隧道穿越建筑物基础的保护方案探讨

时　飞

摘要:在城市隧道施工过程中,经常会遇到隧道穿越建(构)筑物群基础的情况。本文简要地对隧道盾构法施工时穿越建(构)筑物所引起沉降的理论进行了分析和阐述,以科学的预测建筑物基础的受力情况并采用相应的保护措施。同时对盾构法施工穿越建筑物时如何选择掘进参数及确定监测方案进行了阐述。

关键词:隧道施工 盾构法 穿越建筑物 监测与保护

中图分类号:TU71文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0141-02

随着地铁行业在城市建设中加速发展和盾构工法在地铁行业的广泛应用,人们关注其引起的沉降问题日益加强,如何对盾构施工所引起的沉降进行预测并提出相应的技术措施成为盾构行业的重要课题。

在盾构隧道施工中,对建筑物基础的影响主要有三个方面:(1)盾构掘进引起的地层损失造成的沉降,即按理论公式计算的沉降量;(2)盾构施工中引起地下水大量流失,从而导致地下水位降低。当建筑物基础下方存在孔隙率较大的地层时,基础会随地下水的流失造成地层的压缩沉降;(3)盾构施工过程中会存在地质资料、建筑物基础收集资料与事实不符而造成施工措施选择不当引起建筑物开裂。

1 地层损失造成建筑物沉降

1.1 对建筑(构)筑物是否需要加固的判断

在深埋隧道中,盾构施工会对土体产生一定的扰动,造成一定范围的土体成为松土。松动范围按太沙基公式计算,其中落入该范围内的桩身部分可假定将失去土体摩阻力,若桩底落入该范围或在竖直方向接近于该范围,理论上会完全或部分失去桩端承载力。对于摩擦桩与端承桩的影响各有不同,摩擦桩承载力主要依靠土体摩阻力提供,端承摩擦桩则依靠桩端承载力提供。

因此,计算桩基剩余承载力能否满足原设计所要求的承载力,可以作为判断建筑物是否需要加固的依据,具体计算方法为:计算出盾构引动松动土的高度,对于摩擦桩和端承摩擦桩,根据桩基规范中持力层选择的有关要求,桩底以下3倍直径不能存在溶洞或具震陷液化特点的地层,为确保建筑物安全,可假定松动土范围内的地层视作特殊土层,即桩底离隧道竖直距离小于3倍桩基直径且不小于2m的桩视为完全损失桩端承载力,即计算出地层松动高度+3倍桩径或2m(取大值)是否大于桩底至隧道的竖直距离即可判别建筑物是否需要加固;对于桩端落人岩石中、微风化的端承桩,盾构所引起的松动土高度很小(通常计算结果为零),这时,须计算隧道开挖面与桩底的岩体能否满足冲切要求,判断桩基应否加固。

1.2 对建(构)筑物的加固方法

桩基末侵入隧道,但剩余桩基承载力不满足原设计要求,可通过预注浆以提高桩基承载力,同时,在盾构通过时在地面采用跟踪注浆,可确保既有建筑物的安全。

桩基已侵入隧道,需对桩基进行梁式托换或板基基础转换,必要时切断原桩。如在地铁某区间工程中,盾构需穿越一栋7层房屋,其基础为144根￠480锤击灌注桩的建筑物,通过以上理论计算,个别桩基不满足受力要求,在施工前须对14根桩基采用梁式托换,其余桩基不进行预处理。考虑到盾构通过房屋时,已托换柱与没有托换柱之间可能会发生较大的沉降差,因此,在托换梁设计时,允许托换梁在规范范围内出现一定的托换变形,最大挠度变形在5-8mm。在实际施工中,建筑物最大沉降值在18.1mm,最大不均匀沉降为5mm,均满足规范要求。

2 地下水流失造成建筑物沉降

在深埋隧道中,地层损失造成的建筑物的沉降主要影响的是端承桩,而地下水大量流失造成地下水位下降则主要影响的是浅基础和长度较短的摩擦桩,特别是基础以下存在间隙率较大的地层,如中、粗砂层所造成的沉降较大。

