土压平衡盾构下穿密集建筑群加固方案优选

2018-11-07谭啸峰许超杨志勇

中国港湾建设 2018年10期

谭啸峰，许超，杨志勇*

（1.中交二航局南方工程有限公司，广东广州 518067；2.中交二航局技术中心，湖北武汉 430040）

0 引言

盾构法已成为广东软土地区城市轨道交通施工最常用的方法，土压平衡盾构由于其适用性、经济性等优势成为盾构施工中主要采用的施工机械[1-2]。但由于开挖面支护压力难以保持稳定且盾构掘进是一个不断维持动态平衡的过程，采用土压平衡盾构施工不可避免的将会引起地层损失，进而导致沉降变形[3-5]，尤其在地面建筑密集地区沉降过大会危害周边建筑正常使用，甚至导致工程事故发生[6]。因此，有必要研究如何采取辅助工法进行地面加固降低盾构施工对周边环境影响[7-8]。

1 工程概况

广州市轨道交通十四号线土建1标段邓村站—江埔站区间盾构隧道左、右线在里程Y（Z）CK60+800—Y（Z）CK61+100位置下穿姓钟围房屋群，长度范围约405 m，隧道埋深10～18 m，盾构隧道直接下穿房屋数量为15栋，隧道影响范围内房屋数量为38栋。隧道开挖断面土层主要为富水砂砾地层，包括粉细砂、中粗砂、砾砂和强风化砂砾岩。下穿房屋层高3～7层不等，一般采用条形基础、砖混结构，房屋之间间距2～15 m。

隧道与姓钟围房屋群之间位置关系的平面和剖面见图1。

2 盾构隧道下穿房屋加固方案

图1 隧道与姓钟围房屋群示意图（m）Fig.1 Sketch of tunnels and Xingzhongwei house group(m)

邓村站—江埔站区间盾构隧道是长距离下穿姓钟围房屋群，且穿越范围内地层分布变化较小。右线盾构距离房屋较近，产生地表沉降对房屋扰动较大，因此加固方案主要围绕房屋基础及右线盾构隧道展开。施工过程中主要考虑了以下5种加固方案。

1）袖阀管注浆加固

袖阀管注浆加固是在盾构掘进到姓钟围房屋群前进行，对姓钟围房屋群43栋房屋底部砂层部分进行预注浆加固。沿房屋结构外1.5 m、3.5 m线施做两排袖阀管注浆钻孔，同排孔间距1.5 m，打设斜孔到房屋投影下方，孔口侵入基础以下深度不小于3 m，以最大程度加固房屋下基础持力层。在盾构隧道通过前，注入水泥浆液改变地基土压缩特性，减小地层损失造成的沉降。但采用袖阀管注浆方案受地面建筑物影响较大，在建筑物周边管线较多、房屋间距狭小等情况下，袖阀管施工可实施性难度大大增加。袖阀管注浆加固示意图见图2。

图2 袖阀管注浆加固剖面图（m）Fig.2 Sleeve valve tube grouting reinforcement section(m)

2）水平定向钻孔注浆加固

水平定向钻孔注浆加固技术是利用定向钻进行钻探成孔，放置预制φ108钢阀管，用低强度快凝材料封堵环形空间后，用水力式止浆塞实现定点、定量注浆。根据工程实际情况，进行控制预注浆加固。当盾构机进入加固范围后，根据地面沉降监测数据，进行补充跟踪注浆。水平定向钻注浆可实现远距离钻进注浆，对建筑物等结构环境影响较小。

实施方法为：在姓钟围房屋群范围两个端头内成孔，在左、右线隧道上方2～3 m处平行打设一排钢阀管形成管棚，打设长度约360 m（含120 m造斜段）。钢阀管间距3 m，共设置16根。通过管内注浆将钢阀管与周围砂土层固结成整体，从而减少盾构下穿过程中拱顶砂土的流失，减少地面沉降风险。

3）MJS桩隔离加固

对于盾构侧穿建构筑物时，可在房屋与隧道间采用旋喷桩隔离的方式，目前工法主要为单（多）重管旋喷加固及衍生高压旋喷桩工法MJS、RJP等。加固的主要目的是阻断或减弱地层变形的传递，减少盾构隧道施工阶段超挖等形成水土流失对建筑物的影响，起到对邻近建筑物的保护作用。普通旋喷桩施工过程中对房屋影响较大，往往成桩过程中已造成地表沉降或隆起；采用MJS工法桩可有效控制地基内压力，减少地基变形。MJS工法桩能够在较小的空间里对土体进行加固，对施工场地要求不高。

根据加固范围设计方案拟在隧道拱顶土体进行加固处理，针对隧道与居民房相对位置不同共划分成5个加固区，每个加固区MJS桩倾斜角度随隧道和房屋之间的位置关系变化，变化范围为28°～66°，MJS桩体直径分别为1 m和1.3 m两种，相邻桩之间咬合部分宽度分别为0.2 m和0.3 m。MJS桩加固剖面见图3。

