地铁隧道近距离侧穿建筑物隔离防护技术研究*

耿 城

(信阳农林学院,464006,信阳∥讲师)



地铁隧道近距离侧穿建筑物隔离防护技术研究*

耿 城

(信阳农林学院,464006,信阳∥讲师)

以济南市轨道交通R1线某区间隧道近距离侧穿文物保护区某6层框架结构体系桩基建筑物为工程背景,通过理论分析、现场测试及数值分析,深入分析了隔离防护措施在该种工况下的隔离效果。结果表明:隔离桩防护措施主要是通过阻断盾构隧道掘进引起的扰动应力传递路径将盾构隧道穿越影响范围限定在理想范围之内,将受保护区与盾构隧道影响区隔离。建筑物桩基竖向沉降、水平变形均呈现出平缓过渡、明显下降、上下震荡过程,最大振幅分别为0.90 mm、1.00 mm;钻孔灌注桩C、D与建筑物桩基相比,竖向沉降、水平变形振幅更大、持续时间更长,最大振幅分别为1.40 mm、5.50 mm。采取防护措施后,钻孔灌注桩最大水平变形量从6.00 mm减小至1.00 mm;桩身长度范围内,变形呈侧“V”字形,隔离效果显著,实现了隔离桩外侧区域变形可控,确保了施工安全。

地铁隧道; 建筑物桩基; 隔离桩; 近接施工

Author′s address Xinyang College of Agriculture and Forestry,464006,Xinyang,China

随着我国经济的不断发展及施工技术的不断提高,盾构法作为一种机械化程度高、环境污染小、施工效率高的新的施工工法被广泛地应用于地铁隧道建设过程中[1-2]。但由于不同的线路规划,地铁隧道将不可避免地产生近距离穿越建筑物、构筑物工况,其必将扰动周围土体,改变应力状态,从而严重影响桩基础的变形与受力,甚至导致上部建筑物的开裂或破坏。因此,开展盾构近距离穿越建筑物桩基防护措施研究具有非常重要的工程意义[3-4]。

目前,诸多学者对盾构隧道穿越建筑物、构筑物工程进行了大量的研究,取得了丰硕成果。研究发现,盾构隧道近距离穿越重要建筑物、构筑物时,地层扰动使建筑物基础产生显著地应力集中和变形突变,进而引起上部建筑物开裂、倾斜或倒塌。盾构隧道近距离穿越重要建筑物防护措施主要可分为两类:一是调整施工参数,优化盾构推力、推进速度、推进扭矩等参数,达到减小盾构穿越对地层的扰动[5-6];二是打设隔离桩增加特定区域地层刚度,阻断盾构扰动引起的应力传递路径,将穿越扰动影响区限定在一定范围,从而达到保护建筑物基础的目的[7-8]。但上述研究均忽略了盾构穿越对隔离桩自身的影响。而穿越过程中隔离桩力学响应是体现隔离防护措施能够起防护作用的重要指标,也是关系到穿越安全的关键因素,因此,有必要针对盾构穿越过程中防护措施进行专项研究,避免盲目施工使隔离防护措施未能达到预期要求。

本文以济南市轨道交通R1线某区间隧道近距离侧穿某重要建筑物(6层18.6 m高的桩基础框架建筑物结构体系)为工程背景,采用钻孔灌注桩,结合高压旋喷桩组合的隔离桩防护方案,对盾构隧道近距离侧穿施工过程中隔离效果进行了理论分析和现场监测,认为该种加固方案可有效阻断盾构隧道施工引起的应力传递路径,减小穿越对建筑物基础扰动,将扰动影响区限定在桩基础之外,达到了防护效果。

1 工程概况

济南轨道交通R1线某区间隧道近距离侧穿文物保护区某6层框架结构的建筑物位于区间里程K21+577～K21+627。其中,建筑物外侧桩基础与盾构隧道最小水平距离仅为8.20 m,建筑物为标准6层框架式结构体系(高×长×宽=18.6 m×15.6 m×32.0 m),其基础为三排规则分布的桩基础,长15.0 m,水平间距5.0 m,纵向间距为2.1 m。采用土压平衡式盾构法结合盾尾同步注浆系统、二次补强注浆系统进行施工;衬砌混凝土强度等级C50,抗渗等级P10。盾构管片设计内径为5.8 m,外径为6.4 m,开挖毛洞直径为6.68 m,埋深为23.0 m。