由于土压平衡式盾构机在掘进过程中,拱顶同步注浆普遍存在不密实情况,导致拱顶处沿隧道方向存在水力连通,当盾构长时间停止掘进时,地下水容易从盾构机后方流至开挖面,引起地下水大量流失,当地层起伏较大或存在地质钻孔封孔质量不好时,容易与上部地层形成水力通道,直接贯通隔水层引起地下水位下降;另外在含水量较大的地层中停机也会造成开挖万方数据面较大的水量流失。

在某隧道施工工程盾构掘进时,也曾遇到因地下水位下降造成房屋沉降的实例。盾构机在地层起伏较大的位置更换刀具,机头位置处于花岗岩强、中风化地层,其中中风化地层裂隙发育。当盾构机完成换刀启动时,出现了大量喷涌现象,前方30m处的一幢5层独立基础房屋(持力层为粗砂层)次日累积沉降达28.2mm,且沉降速率不断增大,地下水位下降了2.2m,房屋过道已出现少量沉降裂缝,施工单位立即采用了注浆加固稳定了沉降速率,当累积沉降值为42.5 mm时开始收敛,盾构立即快速通过该房屋,当地下水位回复至稳定水位后,原沉降较大的柱子出现了10.8mm的正位移。

3 穿越建(构)筑物掘进参数的控制与施工监测

前面所论述盾构引起建筑物沉降是建立于盾构采用正确的掘进参数情况下的一种预测,对一些预测沉降量较大的建筑物采用提前加固的措施。在实际施工中,如何控制好掘进参数,是对建筑物保护的一项最基本、最重要的措施。

3.1 盾构穿越房屋时掘进参数的选择

准确计算各种地层的理论松方出土量,施工中必须严格按计算结果控制好实际出土量。

采用土压平衡式掘进,合理地设定土压力值。

当穿越沉降敏感地层或大量地下水区域时,必须采用全土压掘进。

通过建(构)筑物时应保持连续掘进。

控制好盾构姿态,避免因纠偏而造成超挖。

同步注浆和二次注浆必须到位,确保管片与地层间隙密实。

采用耐磨性较高的刀具,减少换刀次数,制定合理的换刀计划,提前在建(构)筑物前做好换刀工作,避免盾构在建(构)筑物下停留。

控制衬砌拼装偏差,提高隧道质量,减少后期沉降。

另外,在掘进过程中,必须做好施工监测,及时地反馈给现场指挥,及时掌握地面沉降情况。

3.2 建(构)筑物、管线、地面的监测

3.2.1 监测方案

根据建(构)筑物的不同类型,按规范要求确定沉降允许值,并按允许值的60%～80%定出警戒值。

在盾构始发前进行一次全面建(构)筑测量,并每天进行监测,得出建筑确定原始值及原始沉降速率值。

根据监测对象情况,在每个建筑物周围布设不少于3个稳固的基准点。管线的观测点布置在管线边的土体中。

根据隧道通过的围岩条件和周围建(构)筑物情况布置观测点,沿隧道中线前进方向每隔5—8 m布设一个观测点,每隔5～10个观测点布设一个检测横断面。每个断面上布设4—8个观测点,对软弱土层、重要的建(构)筑物或埋深较浅的区域应适当加密监测断面和测点。

在硬化的地表上布设的测点要穿透硬化层,渗入地面1 m以下,防止下面虚空而没有及时发现。

盾构通过建(构)筑物时,每天监测次数不少于2次,当出现异常情况,及时加密监测次数。

本文通过理论知识和工程实例,指出隧道施工在穿越建筑物基础过程中,如何选择好掘进参数和施工监测方法。在确定盾构穿越建筑物对基础的影响程度的前提下如何采用相应的保护加固措施。文章所提供的方法简单、直观,较易掌握,通过多个隧道盾构工程的实践检验,具较强的适用性。

参考文献:

[1]唐春安,郭陕云.隧道、地下工程及岩石破碎理论与应用[M].大连理工大学出版社,2007,(8).

[2] 陈小雄.现代隧道工程理论与隧道施工[M].西南交通大学出版社,2006,(11).

[3] 覃仁辉.隧道工程[M].新疆大学出版社,2005,(9).