图3 重点房屋段MJS桩加固剖面图Fig.3 MJSpilereinforcementsectioninkeyhousingsection

4）超前大管棚加固

鉴于周边环境的复杂性和特殊性，且考虑到左线隧道外侧为已建成的公路下穿隧道，具备大管棚施工的条件，可以通过预先打设超长大管棚加固地层。在从化大道已建成公路隧道内向盾构隧道左、右线上方打设一排大管棚，打设范围约140 m。隧道顶上覆土约3～5 m，采用直径108 mm的大管棚，间距300 mm，单根长度20 m，管棚施打长度超过右线隧道影响范围内房屋边线3 m，单根总长度约50～60 m。管棚施工地层主要为粉质黏土层。管节需钻眼形成出浆孔，通过管棚钢管内注浆，将管棚与周围岩土体固结成整体，增加围岩强度；理想状态下能够形成一层薄壳状加固体，提高地基承载力。由于公路隧道长度有限，剩余100 m部分房屋下方仍无法进行大管棚施工，需要其他辅助工法加固。大管棚加固断面见图4。

图4 管棚加固横断面布置图Fig.4 Cross section plan of pipe shed reinforcement

5）隧道内部注浆加固

当地面建筑密集无法满足注浆加固施工条件时，也可采用地下注浆加固的方式。通过先期在左线隧道内注浆加固右线未推进隧道顶部土层，减小右线隧道通过时地层沉降。洞内加固注浆采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，注浆时在不改变地层组成的情况下，将土层颗粒间水挤出，使颗粒间的空隙充满浆材并使其固结，达到改良土层性状的目的。具体实施方式为：在待掘进隧道中心以上6 m及隧道中心两侧各5 m，纵向240 m长度范围内进行注浆加固。注浆孔孔底间距0.9～1.5 m，隧道内每环管片设计6个注浆孔。隧道240 m加固长度共布设954个注浆孔。注浆加固断面见图5。

图5 隧道内注浆加固示意图Fig.5 Grouting reinforcement in tunnel

3 方案比选及综合分析

不同加固方案比较如表1所示。

根据现场的实际情况，综合考虑各加固方案的可靠性、可实施性、工艺的成熟程度等，在兼顾经济性合理的同时，也要考虑缩短工期所节约的时间成本，得出以下结论：

1）各种辅助工法在实施过程中均不同程度地受到场地限制、环境限制等影响，特别是常规的袖阀管注浆施工，需要进行大面积人员临迁，可实施性最低；而水平定向钻注浆对环境影响最小，可实施性最高，但其在市政加固项目应用较少，可借鉴经验少且加固效果仍有待验证。

2）各种辅助工法中，大管棚加固效果最佳，并且成功应用于浅埋暗挖等地质条件较差、地面沉降控制要求较高的市政工程中，具有成熟的施工经验。但其在施工前需要进行工作井施工，本项目中虽可借助现场已有公路隧道结构物进行工作井施工，但成本较高。

3）洞内注浆方案可在隧道内进行，对地面环境影响小。但其必须在一条已建隧道作为加固施工区，对盾构施工组织造成较大影响，并且目前洞内注浆加固主要针对联络通道施工加固，并没有大面积使用的可借鉴经验，对区域管片造成的影响还需要进一步分析和研究。

表1 不同加固方案比较Table 1 Comparison of different reinforcement schemes

4）MJS高压旋喷桩工法通过地内主动排浆监测系统，有效控制地内压力，对地面房屋影响较小；同时高压旋喷成桩，成桩半径、桩身强度可控，加固效果仅次于管棚法；MJS工法桩施工设备已开始国产化，施工成本比袖阀管注浆工艺略高，但远低于管棚法施工，经济性较好。

综上所述，在类似地质条件复杂且地面房屋密集无迁改条件下，采用MJS工法桩对房屋进行隔离加固方案在加固效果、经济性、对环境影响等综合条件比选下最为有利。

4 MJS工法桩加固效果

采用MJS桩加固后，盾构顺利穿越房屋密集群，盾构掘进过程中房屋沉降统计值见图6。盾构掘进过程中右线隧道下穿后房屋沉降曲线波动较大，对房屋影响较大；局部对个别房屋沉降较大，最大累计沉降值12 mm，这主要是因为施工过程中打设该位置时咬合桩连续打设，受到场地影响未能按照“打一跳二”的既定施工顺序施工。综合分析，双线盾构通过工程中，房屋沉降基本控制在±4 mm以内，差异沉降量控制在±1 mm左右，房屋倾斜度满足规范要求。由此说明采用高压微扰动旋喷桩（MJS）咬合加固对房屋起到了很好的保护作用。