馬運(yùn)康

(天津地鐵集團(tuán)，天津 300051)

0 引言

近年來，城市軌道交通發(fā)展迅速，修建地鐵成為解決城市交通的一條有效途徑，但同時(shí)也造成施工線路近距離穿越既有建(構(gòu))筑物的不利工況大量出現(xiàn)，這要求既要確保建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定，又要兼顧工程本身的安全和順利。

目前國內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)法隧道施工引起的沉降風(fēng)險(xiǎn)大多集中于地表變形計(jì)算，主要方法有參照Peck模型、Atwell模型、O’Rail－new模型的經(jīng)驗(yàn)公式法［1－4］，簡化邊界條件按線彈性介質(zhì)材料考慮的力學(xué)簡化法［5］，利用FLAC 3D/2D和ATINA等有限元軟件的數(shù)值模擬分析法［6－8］等，上述方法大都涉及分析地表沉降，且往往附加條件較多，計(jì)算復(fù)雜，適用性很不理想。對(duì)于盾構(gòu)線路上方建筑沉降的分析相對(duì)較少，其中，文獻(xiàn)［9］針對(duì)建筑物的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)序列具有趨勢變化和隨機(jī)變化的特點(diǎn)分別建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型 ，再將其組合起來建立綜合模型，從總體上把握沉降數(shù)據(jù)序列的變化規(guī)律，更進(jìn)一步細(xì)致分析盾構(gòu)施工各環(huán)節(jié)的影響因素、影響程度、影響規(guī)律，為控制建筑沉降提供適用性廣泛的借鑒經(jīng)驗(yàn)十分必要。

本文以天津地鐵施工中雙線盾構(gòu)穿越建筑物的成功案例為基礎(chǔ)，分析了穿越施工時(shí)影響沉降的各種因素及影響規(guī)律，提出了技術(shù)控制重點(diǎn)、難點(diǎn)。

1 工程概況

天津地鐵3號(hào)線水上北路—吳家窯區(qū)間(以下簡稱水—吳區(qū)間)范圍為CK8+743.00～CK9+561.38，全長818.38 m，起于擬建的水上北路站，橫穿衛(wèi)津路、衛(wèi)津河，到達(dá)吳家窯車站。線路穿過衛(wèi)津河后過平山里、氣象里居民小區(qū)。水—吳區(qū)間盾構(gòu)沿線穿越建筑見圖1。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，底板埋深16.4～22.3 m，頂板埋深9.6～15.5 m。

本場地地層有第四系全新統(tǒng)人工填土層(Qml)、第Ⅰ陸相層(Q43al)、第Ⅰ海相層)、第Ⅱ陸相層)及第Ⅲ陸相層()，巖性主要為黏性土、粉土及粉砂。地表普遍分布第四系全新統(tǒng)人工填土層(Qml)，巖性為雜填土及素填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)程度差。

其中氣象里小區(qū)居民樓屬于特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，沉降控制難度極大，主要難點(diǎn)為:工程位于天津市內(nèi)繁華城區(qū)，地理位置顯著;建筑基礎(chǔ)埋深淺，基礎(chǔ)形式差(條形基礎(chǔ))，所處土層較軟弱，易受擾動(dòng);結(jié)構(gòu)老舊(磚混結(jié)構(gòu))，且曾經(jīng)歷過1976年2次地震影響，可能有潛在損傷;建筑群密集，居民眾多，對(duì)居民生活影響巨大。

圖1 水—吳區(qū)間盾構(gòu)沿線穿越建筑簡圖Fig.1 Surface buildings along shield-bored running tunnel from Shuishang North Road Station to Wujiayao Station

2 盾構(gòu)穿越密集建筑群沉降風(fēng)險(xiǎn)因素

盾構(gòu)在不同地層掘進(jìn)時(shí)引起的地表變形可分為早期沉降、開挖面前變形(沉降或隆起)、盾構(gòu)通過時(shí)沉降、盾構(gòu)空隙沉降、后期沉降5個(gè)階段［10］，其產(chǎn)生的原因如表1所示。

表1 盾構(gòu)施工引起變形的原因Table 1 Causes for deformation induced by shield boring

盾構(gòu)施工引起地面沉降的因素比較復(fù)雜，其與地層條件、土倉壓力、出土量、掘進(jìn)速度、注漿時(shí)間、壓力、注漿量等都密切相關(guān)［11］，沉降量難以準(zhǔn)確計(jì)算。盾構(gòu)施工時(shí)，必須進(jìn)行信息化施工，實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的結(jié)果，隨時(shí)進(jìn)行各種施工參數(shù)的調(diào)整，從而確保盾構(gòu)施工安全順暢。

