超大直径盾构近接既有建筑物桩基施工的影响分析

刘明高 李建林 陈仁东 陈卓

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082;2.湖南大学土木工程学院 长沙410082)

引言

盾构隧道在地层中掘进,不可避免地会对周边土体产生不同程度的扰动,进而产生地层位移和变形,位于掘进影响区的建筑物基础则会受到相应的影响。针对盾构隧道施工对地表建筑物的影响,国内研究人员结合具体实践工程开展了大量的研究工作,研究方法大致可归纳为经验公式法、解析法、数值分析法和模型试验法[1-6]。其中利用数值分析方法能较为系统地计算盾构隧道施工引起的地层位移、建筑应力与变形情况,并据此预测盾构隧道施工引起的地表沉降和建筑变形趋势,因而是一种较为合理适用的方法。

本文结合深圳春风隧道盾构穿越既有住宅小区建筑物工程实践,采用数值分析方法研究超大直径盾构隧道施工对邻近建筑物桩基的影响,对拟采取的加固措施进行了分析,为本工程设计及后续施工提供较好的技术指导。

1 工程概况

深圳春风隧道工程路线全长约5.1km,其中地下道路(隧道)全长约4.3km,隧道盾构段长3.58km。隧道采用单洞双层结构,上下双向通行,单方向设置2 车道加连续停车带,采用盾构法+ 局部明挖法施工。盾构段隧道外径15.2m,采用ϕ15.8m 超大直径泥水平衡盾构进行掘进,隧道埋深为24m～62m。线位途经雨水水闸单身公寓及和平街市商住楼,其中雨水水闸单身公寓为1996年建筑房屋、8 层钢筋混凝土框架结构,基础形式为桩基础,均为端承桩,桩长约24m～35m,桩基与盾构隧道平面最小距离2.2m;和平街市商住楼为1988年建筑房屋、7 层钢筋混凝土框架结构,房屋基础采用桩基础,均为锤击沉管灌注桩,桩长约12m,桩基与盾构隧道平面最小距离3.1m。该处隧道埋深29.39m,水位线标高-0.26m,相对位置关系如图1、图2 所示。

图1 盾构隧道与建筑物位置关系平面示意Fig.1 Plane relationship between shield tunnel and building location

图2 盾构隧道与建筑物关系剖面示意(单位： m)Fig.2 Relationship between shield tunnel and building (unit: m)

工程场地位于老深圳河流域,属海陆相的冲积平原,地层分布自上而下为: ①1素填土、①4人工填砂、③1-1淤泥、⑥5砾砂、⑥6卵石、⑥7粉质粘土、⑩2强风化碎裂岩,以及⑱糜棱岩地层,各土层物理力学参数[7]见表1。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

2 数值分析模型

2.1 计算模型的建立

本文采用Plaxis 3D 有限元软件进行三维数值模拟,模型尺寸为160m ×160m ×60m,网格划分如图3 所示。边界条件设定为: 模型底部及四周固定,允许竖向变形,模型尺寸长度足够消除边界效应。数值模拟的第一环位置处,盾构机刀盘距桩基20m,保证在盾构开始影响桩基前进行掘进。盾尾远离桩基20m 后掘进结束,保证桩基已经脱离盾构的影响范围之外。

图3 三维有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model

2.2 计算参数

1.材料参数设定

盾构周围土体由于施工扰动以及盾壳与土体的相互作用而处于复杂的受力状态,因而掘进层即强风化碎裂岩和糜棱岩采用小应变土体硬化模型(HSS 模型)[6]计算。该模型为高级弹塑性双曲线本构模型,不仅考虑了土体刚度的应力相关性,同时还考虑了土的受荷历史与刚度的应变相关性,能够准确反映土体的复杂受力特性。国内外研究证实其在模拟开挖方面具有其他模型无法比拟的优越性,但是HSS 模型计算迭代时间较长。考虑上覆土层距离开挖面较远,盾构掘进过程中可认为处于弹性状态,同时为了弥补HSS 模型计算时间较长的不足,因而采用莫尔库伦(MC)模型模拟,从而在保证计算精度的同时尽可能缩短计算时间。盾构机外壳材料采用shell单元模拟,隧道衬砌用实体单元模拟,考虑地质条件,通过调整面收缩控制盾构推进地层损失率为0.3%。HSS 模型计算参数通过室内土工试验确定,见表2。

