大直径盾构隧道下穿高层建筑风险分析及沉降变形研究

2023-01-31张恒

国防交通工程与技术 2023年1期

张恒

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

近年来，大直径盾构法广泛应用于地铁施工，时常会下穿既有的建筑物，而盾构施工不可避免的产生地层扰动，造成原有建筑物的地基下沉与桩基础变形，对原有建筑物的安全形成威胁，因此，保证既有工程结构和新建大直径盾构隧道施工与运营安全值得重点关注。基于此，关于盾构掘进施工对既有结构稳定的影响分析，大量学者做了许多的工作[1-10]，然而，上述研究中鲜有以大直径盾构近距离下穿对高层建筑的影响为背景而开展的。本文以某大直径盾构隧道下穿高层建筑为工程背景，采用数值模拟方法研究盾构下穿施工既有建筑物沉陷对桩基础变形影响，通过分析盾构掘进监测数据和数值模拟结果验证沉降变形模型的合理性和下穿过程中沉降控制技术的有效性，相关成果可为类似工程施工提供指导。

1 工程概况

广州地铁18号线番禺广场站至南村万博站区间大直径盾构隧道下穿既有桩基建筑结构，线路贯穿方向为东南角至西北角，盾构隧道外径为8.5 m，内径为7.7 m；管片厚度为0.4 m，长度为1.6 m，中心间距约为14.5 m，强度为C50，防水等级为P12；盾构隧道顶部埋深约为36.3 m，下穿地层主要位于强风化花岗岩。相关工程信息如图1、图2和图3所示。

图1 盾构隧道平面位置

图2 盾构隧道横断面(单位：mm)

大直径盾构隧道斜穿高层建筑结构，结构桩基承台采用独立桩基承台，承台高度介于800～1 900 mm之间，结构桩基采用静压式高强预应力管桩(AB型PHC管桩)基础，管桩直径包含400 mm、500 mm、600 mm三种尺寸、长度为13～24 m，桩端距离隧道顶部约2.96 m，位置关系如图4所示。

2 风险识别和沉降控制技术

2.1 风险识别

图3 盾构隧道下穿地质条件(单位：m)

图4 盾构隧道与高层建筑结构桩基位置关系

(1) 高层建筑结构地上9层、地下2层，位于隧道正上方，最深桩底距离隧道顶3 m，属于密集办公区，盾构隧道下穿过程具有较大风险。

(2) 盾构法施工会引起隧道周围地层的土体扰动或损失，引起既有建筑地基的不均匀沉降，当不均匀沉降过大时主体结构可能发生开裂；也可能直接引起既有建筑结构的变位，当变位不均匀产生附加应力超过结构的强度将引发结构开裂。

(3) 施工场地地下水主要为基岩裂隙水，主要赋存在全风化-强风化带中，下穿施工过程中容易出现盾构进水、围岩周边土体失稳等问题，进而增加上部建筑发生沉降超限的可能性[11]。

2.2 沉降控制技术

基于对大直径盾构隧道施工过程中的风险识别，对下穿既有高层建筑结构施工时，盾构下穿前采用数值仿真预测技术，施工过程对掘进参数进行控制并采用沉降监测技术，下穿建筑后采用洞内注浆加强沉降变形控制。

2.2.1 数值模拟预测

利用数值仿真技术对盾构隧道下穿既有建筑结构建立数值模型，参考钻孔的钻探结果，建模时各底层信息分别如下：素填土(2 m)、粉质黏土(7 m)、全风化混合花岗岩(10 m)、强风化混合花岗岩(36 m)、中/微风化混合花岗岩(20 m)，地下水深度为-6.0 m，三维集合模型如图5所示。

图5 三维数值计算模型

穿越所在地层的材料参数如表1所示，所有地层均采用“摩尔-库伦”本构关系。

盾构隧道掘进过程中，盾构隧道相关结构参数与高层建筑物结构参数均采用弹性本构模型，具体如表2所示。

表1 材料计算参数

数值仿真过程中考虑盾构隧道施工顺序对上部既有高层结构的影响，先施工右线，待右线推进120 m后开始施工左线。盾构施工仿真流程如下：钝化第n环管片土体，钝化第n-1环管片盾壳，激活第n环管片盾壳，激活第n-1环管片盾构管片，激活第n-1环管片注浆层，激活相关顶推力、千斤顶力，注浆压力，保持双线掘进距离相隔100 m。盾构掘进过程中的推进和注浆模拟如图6所示。

2.2.2 盾构掘进参数控制

由于下穿过程主要通过强风化岩地层，盾构采

表2 结构相关参数

图6 盾构掘进开挖过程模拟

用土压平衡模式，盾构掘进过程中参数拟定值：土压力(上中下)上2.1～2.2 bar(推进)(1 bar=0.1 MPa)；停机保压2.5 bar；贯入度≤25 mm/rpm；刀盘转速1.2～1.8 rpm；掘进速度30～50 mm/min；刀盘扭矩2 500～3 500 kN·m；总推力21 000～23 000 kN；注浆压力≤2.8 bar；注浆量11～12 m3/环；理论出渣量98～130 m3/环；螺旋机扭矩≤30 kN·m；渣土温度≤31 ℃；铰接压力≤50 bar。