3 各階段沉降風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

3.1 早期沉降

早期沉降是隨著盾構(gòu)掘進(jìn)因地下水水位降低而產(chǎn)生的，是由地基有效上覆土厚度增加而產(chǎn)生的壓縮、固結(jié)沉降。該沉降通常在2 mm以內(nèi)，若沉降異常，則盾構(gòu)前方可能有不利地層，應(yīng)考慮超前探測確認(rèn)，并要做好應(yīng)急施工準(zhǔn)備。

3.2 開挖面前的隆沉

此階段沉降是由開挖面土壓力失衡所致，盾構(gòu)土倉壓力小于土體正面壓力時(shí)，盾構(gòu)開挖產(chǎn)生地層損失，盾構(gòu)上方地面出現(xiàn)沉降;相反，土倉壓力高于土體正面壓力時(shí)，則地面隆起。

土壓的設(shè)置一般選取原狀的天然土體的靜止側(cè)向土壓力

式中:γ為土體的容重，N/m3;h為隧道埋深，m;k0為靜止側(cè)向土壓力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出水—吳區(qū)間盾構(gòu)在穿越氣象里小區(qū)的土壓設(shè)定為1.9～2.2 MPa(最小土壓)，考慮到上部建筑荷載，取2.2 MPa。

實(shí)踐表明，盾構(gòu)機(jī)在穿越建筑物群的時(shí)候采用2.2 MPa的土壓進(jìn)行掘進(jìn)，盾構(gòu)刀盤前方的沉降大都在2 mm以內(nèi)，局部還有1 mm左右的隆起，基本達(dá)到了沉降控制的目的。

3.3 盾構(gòu)通過時(shí)的沉降

盾構(gòu)的推進(jìn)速度對(duì)地面的隆、沉變形具有明顯的影響，推進(jìn)的速度與正面的土壓力、千斤頂推力、土體性質(zhì)等因素都有關(guān)系，應(yīng)綜合考慮。本工程在盾構(gòu)穿越時(shí)的推進(jìn)速度控制為5環(huán)/d。

盾構(gòu)推進(jìn)過程中長時(shí)間的停機(jī)易造成地面大量的沉降。為了確保盾構(gòu)24 h連續(xù)推進(jìn)，在穿越前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行認(rèn)真檢查，對(duì)可能產(chǎn)生的故障預(yù)先做好維修準(zhǔn)備，同時(shí)對(duì)主要設(shè)備零件要存有備件。

3.4 空隙沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)產(chǎn)生空隙，通常采用同步注漿的方法進(jìn)行填補(bǔ)，每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的120%～200%，根據(jù)以往盾構(gòu)推進(jìn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一般每環(huán)的注漿量為建筑空隙的180%。注漿量

式中:D為盾構(gòu)切削外徑，m;d為管片外徑，m;L為管片寬度，m。

經(jīng)計(jì)算注漿量為4.9 m3/環(huán)，考慮到此段的沉降控制要求高，除了對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制外，還必須加大注漿量，并對(duì)注漿過程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，實(shí)際施工時(shí)不少于5.5 m3/環(huán)，在淺埋段時(shí)甚至達(dá)到8 m3/環(huán)。

同步注漿時(shí)要求在壓入口的壓力大于該點(diǎn)的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補(bǔ)空隙但不是劈裂注漿。注漿壓力過大，管片外的土層將會(huì)被漿液擾動(dòng)而造成較大的后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿;注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充量不足，也會(huì)使地表沉降量增大。本工程注漿壓力控制在0.35 MPa左右。

3.5 后期沉降

為控制盾構(gòu)穿越過后產(chǎn)生的沉降，需要進(jìn)行補(bǔ)漿和二次注漿。如監(jiān)測數(shù)據(jù)無異常，每2環(huán)進(jìn)行1次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿量為同步注漿量的30%，利用低壓和少量、多次注漿的方式補(bǔ)充原有漿液固結(jié)收縮所產(chǎn)生的空隙;同時(shí)對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)過后的6環(huán)進(jìn)行一次環(huán)箍注漿，每環(huán)6個(gè)孔，每孔注入1.0 m3，注漿壓力為0.3 MPa。

如果監(jiān)測數(shù)據(jù)較為不利，則考慮適當(dāng)加大注漿量。

3.6 其他風(fēng)險(xiǎn)控制

盾構(gòu)推進(jìn)過程中的盾構(gòu)姿態(tài)不好，易造成盾尾處漏漿，使地面產(chǎn)生沉降。在盾構(gòu)穿越建筑期間，確保盾構(gòu)推進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線相吻合，使盾尾四周間隙均勻，是控制地面沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

