盾构隧道侧穿近海砂土状强风化岩地层桩基变形控制研究

2022-12-22傅立磊郭思岑

西部探矿工程 2022年10期

李凡，傅立磊，郭思岑

（1.厦门市市政建设开发有限公司，福建厦门 361000；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500）

1 概述

盾构法以其短周期机械化施工、环境干扰小、空间利用率高的优点，逐渐成为隧道修建时的首选方案[1-4]。但在砂土状强风化岩地层中修建盾构隧道时，由于砂粒中夹杂坚硬卵石，其地层强度分布不均，使施工过程中沉降量难以控制，并且开挖隧道会对邻近建、构筑物桩基产生扰动，极易降低桩基稳定性。桩基近接范围加固逐渐成为研究热点[5]。

为减少盾构施工对桩基的扰动，相关学者进行了大量研究。大多学者采用有限元法模拟盾构穿越群桩基础得出扰动规律，并评价了注浆加固效果[3-4,6-9]。部分学者采用超前注浆加固下穿的建（构）筑物群对注浆效果进行了研究[5]，分析双液注浆法在盾构下穿建筑时的应用效果。除此之外，部分研究运用理论分析、现场试验和数值模拟等多种研究手段分析了砂土状强风化岩地层深孔注浆阻水加固技术的作用效果[4]，特别是结合现场监测所研究的砂土状强风化岩地层中袖阀管注浆加固、洞内注浆加固等施工技术为类似工程提供了宝贵经验和理论指导。尽管通过数值模拟结合现场监测验证了成都砂卵石地层预埋注浆加固保护方案的作用效果[4,10]，但基于直径14.27m的外滩隧道提出当净距为5～10m时，采用注浆加固技术效果最佳，采用“盾构通过范围内围岩注浆加固+承台加固”措施可使桥面最大沉降值减少约45%[5-6,11]。以上盾构下穿或侧穿既有桩基时桩周地层注浆加固研究达到的控制施工沉降效果显著，为桩基加固稳定性技术推广提供了借鉴。

为进一步研究盾构隧道在砂土状强风化岩地层中侧穿桩基时注浆加固效果，以下以厦门港中路隧道为研究对象，在考虑开挖面支护压力、注浆压力及管片拼装的基础上，采用数值模拟方法建立了盾构隧道在砂土状强风化岩地层中侧穿桩基动态开挖模型，使用该模型得出盾构施工沉降影响范围，在此基础上根据不同桩基变形控制规范，提出近邻桩基变形控制标准，最后对比研究注浆加固前后桩基沉降变形规律，以期为类似工程提供更具实用性和经济性参考。

2 依托工程

拟建厦门港中路下穿通道是连接机场片区和象屿片区的快速联系通道，地下通道沿线依次侧穿杏林大桥桩基、鹰厦铁路、地铁1号线等，隧道为双向四车道，设计时速60km/h。如图1所示近穿杏林大桥段隧道埋深9.0m，隧道直径8.3m，衬砌管片厚度0.4m，注浆层厚度0.15m。围岩本构模型采用摩尔库伦弹塑性模型。土层力学参数见表1。盾构、管片衬砌、注浆材料采用线弹性本构关系，具体力学参数见表2。

图1 隧道线路与既有建、构筑物位置关系

表1 围岩力学参数

表2 材料力学参数

3 计算模型

盾构隧道施工过程中，盾构机通过千斤顶反复伸缩顶紧管片向前移动。采用有限元法对该过程进行分析模拟，由于盾构掘进是一个不连续过程，以此假定盾构机以跳跃方式向前移动，每一步向前推进两环管片，建立了模拟如图2所示的盾构侧穿桩基计算模型。单元预设在盾尾和盾首，通过激活和杀死单元的方法处理单元刚度的变化，即生死单元法，实现模拟盾构机的前进。同时，施加开挖面压力，在盾构机尾部组装管片并进行注浆。综合考虑了盾构机、隧道管片及盾尾浆液，在不同部件与围岩之间均设置了接触面。

