趙 勇，喻 偉，張 東，陳長勝，翟乾智，李宏波

(1.中鐵南方投資集團有限公司， 廣東 深圳 518000；2.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

深圳地鐵14號線(見圖1)，共計21個盾構(gòu)區(qū)間。布吉站—石芽嶺站采用盾構(gòu)+礦山法；昂鵝出入段線、公園南出入場線區(qū)間采用盾構(gòu)+明挖法；其余區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工。線路全長50.34 km(崗廈北—沙田)，設(shè)站18座(樞紐站3座，換乘站10座，標準站5座，平均站間距3.1 km)，全地下敷設(shè)，列車采用全自動無人駕駛地鐵列車。車輛最高設(shè)計運行速度為120 km/h。

圖1 深圳地鐵14號線路線圖

為確保盾構(gòu)順利通過軟硬交互地層下穿建筑物的難題，為盾構(gòu)掘進提供關(guān)鍵控制參數(shù)。張喬毓[1]對建筑物袖閥管注漿加固,在盾構(gòu)穿越時對洞內(nèi)管片背后二次深孔加強注漿等手段，對鐵路股道及站房的沉降控制起到良好效果。楊益等[2]以常州地鐵下穿建筑物沉降為研究背景，得出洞內(nèi)二次補漿是地層控制的重要手段。張哲[3]以武漢地鐵8號線為工程背景，通過研究袖閥管加固和不同水灰比得出沉降控制的最佳水灰配比。謝雄耀等[4]提出了微沉降控制技術(shù)，在地表沉降發(fā)生之前及時注漿填充地層損失的空隙防止地表沉降，保證建筑物安全。張靖宇等[5]運用故障樹風險分析方法，逐層找出建筑塌陷和損壞風險源，提出控制預防和處理的方案。孫峰[6]運用PLC系統(tǒng)對建筑物沉降變形進行監(jiān)測，研究了盾構(gòu)下穿建筑物地層擾動的影響。謝雄耀等[7]以南寧地鐵1號線下穿居民小區(qū)為對象，對泥漿性能指標進行優(yōu)化了漿液配合比，提出以土倉壓力為控制指標，減小掘進參數(shù)波動從而控制地表沉降。梁新權(quán)等[8]提出以旋噴樁為注漿加固手段，可以確保流塑狀殘積粉質(zhì)黏土地層加固效果明顯。并有多名學者利用數(shù)值計算軟件工具對盾構(gòu)下穿建筑物進行數(shù)值計算，得出建筑物變形依據(jù)[9-14]。但很少提到在軟硬不均地層中，盾構(gòu)下穿建筑物過程中利用土倉壓力和注漿加固聯(lián)合控制技術(shù)來進行施工。采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場驗證相結(jié)合的方法為盾構(gòu)通過上軟下硬地層提供土倉壓力等關(guān)鍵參數(shù)。

1 工程地質(zhì)概況與工程重難點

深圳市軌道交通14號線四坳盾構(gòu)區(qū)間主要分布有第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，第三系白云坑組(Eb)含礫砂巖，侏羅系塘廈群(J2tn)角巖、碎裂巖，石炭系測水組(C1c)含礫砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、碎屑灰?guī)r、灰?guī)r，燕山期(γ53)花崗巖，震旦系(Z1d)混合巖。

四坳區(qū)間洞身范圍主要為強風化角巖、中風化角巖、微風化角巖；微風化角巖單軸抗壓強度平均值85.8 MPa，中風化角巖單軸抗壓強度平均值43.4 MPa，地層如圖2所示。

圖2 地質(zhì)剖面圖

(1) 區(qū)間地質(zhì)復雜，不良地質(zhì)多，施工風險高。

區(qū)間地質(zhì)復雜，灰?guī)r溶洞、軟硬不均等不良地層較多，區(qū)間中上部地層為軟土或全強風化地層，中下部為中風化、微風化巖層，盾構(gòu)在此地層掘進技術(shù)要求較高，易造成姿態(tài)控制困難和上部超挖，從而造成地面較大沉降，甚至發(fā)生塌陷。

