盾构施工下穿建筑桩基的影响研究

岳鹏飞,戴 泉,何 炬

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251；2.中铁工程设计咨询集团郑州设计院,郑州 430071；3.中铁工程设计咨询集团城交院,北京 100055)

随着城市的发展,传统的地面交通难以满足人们出行的需求,交通拥堵已经成为制约城市发展的一大痼疾,而地铁以其高效率,低能耗,充分利用城市空间等优点[1]成为大中城市解决城市交通拥堵的首选。而越是需要解决交通拥堵的区域越是地面建筑繁多的地区,由此不可避免地出现大量地铁邻接既有建筑施工的情况。盾构法以其独特的优势成为目前城市地铁施工中普遍采用的方法,但仍不可避免对土体造成扰动,如何在设计中采取必要且有效的措施来控制地铁施工对建筑物的影响,是设计单位要研究的重要问题之一。

地铁施工对建筑物的影响不单是隧道工程或岩土工程的问题,它是隧道-土体-建筑物共同作用的结果,由于其结构的三维特性,施工方法的差异性,很难确切计算隧道开挖对结构的影响,目前的研究主要采取模型试验和数值模拟的方法[2]。本工程中采用数值模拟的手段,分析盾构对建筑物的影响,以及验证设计措施的效果。

1 工程概况

以深圳地铁5号线DK6+199～DK6+301(右线里程)穿越宝安区某住宅小区为研究背景。建筑物基础采用φ480 mm灌注桩,每根桩的承载力为600 kN,桩体有效长度17 m。桩底距离隧道拱顶约为4 m。桩基布置在建筑物四周,共3排,横向间距3.5 m,纵向间距4.4 m,其中前后2排各5根,中间1排2根。盾构隧道实际开挖过程中,线路从建筑物下方偏左的位置穿过,位于左侧第2列桩基正下方。隧洞开挖外径6.28 m,内径5.4 m,管片厚度0.3 m,管片外为注浆层,管片宽度1.5 m。建筑桩基与隧道位置立面见图1。

图1 隧道与建筑桩基础位置立面(单位：m)

2 数值计算模型

由于建筑基础为桩基,上部结构与桩基的协同作用对土体产生的约束很小,拟通过桩基的受力与变形特性来反应开挖对上部结构的影响程度。即将上部建筑与桩基分开考虑,使建筑物的荷载直接作用于桩顶,从而简化模型。各层土体物理力学特性见表1。

表1 地层主要物理力学指标

模型宽50 m,高34 m,长30 m,隧道中间布置,建筑物与隧道相对位置按实际工况布置,桩基位置距离初始开挖面3 m。三维计算模型见图2。隧道施工过程分20步开挖,每步1环,每环1.5 m,每一施工步包含着开挖土体、拼装管片、壁后注浆几个工序,如此循环,直至整个施工完成。

图2 三维计算模型

3 盾构施工引起的地基沉降分析

地层沉降的主要原因在于施工过程中引起的地层损失和经扰动后的土体的再固结。

而桩基的沉降[3]主要因素有：(1)桩周土下沉产生的负摩阻力导致的桩基下沉;(2)隧道下穿桩基时造成基底土体的沉降以及由此造成桩端承载力的下降而引起的桩基沉降;(3)土体侧向移动引起的桩基的侧向变形产生的沉降。

本文选取建筑物中间位置地面变形为研究对象,根据不同的开挖步绘制地表横向沉降曲线。图3为加固前桩基荷载作用下不同施工步的建筑物横向沉降曲线。

图3 加固前建筑物横向沉降曲线

从地表横向沉降曲线变化图不难看出,在盾构掘进的开始阶段,建筑物范围内地表沉降较为均匀,随着开挖的不断推进,地面各点的沉降逐渐以隧道轴线位置为中心产生不均匀沉降。而竖向沉降量随着开挖的进行表现出先大后小的变化规律,并最终趋于稳定,沉降主要发生在隧道中心左右10 m范围内,占总沉降的80%,沉降曲线接近Peck[4]曲线。