图2 盾构侧穿桩基计算模型

4 数值模拟结果与分析

以第4步开挖上部围岩为例，分别取第4步、第6步、第9步、第13步、第19步地表沉降数据如图3所示，地表横向水平位移如图4所示。由图3可以看出，当盾构开挖至当前区域即第4步时，地表沉降较小，当盾构继续开挖至盾尾离开当前区域即第6步时，地表沉降显著变大。这是由于离开盾壳的支撑，盾尾间隙注浆加固不及时产生显著沉降，沉降在盾尾离开当前区域后20m左右即第13步时，沉降量逐渐稳定并达到最大值。当前地质条件下，地表沉降最大值约为12mm。由沉降曲线可以看出，曲线反弯点即影响较强区域约为距隧道轴线8m处，对应1.0D，地表沉降影响区域约为距隧道轴线17m处，对应2.0D。

图3 不同开挖步下地表沉降曲线

由图4可以看出盾构开挖完成后，隧道轴线正上方地表几乎不发生水平位移，两侧围岩向中间移动；随着与隧道轴线水平距离的增加，位移增大。盾尾离开当前区域即第6步之后地表两侧水平位移逐渐增大，第9步后水平位移逐步趋于稳定，地表水平位移最大值约为4.5mm。

图4 不同开挖步地表水平位移曲线

5 砂土状强风化岩地层盾构隧道穿越桩基注浆加固研究

5.1 桩基变形控制标准

盾构隧道施工引起近邻桩基周围围岩松动变形，桩基会发生竖向沉降和水平位移，对桩基安全将产生影响，如发生较大变形将会影响上部桥梁的正常使用。制定盾构隧道施工中桩基沉降控制标准，对沉降变形超过设定的控制标准的桩基及时采取相应的加固措施，可将盾构隧道施工造成的影响降到最低。盾构隧道开挖附近桩基变形控制标准参照了如表3所示的现有行业技术规范，根据实际工程中不同桩基制定相应的变形规定标准。考虑到港中路隧道侧穿长岸路高架桥桩基位置，车流繁忙，桥桩基位于砂土状强风化岩地层，地层相对软弱。根据现有规范并结合桥梁现状及工程具体情况，参考本地区其他隧道线路临近桩基沉降控制标准，制订了如表4的隧道侧穿近邻桩基变形控制标准。

表3 桥梁桩基变形控制标准

表4 隧道侧穿近邻桩基变形控制标准

5.2 桩基在不同注浆加固范围下的变形

根据港中路隧道侧穿长岸路高架桥取四根桩基（EW16、EW18、WE19、WE21）进行注浆加固研究，如图5所示。隧道埋深9.0m，隧道直径8.3m，衬砌管片厚度0.4m，注浆层厚度0.15m。土层由上至下分别为杂填土1.5m、粉质粘土3m、中密卵石土9m、中风化泥岩46.5m，围岩采用摩尔库伦弹塑性模型。其中四根桩基桩长度均为17m，EW16、WE21桩与隧道水平距离为4.2m，EW18桩与隧道水平距离为5.5m，WE19桩与隧道水平距离为6.6m。分别计算不对桩基进行加固和对桩基1m、2m、3m范围内进行注浆加固所产生的桩基竖向变形和水平变形。对中砂土状强风化岩地层注浆加固效果的分析比较可知，弹性模量可以提高到原有的1.25～1.5倍左右，粘聚力则有10倍以上的提高效果，认为注浆后内摩擦角和容重的变化较小。具体参数变化如表5所示。

表5 砂土状强风化岩层注浆加固前后力学参数变化

图5 桩基相对位置示意图

在未加固情况下WE21桩最大沉降可以达到7.0mm，注浆加固后，桩基沉降显著减小，但是桩基周围2m加固与3m加固对沉降量的改善作用差别不大，桩基周围2m范围内注浆时桩基沉降为4.9mm，在桩基周围3m范围内注浆时桩基沉降为4.7mm。由此可以看出桩基周围注浆加固对桩的水平变形改善也有一定作用，加固前最大水平变形为2.9mm，3m范围加固后最大水平变形减小为2.0mm。