(2) 盾構(gòu)區(qū)間穿越多層建筑物、橋梁、軌道交通、河流等多種不良條件，地表變形控制嚴格。

四坳區(qū)間大部分穿越繁華鬧市區(qū)，同時周邊多條地鐵線路同步建設(shè)，地面交通流量大、周邊商業(yè)區(qū)多、建筑物密集、環(huán)境非常敏感，減少擾民及降低對交通、民生、商業(yè)的影響是非常重要的；四坳區(qū)間多處下穿或側(cè)穿既有運營地鐵線、鐵路、高速公路、房屋、河流、橋梁等，既有建構(gòu)筑物的保護要求高，安全風險大。

2 不同加固深度下地表變形分析

2.1 盾構(gòu)下穿建筑物情況

四聯(lián)站—坳背站區(qū)間自四聯(lián)站始發(fā)，進入賢合小區(qū)，下穿四聯(lián)河暗渠，分別穿越茂盛村、旱塘村、獨竹村、189工業(yè)園區(qū)，沿紅棉四路-南北干道下方敷設(shè)，下穿四聯(lián)河暗渠、橫坪快速路、廈深高鐵后繼續(xù)沿紅棉四路鋪設(shè)至坳背站，四聯(lián)站—坳背站區(qū)間盾構(gòu)全長2 626.671 m。

圖3 四聯(lián)站—坳背站區(qū)間平面圖

區(qū)間下穿茂盛村房屋均為混凝土結(jié)構(gòu)，房屋層數(shù)在3～6層(以4～5層居多)，淺基礎(chǔ)，埋深在3.5 m左右，區(qū)間隧道拱頂穿越地層為粉質(zhì)黏土、全風化角巖及土狀強風化角巖為主，隧道拱頂距地面11.146 m～15.887 m。隧道穿越茂盛村如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)穿越建筑物總體示意圖

盾構(gòu)穿越茂盛村距離較長，建筑物基礎(chǔ)形式多樣，具有筏板基礎(chǔ)、獨立擴大基礎(chǔ)、和樁基礎(chǔ)。盾構(gòu)下穿獨立基礎(chǔ)如圖所示，盾構(gòu)下穿樁基礎(chǔ)如圖5、圖6所示。

圖5 區(qū)間隧道與建筑物的關(guān)系

圖6 區(qū)間下穿茂盛新村建筑群分布

區(qū)間采用復合式土壓平衡盾構(gòu)施工，最小曲線半徑750 m，線間距6.60 m～30.86 m，最小坡度5‰，最大坡度為29.171‰，埋深約8.5 m～39.0 m，管片外徑6.7 m、內(nèi)徑6.0 m，厚度0.35 m，管片寬度1.5 m。

2.2 巖土體物理參數(shù)

本文的土體單元采用摩爾-庫侖模型，地層從上往下主要包含素填土、粉質(zhì)黏土、全風化角巖、微—中分化角巖，巖土體主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理參數(shù)

2.3 建筑物加固地層沉降分析

為了保證盾構(gòu)穿越建筑物穩(wěn)定性，現(xiàn)對擴大基礎(chǔ)底部分別進行5 m、7 m、8 m、10 m等不同加固深度研究，得出不同加固深度的地表沉降曲線見圖7。

圖7 不同加固深度地表沉降變形

圖7中7 m、8 m、10 m加固范圍的地表沉降較為均勻，建筑物范圍內(nèi)地表傾斜在0.4 mm/m左右，計算未出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大的塑性變形區(qū)，建筑物在盾構(gòu)掘進開挖時能夠安全穩(wěn)定掘進；同時考慮到加固的經(jīng)濟性，建議盾構(gòu)在掘進通過此地層時，對建筑物加固7 m以上，加固模型如圖8所示。

