盾構切群樁下穿密集房屋的沉降影響研究
昝子卉
(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州510000)
摘要：以深圳軌道交通L9大鹿區(qū)間切樁下穿建筑物群樁為例，通過建立樁基-沉降模型進行數(shù)值模擬分析并與自動化監(jiān)測結果進行對比，驗證數(shù)值計算分析的合理性并總結設計和施工中降低沉降風險的相應措施？研究得出：對建筑樁范圍地層預加周可以有效減少沉降；盾構正穿建筑物引起的沉降明顯小于側穿；合理選擇盾構掘進參數(shù)是控制沉降的關鍵。
關鍵詞：盾構；切樁；沉降；數(shù)值模擬；自動化監(jiān)測
中圖分類號：U455.43文章編號：1004-4655( 2016) 02-0049-04
本文以深圳城市軌道交通L9大鹿區(qū)間下穿濱苑小區(qū)建筑群樁為例，按照數(shù)值模擬分析方法與盾構施工中自動化監(jiān)測的結果對比，分析對盾構切樁下穿建筑物的技術措施、沉降規(guī)律并驗證設計的合理性。
1工程概況
深圳軌道交通L9大鹿區(qū)間采用盾構法施工，區(qū)間單線長度484.956 m，左右線平面曲線半徑均為350 m，縱斷面為單坡，最大坡度為2.8%，隧道頂覆土7~ 19 m。區(qū)間隧道穿越范圍的地層從上到下依次為：素填土、粉質黏土（黑）層、黏性土層、粉細砂層、礫質黏性土、花崗巖全、強、中風化帶。區(qū)間隧道在進入濱苑小區(qū)地塊內(nèi)下穿5棟住宅樓，均為混凝土框架結構多層建筑。建筑基礎形式為樁基礎，由于拆遷困難，區(qū)間采用盾構切樁通過。
經(jīng)調查下穿的5棟居民樓為小區(qū)9號~ 13號樓，基礎均為樁徑0.34 m沉管灌注樁，設計單樁承載力350 k N，樁身混凝土強度標號為18號（等效為現(xiàn)行規(guī)范C20強度），部分樁基侵入?yún)^(qū)間隧道，與區(qū)間隧道沖突的房屋樁基調查資料見表1。
區(qū)間線路右線正穿12號、9號樓（切建筑中部樁基），左線斜穿9號、10號、1 1號、13號樓（切建筑角部樁基），共切削樁基137根。區(qū)間隧道與建筑物平、縱關系見圖1、圖2。
盾構切樁下穿建筑的3D BIM模型見圖3。
2盾構切樁的數(shù)值模擬
由于建筑物均采用樁基礎，上部結構與樁基的協(xié)調作用對土體的約束較小，將上部結構與建筑物樁基分開考慮，建筑物荷載直接作用樁頂，對模型進行簡化。各層土體的巖土參數(shù)表見表2。
取典型的盾構正穿12號樓為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS建3D模型進行數(shù)值計算分析。為避免邊界條件對分析結果的影響，取模型長60 m，寬50 m，高45 m，建立的有限元模型如圖4所示。分析步驟定義如下：首先進行初始地基應力分析；開挖每個步驟1環(huán)，每環(huán)1.5 m，每步包括土體開挖、拼裝管片、背后注漿幾個工序循環(huán)直至施工完成。
為反映建筑沉降變形特點，并與自動化監(jiān)測結構對比，驗證數(shù)值模擬的合理性，沿建筑長邊方向均勻取6個沉降點，位置與自動化測點（7033~7041測點）位置大致對應，最終沉降數(shù)據(jù)見表3。
下面將12號樓自動化實測沉降變形與數(shù)值計算結構進行分析對比，具體見圖5。
從圖5對比可以看出，盾構正穿建筑樁基時沉降沿著隧道中線呈對稱的拋物線形，最大沉降位于隧道中線上方，沉降曲線接近Peck曲線。數(shù)字計算的沉降值均小于自動化監(jiān)測實測值，其中隧道中線差異最大為13.7%，建筑角點位置差異較小為9.8%，得到數(shù)值模擬的結果與實際沉降的基本趨勢是相符的；實際沉降與數(shù)值模擬的結果偏差在工程可接受的范圍內(nèi)。
3自動化監(jiān)測結果對比與分析
為確保盾構區(qū)間施工隧道和建筑物安全，確定在清除樓內(nèi)居民情況下盾構直接切樁通過的方案，同時采取“自動化監(jiān)測+人工監(jiān)測+第三方監(jiān)測”的監(jiān)測方案。結合下穿建筑物自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)對各沉降點進行分析，自動化監(jiān)測布點平面圖見圖6。
3.1未做土體預加固與施做土體加固情況下沉降對比分析
為提高樁基側摩阻力，加強盾構通過區(qū)域土體的整體性，減少因切樁卸載帶來的沉降，設計要求對下穿建筑樁身范圍土體進行地面注漿預加固，除12號樓因現(xiàn)場條件限制外，其他建筑均在盾構到達前完成地面預注漿預加固。為對比土體加固效果，選擇均為正穿模式的9號樓與12號樓進行沉降對比（見圖7）。
從圖7對比可以看出，對正穿建筑，施做地層預加固的9號樓沉降量比未做地層預加固12號樓小72.4%，說明地層預加固明顯減少盾構切樁引起的沉降。