表2 HSS 模型计算参数Tab.2 HSS model calculation parameters

2.施工参数

掌子面支护力以掘进工作面稳定的土压力为准,其经验公式为:

式中:K0为静止土压力系数;γ′为土的有效重度;H为隧道拱顶上覆土厚度(m);pw为水压力;20kPa 为波动压力。

根据静止水土压力与密封舱压力相等的原则,注浆压力中心压力控制点取545kN/m2,梯度为16.7kN/m2/m。掌子面支护力示意如图4所示。

图4 掌子面支护力示意Fig.4 Schematic diagram of supporting force for face support

3 计算结果分析

3.1 地表沉降与桩基位移分析

1.地表沉降

图5为盾构机通过风险源后监测断面的横向地表沉降曲线。由图可知盾构隧道上方的土体产生沉降,最大达到23.74mm。同时,沿隧道轴线方向不同位置地表土体竖向位移也会有一定的变化,在水平方向上地表沉降随着距离隧道中线位置距离的增加而不断减少,距隧道中线80m 外,盾构掘进对地表沉降基本无影响。

图6为盾构掘进过程地表沉降发展曲线,由图可知盾构掘进至距离监测断面约30m 处时,监测断面地表开始出现沉降,这可能是由于盾构开挖面支护力相对较小,仅为盾构刀盘中心处土压力的0.65 倍所致;当盾构机接近监测断面以及通过过程中,地表沉降增加速率明显;最后在穿过距离监测断面40m 处后,地表沉降趋于稳定。

2.桩基位移

选取距离隧道最近的雨水水闸单身公寓1号桩、和平街市商住楼2号桩作为研究对象(见图1)。其中1号桩长35m,直径1.8m,持力层为强风化碎裂岩,2号桩长12m,直径0.48m,持力层为粉质粘土,计算结果如图7a(竖坐标为桩身对应标高)、图7b(竖坐标为桩身长度)所示。

由图7a 可见,隧道顶位置土体竖向位移接近最大,在隧道顶以上桩竖向位移随深度增加而增加,在隧道顶以下桩竖向位移随深度增加而减小。1号桩最大水平位移发生在桩身17m 处,为10.6mm,桩顶水平位移6.1mm;最大竖向位移发生在桩身21m 处,为18.9mm,桩顶竖向位移18.5mm,大小基本一致。对于雨水水闸单身公寓,相邻桩基差异沉降最大值为4.74mm。

受隧道与桩的相对位置关系影响,2号桩整体水平变形是朝同一个方向,但局部变形稍大,由于桩身刚度影响,导致变形较大位置下方有朝远端变形的趋势,而桩端又存在约束,故桩身出现反弯点,呈S 形曲线(图7b)。2号桩最大水平位移发生在桩身4m 位置处,为6.3mm,桩顶水平位移5.6mm,位移方向均是朝向隧道。2号桩是整体竖向沉降,桩身压缩量较小,考虑到隧道处于桩下方,因此隧道卸载主要影响桩端。最大竖向位移发生在桩底,为 18.8mm,桩顶18.7mm。对于和平街市商住楼,桩基差异沉降最大值为0.98mm。

图5 监测断面横向地表沉降曲线Fig.5 Transverse surface settlement curve of monitoring section

图6 地表随盾构掘进变化曲线Fig.6 Variation curve of ground surface with shield tunneling

图7 桩水平位移Fig.7 Horizontal displacement

表3 计算工况Tab.3 Working condition table

图8 地表沉降与掌子面支护力的关系Fig.8 Relationship between ground settlement and supporting force

根据现况建筑检测及评估报告,雨水水闸单身公寓的沉降及水平位移控制最大值分别为15mm、10mm,差异沉降为 0.003L(L为6.4m),和平街市商住楼的控制最大值为30mm、10mm,差异沉降为0.002L(L为1.4m)。1号桩分析结果不满足相关控制要求,故考虑对施工区域地层进行加固。

3.2 施工参数影响

为分析盾构掘进施工参数对地层变形及桩基沉降的影响,选取不同施工参数如掌子面力、注浆压力时进行比较,分析工况见表3。注浆压力施加于模拟盾构机后方、管片外侧。

图8为工况1、工况2、工况3 获得的掌子面力与地表沉降的关系图。如图所示,盾构隧道掘进过程中,随着掌子面支护力增加,地层变形逐渐减小,掌子面支护力增加20%时,最大沉降减小为15.3%。