圖8 加固7 m地表變形

對加固之后的建筑物進行分析，取5個不同剖面地表沉降圖進行分析，得出如圖9所示曲線。

圖9 加固7 m地表變形曲線

圖中10、20、30、40、50為模型中不同剖面。盾構(gòu)穿越地區(qū)建筑物均有不同程度的沉降。其中建筑物JZ-10左前方拐角處沉降為12.1 mm，右后方拐角處沉降為9.3 mm；盾構(gòu)豎直下穿建筑物JZ-11的右后方沉降達到10.5 mm，左前方沉降為13.3 mm；遠離盾構(gòu)有限區(qū)域的建筑物JZ-12的左前方沉降為6.2 mm，右后方沉降為7.1 mm。計算結(jié)果表明盾構(gòu)穿越建筑物周圍地表的沉降達到12 mm～13 mm。加固時候的建筑物地表沉降得到明顯控制。

2.4 不同土倉壓力下地表沉降

為了研究地層加固之后地表在不同土倉壓力下的地表沉降，分別對不同土倉壓力地表沉降進行分析，見圖10—圖12。

圖10 1.0 bar土倉壓力地表沉降

圖11 1.5 bar土倉壓力地表沉降

通過分析不同土倉壓力和地表變形的最大量，見圖13，得出地表沉降和土倉壓力大致呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系：

y=14.389ln(x)-10.407

其中：y為地表變形，mm；x為土倉壓力，MPa。相關(guān)性系數(shù)：R2=0.809 8，表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。

圖12 3 bar土倉壓力地表沉降

圖13 不同土倉壓力下地表沉降圖

2.5 建筑物加固方案

為確保盾構(gòu)下穿建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定，對房屋周圍預埋單排跟蹤注漿孔，注漿孔距房屋邊緣為1.5 m～5.0 m不等；加固時進行斜孔注漿，角度30°～55°，注漿深度為地面以下7 m～11 m(預埋深度視實際房屋基礎(chǔ)情況定)；注漿過程中控制注漿壓力1.0 MPa～2.0 MPa，防止注漿壓力過大，造成對房屋基礎(chǔ)的破壞。

2.6 土倉壓力變化

為了研究盾構(gòu)穿越建筑物時土倉壓力變化，提取盾構(gòu)掘進過程中土倉壓力，土倉壓力過程見圖14。

圖14 土倉壓力變化曲線

圖14中所示土倉壓力平均值為1.5 bar，土倉壓力最大值為2.3 bar，最小值為0.85 bar。土倉壓力在1.2 bar～1.9 bar區(qū)間范圍內(nèi)分布較多，占總的78.2%，其中土倉壓力大于2 bar的占比12.72%。各土倉壓力沿縱斷面分布如圖15所示。

圖15 土倉壓力分布直方圖

2.7 現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測

對掘進區(qū)間右線DK30+912—DK32730進行現(xiàn)場沉降監(jiān)測。本次分析區(qū)間右線76個監(jiān)測點的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得出區(qū)間地表沉降平均為-4.63 mm，地表沉降的最大值為-20.2 mm，地表隆起數(shù)據(jù)為11個，最大地表隆起為5.6 mm。區(qū)間沉降分布趨勢如圖16、圖17所示。

圖16 地表沉降圖

圖17 地表沉降頻率分布圖

3 結(jié) 論

針對盾構(gòu)斜穿建筑物地表下沉難題，本文利用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，得出以下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)在下穿建筑物時先對不同建筑物的加固深度進行分析，找出合適的加固深度，然后通過控制土倉壓力的方法為盾構(gòu)掘進提供關(guān)鍵參數(shù)。

(2) 盾構(gòu)在斜穿建筑物時，由于地層損失的時空效應(yīng)造成隧道上方建筑物下部土體的應(yīng)力重分布，從而導致建筑物基礎(chǔ)薄弱部位和建筑物拐角位置的穩(wěn)定性發(fā)生改變，為了確保建筑物穩(wěn)定，應(yīng)在建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)進行地層加固。

(3) 通過地層加固和土倉壓力關(guān)聯(lián)分析的地表沉降研究，發(fā)現(xiàn)此種方法能夠較好的保證盾構(gòu)施工時建筑物的穩(wěn)定，為盾構(gòu)斜穿建筑物提供了較好的加固和控制依據(jù)。

(4) 盾構(gòu)在穿越過程中土倉壓力波動會影響出渣量，進而導致地表發(fā)生變形。