在盾构隧道掘进通过既有建筑物时，掘进过程确保同步注浆及时稳定地层，如盾尾注浆跟不上时必须降低掘进速度确保每环注浆量。同时要注意发泡剂及水的合理使用，一方面可以改善土的性质，加强对刀具的保护，提高掘进速率；另一方面可避免发泡剂管路搁置而堵塞。

2.2.3 沉降监测控制

盾构掘进过程中需要对隧道内部结构和建筑物沉降情况进行动态监测，监测点布置如图7所示。对隧道内部布置4个监测点，且在隧道左、右线掘进上方及周围进行监测，着重考虑隧道下穿正上方的建筑结构监测。

2.2.4 洞内注浆控制

为有效减少左、右双线两次穿越下部既有建筑结构造成的差异沉降，有必要对隧道洞内进行注浆加固，洞内注浆补偿注浆里程左线为ZDK39+620.000-ZDK39+700.000，共计80 m；右线为YDK39+647.200-YDK39+700.000，共计52.80 m，采用洞内注浆会有效保护建筑物和隧道结构的沉降变

图7 隧道管线与地面建筑物沉降监测布置

形[12-13]。左、右线采用通II型注浆管片，通过隧道顶部连接块(L)及标准块(B)预留注浆孔，对隧道拱部地层进行跟踪注浆加固，隧道拱顶每个连接块及标准块预留注浆孔3个。注浆管材选用∅42 mm袖阀钢管；浆液类型采用普通硅酸盐42.5级水泥，水泥浆水灰比为(0.6～1.0)∶1，浆液扩散半径为0.5 m，具体材料选用及配比按相关试验确定；注浆压力按0.1～0.5 MPa控制；注浆时先外后内，少量多次。注浆加固范围如图8所示。

图8 隧道洞内补偿注浆加固范围(单位：mm)

3 沉降变形分析

盾构隧道右线于2020年3月27日-31日通过既有高层建筑结构，5 d内掘进33环管片；盾构管片左线于2020年4月8日-13日通过既有高层建筑结构，6 d内掘进48环管片；尽管盾构隧道掘进过程顺利，但是需对左、右线下穿过程中以及下穿后的沉降变形进行现场监测与数值仿真对比，以确定盾构隧道掘进过程的位移变化规律，从而验证风险沉降控制技术的可行性，为类似工程项目提供经验。

3.1 建筑物沉降

建筑物地面共布置了40个监测点，编号从JGC-38-1～JGC-38-40，但监测过程中部分监测点数据丢失，因此本文仅对隧道正上方变形结果进行分析。对盾构隧道刚开始下穿至下穿后3 d的地表建筑物沉降进行监测，如图9所示。同时提取相应监测点在相关施工步的数值结果，将其结果换算成监测日期数据，将监测数据和模拟数据对比如图10所示。

图10 盾构隧道下穿沉降计算值与监测值

从图9可知，左、右线下穿的整个过程中所有监测点变形规律一致。右线和左线下穿过程中位移有隆起，因盾构掘进过程中保持着洞内注浆；当右线和左线下穿完毕后，地面建筑沉降会下降直至稳定状态，尤其是当右线下穿完毕后、左线下穿中和下穿后，与右线下穿位移相比，所有监测点变形均有所增大，且当右线下穿完毕后监测点位移持续增大，位移增大至7～10 mm。建筑物沉降监测结果表明盾构掘进过程和掘进后对建筑物沉降影响较大，而掘进过程中的注浆有利于减少沉降，保护盾构隧道的顺利掘进。

从图10可以看出，随着右线和左线分别下穿，计算值与监测值具有相似的变化规律，但在下穿后计算值比较稳定，这是因为盾构实际掘进过程注浆和管片未能及时完成，导致盾构下穿后会有非稳定的变形过程，这也是计算值小于监测值的原因。通过下穿前仿真预测与监测对比，说明仿真预测模型可以较为准确的模拟出盾构隧道掘进过程中的位移变形规律。

3.2 桩基础水平变形

盾构隧道下穿会引起桩基发生侧向变形，基于数值仿真软件对盾构下穿过程的桩基侧向变形进行分析，计算结果表明侧向变形发生在右线下穿完毕后，桩基x向和y向最大变形值变形云图如图11所示，随施工步变化曲线如图12所示。x方向最大水平位移为1.202 mm(偏向西)，y方向最大水平位移为-0.986 mm(偏向南)，均朝向隧道掘进掌子面，虽然桩基最大水平位移随着掘进过程不断变化，但是均在风险控制范围，满足设计及施工的要求。

图11 盾构隧道下穿桩基水平位移计算值

图12 盾构隧道右线和左线下穿桩基最大水平位移计算值

3.3 地下室底板变形

盾构隧道下穿既有高层建筑时，由于独立式桩基存在，有必要考虑地下室底板的整体沉降，基于数值仿真得到盾构掘进过程中地下室底板的最大变形，最大计算云图和位移变化如图13所示。地下室底板最大变形值为-2.582 mm，位于隧道掘进线路中，虽然有一定变形，但是安全可控；地下室底板最大变形发生在盾构掘进完成时，并且随着盾构掘进最大变形不断增大，在盾构通过建筑物时出现稳定状态。