同时,选取第1排桩沉降值为考察对象,如图4所示,其中桩号按从左往右的顺序排列。从沉降曲线可以看出,桩基的沉降大致与地表土体沉降规律一致,但在上部荷载作用下其最终沉降量略大。

图4 第1排桩基不同施工步横向沉降曲线

这种沉降规律对于上部建筑物来说,在开挖的初始阶段,建筑物随着土体均匀沉降,上部结构变形较小,不会产生拉、压破坏。而随着开挖的推进,后方土体逐渐固结稳定,由于扰动程度不同,其最终沉降量表现为差异沉降,此时建筑物很容易产生受拉或受压破坏。因此根据预测沉降量,设计考虑采用加固措施保护建筑物。

4 风险控制措施分析

隧道开挖过程中无论采用何种工法难免会对土体产生扰动,土体的变化又必然会影响桩基础的受力特性,从而对上部结构产生一定影响[5]。根据上述数值模拟结果,如盾构采用一般参数正常推进,将造成该建筑物不均匀沉降超限,进而危及建筑物安全及使用,为此必须要考虑下穿建筑物的影响。

目前下穿建筑物的处理措施主要以下几种：

(1)在选线时尽量绕避建筑物及管线；

(2)地面采取主动措施对建筑物进行加固；

(3)施工时采取洞内加强注浆、调整盾构机掘进参数等洞内措施；

(4)拆除建筑物,异地重建,或地铁施工后原地重建。

在本工程中,该小区位于线路转弯段,不可避免要下穿部分小区,调线方案不可实施；拆除方案适用于小型建筑物,经过技术经济比较,如拆迁难度小,且费用低于加固费用可以考虑拆迁,本工程为入住10年以上的成熟大型居民小区,拆除方案不适用。

继续对比洞内加固方案与地面加固方案,如采用洞内加固,超前注浆施做对盾构施工有干扰,壁后注浆作为补充,对控制沉降作用有限。

如采用地面注浆方案,对建筑物桩基周边土体进行加固,可提高地基承载力、加强周边土体对桩基的摩擦力以及加强盾构通过区域土体的整体性,且注浆工艺成熟,加固效果较理想。经过现场考察,该小区物业同意地面注浆加固方案,也提供现场作业条件。

经上述分析,最终采取地面深孔加固方案。

在地面采取预注水泥-水玻璃双液浆,沿隧道轴线方向在地面先外侧,后内侧,间隔钻孔注浆。注浆压力控制在1.0～2.0 MPa,注浆结束标准为当单孔注浆终压达到2.0 MPa,持续20 min,吸浆量很少或不吸浆时,结束注浆,注浆后地面建筑物实际监测数据如图5所示。

图5 加固后建筑物横向沉降曲线

在采用深孔加固措施后,隧道目前安全下穿通过该居民区。

5 结 论

通过对建筑物等风险源的数值模拟、加固方案及加固效果对比,得出以下几点结论。

(1)盾构从桩基以下通过时,桩基随土体一起下沉,沉降规律大致与地表土体沉降规律一致,都表现为槽形不均匀沉降,但桩基在上部荷载作用下其最终沉降量较土体沉降略大。因此，当沉降量超过允许沉降值时需对地基做加固处理。

(2)对于隧道开挖断面分布的桩基础,距隧道越近,受到的影响越大。桩基础在隧道开挖的过程中有向隧道偏移的趋势,应该引起足够的重视。

(3)通过盾构施工引起地表沉降理论分析和监测结果对比,验证设计措施对建筑物保护的有效性,为今后类似风险工程的处理提供一定的参考。

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2] 戴泉.地铁盾构施工与邻近建筑桩基相互影响的研究[D].兰州：兰州交通大学,2010.

[3] 阮林旺,李永盛.软土盾构法施工引起相邻桩体变形和受力研究[J].隧道及地下工程,1997,18(3):18-23.

[4] Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground[C]∥Proceeding of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico City: State of the Art Report,1969:225-290.

[5] 刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社,1991.