盾構(gòu)在曲線段的掘進(jìn)，要精確地調(diào)整千斤頂?shù)耐屏χ怠６軜?gòu)機(jī)軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差，應(yīng)始終控制在±50 mm內(nèi)，徑向相鄰管片拼裝錯(cuò)臺(tái)應(yīng)≤4 mm，環(huán)向管片拼裝錯(cuò)臺(tái)≤5 mm，襯砌環(huán)的橢圓度控制在5‰D范圍內(nèi)(D為管片環(huán)外徑)。

盾構(gòu)在穿越過程中應(yīng)注意出渣量的控制，每一循環(huán)的出渣量

式中:D為盾構(gòu)開挖斷面直徑，m;W為作業(yè)循環(huán)長度，m;k為渣土松散系數(shù)(取1.1～1.2)。

據(jù)此本工程出渣量應(yīng)控制在45～48 m3。在實(shí)際掘進(jìn)過程中，出渣量如超出控制值，可以通過增大土壓和減小螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)等辦法來控制出渣量。

除上述的主要原因外，管片的滲漏水將會(huì)引起周圍土體空隙水壓力下降，導(dǎo)致土體固結(jié)而產(chǎn)生地層的位移，所以在穿越建筑期間應(yīng)做好應(yīng)急準(zhǔn)備，少量的滲水和濕漬可以注雙液漿進(jìn)行封堵，一旦有超過1 m3/h的漏水，應(yīng)用聚氨酯等材料快速封堵。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

4.1 沉降主要影響因素

4.1.1 沉降關(guān)系統(tǒng)計(jì)

在實(shí)際施工過程中，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降過程的5個(gè)階段(早期沉降、開挖面前沉降、通過沉降、盾尾空隙沉降和后期沉降)將各建筑的最大累計(jì)沉降值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。測點(diǎn)與刀盤距離－沉降關(guān)系曲線見圖2，首次和二次穿越建筑物各階段沉降統(tǒng)計(jì)見表2和表3。

圖2 測點(diǎn)與刀盤距離－沉降關(guān)系曲線圖(首次穿越)Fig.2 Curves of settlement VS distance between monitoring point and cutter head(shield boring for the first time)

表2 首次穿越建筑各階段沉降統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the first time mm

表3 二次穿越建筑各階段沉降統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of settlement in each stage when shield boring underneath buildings for the second time mm

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，無論是首次穿越還是二次穿越，盾構(gòu)“通過沉降”和“盾尾縫隙沉降”占總體沉降的比重都接近90%，是控制沉降的重點(diǎn)階段。在此階段內(nèi)，密切監(jiān)測沉降、設(shè)置適當(dāng)土壓力、充分并及時(shí)注漿、保持合理速度是重中之重。

4.1.2 沉降特征分析

1)首次穿越造成的累計(jì)沉降大于二次穿越。如扣除28/30號(hào)和39/41號(hào)樓的沉降數(shù)據(jù)(遭遇特殊地層，將在其后專門討論)，首次穿越的累計(jì)沉降約為二次穿越的3.2倍，說明土體的初次擾動(dòng)對(duì)建筑沉降的影響非常重要，而且經(jīng)過首次穿越時(shí)的注漿活動(dòng)，土體得到了一定程度的加固，所以二次穿越時(shí)沉降較小。

2)首次穿越時(shí)，“通過沉降”為主，二次穿越時(shí)，“盾尾縫隙沉降”為主。首次穿越時(shí)盾構(gòu)“通過沉降”平均為“盾尾縫隙沉降”的2.4倍，占總沉降量的2/3，施工擾動(dòng)土層及土體的應(yīng)力釋放效應(yīng)十分顯著，及至二次穿越，該效應(yīng)已經(jīng)受到削弱，且由于首次穿越的注漿加固施工擠壓土體，土體內(nèi)應(yīng)力提高，因而導(dǎo)致“盾尾縫隙沉降”加大。

4.2 地層的影響及控制

在隧道施工時(shí)，由于土體的各向異性彈、塑性和黏塑性，使得地層位移的準(zhǔn)確分析和預(yù)測非常困難，反過來也說明土體性質(zhì)對(duì)地層位移有巨大的影響。本工程所處區(qū)域不同的地層力學(xué)參數(shù)差異較大，在施工過程中，左線盾構(gòu)二次穿越氣象里28/30號(hào)和39/41號(hào)居民樓時(shí)，遭遇到淤泥質(zhì)地層，排出渣土均為淤泥，導(dǎo)致該2棟建筑的平均累計(jì)沉降為其他建筑的6倍以上。