图9为工况1、工况4、工况5 获得的注浆压力与地表沉降的关系图。当掌子面支护力一定时,注浆压力增加20%,最大沉降可减小约13%。

3.3 地层加固影响分析

1.加固方案

图9 地表沉降与注浆压力的关系Fig.9 Relationship between surface settlement and grouting pressure

由于正常掘进情况下,雨水水闸单身公寓的桩顶沉降偏大,超过预警值,故拟在隧道和桩基之间进行袖阀管预注浆加固,注浆加固至隧道拱底位置,形成隔离墙,如图2、图10 所示。在两幢建筑物旁布设注浆孔,注浆孔梅花形布设,间距1m×1m;地表加固区域宽度3m,在单身公寓处长度沿掘进方向设为25m,在和平街市商住楼处长度沿掘进方向设为43m,加固标高均取至隧道底部,加固深度约为45m,桩基附近注浆管长度均打入糜棱岩岩层5m。有限元分析中,袖阀管注浆加固通过提高土体整体刚度和强度来实现,注浆后参数为原始土层参数3 倍左右[5]。

图10 加固模型Fig.10 Reinforcement model

2.计算结果分析

图11为加固前后1号桩基的水平位移、竖向位移对比图。1号桩的桩顶的水平位移为14.7mm,较加固前水平位移明显减小,减小幅度为18%;最大竖向位移发生在桩身22.5m 处,为14.89mm,相比加固前竖向位移也明显减小,减小幅度为19%,加固效果明显。

图12为加固前后2号桩基的水平位移、竖向位移对比图。2号桩最大水平位移发生在桩身4m 处,为6.17mm,与加固前相比水平位移有所减小,减小的幅度为2%,桩顶水平位移为6.0mm,较加固之前水平位移略有增大。2号桩的最大竖向位移发生在桩底,为14.59mm,较未加固前明显减小,减幅为22%,桩顶竖向位移为14.2mm,较未加固前明显较小,减幅为24%。

图11 1号桩位移对比Fig.11 Displacement comparison of No.1 pile

图12 2号桩位移对比Fig.12 Displacement comparison of No.2 pile

加固后雨水水闸单身公寓、和平街市商住楼桩基差异沉降最大值分别为4.59mm、0.53mm。加固前后的计算结果表明,通过袖阀管加固措施,利用隔离墙与地层之间的相互作用,阻断或减弱了地层变形的传递,使地层附加应力通过隔离墙传递到下部持力层,可以有效控制桩周土体及桩体的位移及沉降。

4 结论

1.盾构穿越地层会对土体造成扰动,使地表产生沉降槽,影响范围约80m,最大沉降量达到23.74mm。盾构掘进至距离监测断面约30m 处时,监测断面处地表开始出现沉降,隧道地表沉降增加速率明显;最后穿过距离监测断面40m 处后,地表沉降趋于稳定。因此,盾构下穿既有建筑物时监控量测地表沉降布置范围选取前后共计70m 范围,横向约80m 范围,沿隧道轴线左右两侧对称布置;在盾构机下穿建筑物前30m 时,全面检修盾构机,彻底解决盾构机存在的一些问题,为盾构机过既有建筑物做好准备。

2.盾构掘进参数,如注浆压力、掌子面支护力,对于地表沉降具有重要影响。掌子面支护力一定时,注浆压力增加20%时,地表最大沉降量可减小13%;注浆压力一定时,掌子面支护力增加20%时,最大地表沉降量减小15.3%。因此,对盾构穿越既有建筑物段提出明确施工要求,需在穿越前设置合理掘进参数,严格控制盾构掘进姿态,注意控制掌子面压力,及时调整泥水压力,减小对土体的扰动,做到连续、均衡、平稳推进。

3.隧道和桩基之间进行袖阀管预注浆加固,注浆加固至隧道拱底位置形成隔离墙,对桩体位移和建筑物沉降具有明显的控制作用,桩顶的竖向位移减小近19%～24%。因此,对既有建筑物四周一定范围地层、尤其对盾构隧道与建筑物之间的中夹地层进行预注浆加固设计,并需在盾构穿越前一个月内施工完成,确保盾构穿越前达到注浆效果。