取一橫向斷面進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面選取如圖3所示，沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面選取示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Monitoring Section Selection

由圖4 可知，右線開(kāi)挖引起了左線周?chē)馏w沉降的進(jìn)一步增大。當(dāng)右線隧道貫通后，左線的沉降由原先的-7.63 mm 增長(zhǎng)到-11.24 mm，后行開(kāi)挖對(duì)先行開(kāi)挖隧道周?chē)馏w產(chǎn)生的沉降值達(dá)到原有沉降的43.3%，由此可見(jiàn)后行開(kāi)挖的隧道對(duì)先行隧道周?chē)馏w的二次擾動(dòng)不可忽視。當(dāng)左右線都貫通后，左右線的最大沉降均發(fā)生在隧道軸線上，最大沉降值為-11.24 mm。綜上可知，在富水砂層盾構(gòu)下穿老舊村莊施工過(guò)程中，左右線的正上方沉降最大，風(fēng)險(xiǎn)最大，且后行線開(kāi)挖引起先行線周?chē)馏w的二次擾動(dòng)也需要引起重視，需提前做好預(yù)防措施，確保盾構(gòu)施工安全。

圖4 橫斷面地表沉降Fig.4 Surface Subsidence of Cross Section

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)老舊村莊的地質(zhì)沉降，地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器終端、監(jiān)測(cè)基站、服務(wù)器、中央控制器和報(bào)警器，在勘測(cè)范圍內(nèi)，均勻布設(shè)多個(gè)傳感器終端，傳感器終端與監(jiān)測(cè)基站通訊連接，監(jiān)測(cè)基站再與服務(wù)器、中央控制器等連接，并在中央控制器中預(yù)設(shè)地質(zhì)沉降報(bào)警閾值，最終形成完整的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器如圖5 所示。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)估施工環(huán)境是否達(dá)到施工要求，若未達(dá)到施工要求，暫停施工，對(duì)盾構(gòu)機(jī)附近富水砂層進(jìn)行抽水注漿處理。

圖5 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)Fig.5 Automated Monitoring

2.3 停機(jī)抽水注漿

當(dāng)施工環(huán)境不滿(mǎn)足施工要求是，需要暫停施工，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行抽水注漿處理，抽出砂層中的水，并在空出區(qū)域注入泥漿，在重新監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降，直到滿(mǎn)足施工要求。

2.3.1 注漿前停機(jī)處理

⑴根據(jù)超前注漿施工要求，需要準(zhǔn)備的設(shè)備和材料有鉆機(jī)、雙液注漿泵、雙漿液（水泥漿液水灰比1∶1；水玻璃40波美度1∶1稀釋?zhuān)?、膨?rùn)土泵、盾構(gòu)膨化好的納基膨潤(rùn)土（黏度設(shè)置為60～70 s）以及鉆孔平臺(tái)搭設(shè)所需要的手腳架等零件。

⑵在盾構(gòu)機(jī)四周預(yù)留12 個(gè)超前注漿孔，超前注漿孔位置如圖6所示。盾構(gòu)機(jī)上預(yù)留的超前注漿孔直徑為100 mm，選用鉆頭和鉆桿直徑均為42 mm，單節(jié)鉆桿長(zhǎng)2.0 m。

圖6 預(yù)留注漿孔位置Fig.6 Position of Reserved Grouting Hole

⑶土倉(cāng)內(nèi)注漿保壓：為了維持土倉(cāng)壓力，確保順利開(kāi)倉(cāng)，以及防止超前注漿壓力太大對(duì)盾體造成危害，需要對(duì)土倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行注漿處理，且注漿過(guò)程中反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)，確保盾體不被水泥漿凝固。

2.3.2 抽水注漿施工

⑴鉆孔施工：控制好鉆桿的傾斜角度、鉆桿長(zhǎng)度，確保鉆桿能到達(dá)預(yù)定的深度。

⑵抽水注漿施工：采用分步抽水和注漿處理，將注漿管穿入砂層中，抽出砂層中的水，在使用雙液注漿泵向砂層注入漿液。鉆桿內(nèi)注漿管端部封堵，注漿管周面設(shè)置有主通孔a 和副通孔b，主通孔和副通孔均在注漿管周面上均勻設(shè)置多個(gè)，注漿管橫截面如圖7 所示。設(shè)置的主通孔的尺寸大于副通孔的尺寸，當(dāng)通過(guò)注漿管1 進(jìn)行注漿時(shí)，主通孔尺寸大于副通孔尺寸，泥漿從主通孔噴出的速度小于從副通孔噴出的速度，則泥漿從主通孔噴出的距離和深度小于從副通孔噴出的距離和深度，以對(duì)不同距離和深度處進(jìn)行注漿處理，注漿范圍更全面。注漿結(jié)束后及逆行封孔處理，待重新監(jiān)測(cè)地質(zhì)沉降程度處于允許范圍時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工。

圖7 注漿管橫截面Fig.7 Cross Section of Grouting Pipe

通過(guò)這套系統(tǒng)的沉降控制措施，確保盾構(gòu)下穿富水砂層老舊村莊的掘進(jìn)施工效率和安全性。

3 結(jié)論

⑴雙線盾構(gòu)施工時(shí)，后行線施工對(duì)先行線隧道周邊土層的二次擾動(dòng)較大，施工過(guò)程中不可忽視二次擾動(dòng)對(duì)地表建筑的影響，需要提前做好預(yù)防措施，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

⑵富水砂層地區(qū)，盾構(gòu)下穿老舊村莊施工時(shí)，因砂層自穩(wěn)性差，易造成較大的地層損失，且穿越房屋密集的村莊時(shí)，地面環(huán)境復(fù)雜，難以滿(mǎn)足地面加固施工條件，為此采用洞內(nèi)超前注漿加固，實(shí)際施工表明，加固效果良好。

⑶采用洞內(nèi)盾構(gòu)超前注漿，因注漿壓力大，操作不當(dāng)會(huì)引發(fā)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備損壞，水泥漿液凍結(jié)盾體等風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)施工前的專(zhuān)業(yè)技術(shù)交接和施工過(guò)程管理。