由表3中各階段沉降數(shù)據(jù)分析28/30號(hào)和39/41號(hào)居民樓，除“早期沉降”外，各階段沉降均比平均值大，這是由于淤泥質(zhì)地層黏聚力和內(nèi)摩擦角偏小，流動(dòng)性強(qiáng)，極易受到擾動(dòng)有關(guān)。尤其經(jīng)過首次穿越的注漿施工，其應(yīng)力升高。

在本工程施工時(shí)總結(jié)了“3增2減”的方法，即相比于首次穿越的施工參數(shù)，適當(dāng)增大土倉壓力、注漿壓力和注漿量，同時(shí)降低掘進(jìn)速度和減小出渣量。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，其有效克服了淤泥質(zhì)地層的不利影響，基本控制了該2棟建筑的較快、較大沉降。

4.3 覆土厚度影響及對(duì)策

建筑物的沉降與覆土厚度關(guān)系較大，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在本工程中大致呈反比線性變化，覆土厚度每減小1 m，累計(jì)沉降量增大約1.5 mm。覆土厚度對(duì)建筑沉降的影響見圖3(本統(tǒng)計(jì)未包含受淤泥地層影響的氣象里28/30和39/41號(hào)樓)。

圖3 覆土厚度對(duì)建筑沉降的影響Fig.3 Influence of overburden on building settlement

根據(jù)國內(nèi)外的實(shí)測和實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，覆土厚度對(duì)地層位移的特征影響因地層情況各異，Attewel得出關(guān)系式

式中:R為隧道半徑，m;h為覆土厚度，m;i為隧道軸線到地面沉陷槽曲線反彎點(diǎn)的距離，m;k和n為與地層特性及施工因素有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)h/2R增大時(shí)，地層上拱作用隨之增強(qiáng)，地層位移楔體變陡峭，沉陷槽變窄，即:隨著覆土厚度的增大，建筑的差異沉降將隨之增大，這與本工程的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)是一致的。

4.4 建筑自身特性的影響

除了受到施工影響，建筑物的沉降量往往與建筑物自身特性也有一定關(guān)系，如基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)形式、建筑質(zhì)量等。

在本工程中，昆侖公寓與氣象里28/30及39/41號(hào)均為6層住宅，質(zhì)量相似，但基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)不同，昆侖公寓為框架結(jié)構(gòu)閥片基礎(chǔ)，抗擾動(dòng)能力和整體性均優(yōu)于氣象里28/30及39/41號(hào)(磚混結(jié)構(gòu)，混凝土條形基礎(chǔ))，所以在首次穿越和二次穿越的施工中，累計(jì)沉降小于后者2～10 mm。

上島咖啡與德才里基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式相同，均為磚基礎(chǔ)、磚混結(jié)構(gòu)，但上島咖啡為2層商鋪，質(zhì)量小于德才里(4層居民樓)，所以在首次穿越和二次穿越施工中，累計(jì)沉降小于后者1～2 mm。

5 風(fēng)險(xiǎn)控制效果

通過以上的風(fēng)險(xiǎn)分析，在本工程盾構(gòu)雙線依次穿越特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)建筑群時(shí)，抓住了施工的主要影響因素(土倉壓力、掘進(jìn)速度、出渣量、注漿壓力、注漿量、每環(huán)糾偏量等)，同時(shí)考慮了客觀條件(特殊地層、覆土厚度、建筑自身特性等)的影響。該建筑群的沉降基本控制在－30 mm以內(nèi)，且無建筑裂縫，無不良社會(huì)影響，圓滿完成了盾構(gòu)區(qū)間施工。

6 結(jié)論與討論

雙線盾構(gòu)穿越建筑的施工風(fēng)險(xiǎn)較高，通過細(xì)致的分析和合理的施工措施可以在很大程度上降低風(fēng)險(xiǎn)。

1)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的相對(duì)位置，可以將建筑(或地表)沉降分為5個(gè)階段，其中盾構(gòu)“通過沉降”和“盾尾縫隙沉降”占的比重最大，超過了總沉降值的90%。

2)盾構(gòu)雙線首次穿越時(shí)，“通過沉降”較大，應(yīng)嚴(yán)密控制土倉壓力、出渣量和每環(huán)糾偏量;二次穿越時(shí)，“盾尾縫隙沉降”較大，應(yīng)注重注漿施工，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時(shí)補(bǔ)漿。

3)控制建筑物的沉降還需要考慮地質(zhì)情況、覆土厚度以及建筑物自身特性的變化，適當(dāng)調(diào)整施工參數(shù)，在保證安全的基礎(chǔ)上提高經(jīng)濟(jì)效益。

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