同時以12號樓隧道拱頂正上方位置7035號測點為研究對象（見圖8），從自動化沉降監(jiān)測曲線并結合盾構施工日志可以看出：隨著盾構接近12號樓，測點沉降開始緩慢增加（由0逐漸增加到-5 mm）；當盾構刀盤開始切樁下穿建筑測點，沉降明顯增加（由-5 mm增加到-15 mm）；當盾尾通過測點位置時，沉降達到-20 mm的預警值并有繼續(xù)增大趨勢，為防止沉降繼續(xù)增加影響建筑安全，現(xiàn)場立即組織對建筑物樁身范圍土體注漿加固處理，經(jīng)注漿處理法，該測點沉降穩(wěn)定在-15.4 mm，說明及時注漿加固對控制沉降有明顯作用。
3.2盾構正穿與側穿模式下沉降對比分析
為研究盾構不同的穿越方式對建筑沉降影響，取9號樓為研究對象對右線正穿（從建筑中部下穿）和左線側穿（從建筑角部下穿）2種工況進行對比分析，自動監(jiān)測的實測穩(wěn)定沉降對比見圖9。
從圖9的對比可以看出，對于同一建筑物（9號樓）盾構正穿建筑物（從建筑物中部穿越）引起的最大沉降為-2.65 mm（7012測點），側穿建筑樁基（從建筑物角部穿越）引起的最大沉降為-5.66 mm（6514測點），可以看出正穿引起的最大沉降比側穿小70%，即盾構正穿建筑對沉降的影響明顯小于側穿方式對建筑沉降的影響。
4切樁下穿房屋風險控制的技術措施
4.1下穿樁基段特殊管片的使用
考慮現(xiàn)場地面注漿預加固實施風險，設計仍按未加固地層進行樁基傳荷計算，按照“在考慮作用于隧道上的房屋荷載作用時，當上部建筑的樁基礎進入承載拱內(nèi)時，扣除該部分樁長后，未能滿足樁基承載力要求，余下荷載應考慮由隧道管片結構承擔”這一原則計算樁端荷載，即承載拱范圍內(nèi)土體被擾動完全喪失側摩阻力，經(jīng)計算在樁端荷載直接作用于管片上，普通混凝土管片無法滿足受力要求；采用面板30 mm厚肋板20 mm厚鋼管片(Q235鋼)可以滿足受力要求。對比12號樓（未做地層加固）的實測沉降可看出，樁基側摩阻損失的計算
原則是合理的�，F(xiàn)場拼裝鋼管片實景圖見圖10。
4.2盾構掘進施工技術措施
區(qū)間盾構切樁施工二最多每環(huán)切樁6環(huán)，盾構機掘進較慢將導致上方樁基下部出現(xiàn)空隙而發(fā)生沉降，最終頂在盾構機外殼上方，在復雜的地質環(huán)境下控制掘進速度的同時保證房屋和地面安全是施工的難點。結合下穿施工過程中實際的盾構參數(shù)對施工控制措施進行總結：“控扭矩、中轉速、保土壓、控姿勢”。盾構切割樁頭實景圖見圖11。
1)控扭矩。盾構切削小直徑群樁不宜過快，總推力控制在11 000~15 000 k N；扭矩控制在1 000~1200 k N．m：切樁過程中扭矩不宜過大，否則不僅影響盾構自身安全，也對樁基產(chǎn)生較大的作用力，繼而影響上部房屋結構的安全。
2)中轉速。在推速一定的情況下，刀盤轉速增加，雖然有利于降低扭矩，但刀具接觸樁基時受到較大的沖擊荷載，因此以中等轉速為宜，建議在0.8~1.0 r/min。
3)保土壓。保土壓是控制沉降的關鍵，根據(jù)本次盾構施工記錄，在推進時上土壓基本在
0.13 M Pa至0.19 M Pa之間。推進過程中土壓力基本保持穩(wěn)定。由于采用克泥效與水玻璃雙液漿注入盾構機外殼及土倉充填保壓，解決超排問題，改良土倉內(nèi)土體，有助于樁體碎塊從螺旋機內(nèi)順利排除。
4)控姿勢。盾構切樁過程中樁基反作用于刀盤，刀盤正面易發(fā)生受力不均，盾構連續(xù)穿越多根樁基，若姿態(tài)控制不良，會加大樁端對管片安全的風險。
5結語
該區(qū)間隧道已經(jīng)于2014年底順利洞通，下穿房屋5棟累計切樁137根，根據(jù)施工過程及工后沉降的自動化監(jiān)測，建筑最大沉降量15.4 mm．相鄰樁基沉降差4.2 mm，均滿足規(guī)范要求，該工程實踐證實盾構切小直徑群樁下穿房屋的可行性，結合該工程實踐可總結以下經(jīng)驗。
1)盾構正穿建筑樁基（從建筑物中部穿越）沉降明顯小于側穿建筑樁基（從建筑物角部穿越），在此類穿越工程中應優(yōu)先考慮調整線路。
2)對下穿建筑樁側土體實施有效注漿預加固可以明顯提高樁側摩阻系數(shù)，有效補償由于盾構切樁施工帶來的沉降影響。
3)如未及時地面預加固，由于盾構施工對土體擾動的影響，樁側摩損失較大，盾構管片將承受樁端傳遞的荷載，普通混凝土管片有可能不滿足荷載，應該根據(jù)計算必要時采用鋼管片。
4)土壓力、刀盤扭矩及推力等盾構關鍵參數(shù)的設定對控制下穿過程中建筑物沉降至關重要，施工前必須根據(jù)地層情況設定參數(shù)范圍，同時根據(jù)自動化監(jiān)測反饋的結果，對參數(shù)進行實時調整，確定盾構穿越樁基建筑群的安全。采用克泥效等膠凝添加劑有利于保壓減少沉降，防止混凝土碎塊堵塞螺旋輸送機。
5)本工程案例中盾構所切樁基的特點為小直徑、低強度樁且樁身侵入隧道長度較小，本文總結相關經(jīng)驗適用于類似工程情況，對于盾構全斷面切樁、切大直徑混凝土樁的適用性尚有待驗證。
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