由于盾构隧道距离建筑物较近,故盾构隧道穿越施工必定对建筑物桩基础造成严重影响,如若处理不当,将引起建筑物关键部位应力集中或变形突变。因此,需进行专项防护措施研究。

地质勘查资料揭示了钻孔深度30 m范围内,地层自上而下以杂填土、黄土、粉质黏土、胶结砂、黏土、较破碎的中风化花岗岩为主,其弹性模量较低,盾构施工易引起较大的扰动变形。地下水位位于-15.5 m,以潜水(水位标高11.53～18.14 m)和灰岩裂隙水(水位标高18.14～30.14 m)为主;等代层是盾尾间隙及回填注浆作用的抽象概括。当盾构机械参数及施工工艺确定后,等代层的厚度及其力学参数是一定的。盾构隧道与建筑物相对位置如图1所示,地质条件物理力学参数如表1所示。

图1 盾构隧道与建筑物桩基相对位置图

地层名称厚度/m重度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/(°)杂填土2.917.580.351016黄土4.118.5120.322018粉质黏土5.819300.32426黏土9.718400.283034胶结砂2.321800.264024黏土3.419500.283235

2 盾构近距离侧穿建筑物变形控制

2.1 隔离桩作用机理分析

假定未采取防护措施时,隧道开挖引起的围岩应力传递依照松散体围岩压力理论,沿45°+φ/2(φ为方向向上传递)[9-10]。通过打设隔离桩,可阻断了盾构隧道施工的应力传递路径,将施工影响限定在预定范围,从而达到隔离建筑物基础的效果(见图2)。

2.2 隔离桩防护方案及监测点布置

防护方案的隔离桩采用钻孔灌注桩结合高压旋喷桩双桩组合。其中,钻孔灌注桩桩径为0.8 m,桩长约17 m,桩心距为0.9 m。旋喷桩桩径为1.0 m,桩长约16.0 m,咬合0.4 m。钻孔桩紧靠旋喷桩组合施作。隧道左侧双桩隔断范围距离建筑物桩基外缘3.80 m,右侧距离隧道中心轴线4.40 m,加固长度约45.00 m。

图2 隔离防护措施下盾构隧道影响区

为研究隔离桩对建筑物的隔离效果,以建筑物桩基A、B、C、D作为变形监测点。其中,竖向变形采用水准仪监测,水平位移通过测斜管监测。隔离桩防护方案及监测点布置如图3所示。

图3 隔离桩防护方案及监测点布置图

2.3 隔离桩对建筑物桩基监测结果分析

盾构穿越过程中,桩基A、B和钻孔灌注桩C、D为重点观测对象。

桩基沉降观测点A1、B1的监测数据如图4所示。由图4可以看出,桩基沉降变化分为5个阶段。

(1) 钻孔灌注桩施工阶段(0～12 d)。该阶段的桩基沉降可划分为沉降不显著段及下降段。这是由钻孔灌注桩由远及近靠近建筑物桩基施工所致。

(2) 高压旋喷桩施工阶段(13～25 d)。此阶段桩基有隆起趋势。这是由于高压旋喷桩施工中的搅拌与切削对土体有挤压作用,故而产生桩基隆起。

(3) 左线隧道施工阶段(26～70 d)。此阶段桩基沉降出现上下振荡,最大沉降量从0.1 mm增至1.0 mm。这是由于盾尾脱环及推进作用时,盾壳对桩基外侧的挤压摩擦力交互作用所致。桩基B最大振幅为0.8 mm,小于桩基A。这说明距离是影响盾构施工扰动程度大小的关键因素。

(4) 右线隧道施工阶段(103～118 d)。此阶段,桩基沉降呈现小幅振荡。桩基A最大振幅仅为0.7 mm。这是因为右线隧道距桩基较远,对桩基的变形影响较左线小。

整体来看,采用隔离防护措施后,桩基最大隆起量为0.4 mm,最大沉降量为1.0 mm,符合设计要求。

图4 盾构穿越时观测点A1、B1的沉降监测

钻孔灌注桩C、D受盾构穿越施工引起的沉降变形如图5所示。与建筑物桩基相比,钻孔灌注桩受盾构施工扰动更严重,沉降幅度更大。这是由于钻孔灌注桩距盾构隧道更近、更密集,在穿越过程中承担了大部分挤压力。左线施工引起的最大振荡幅值为1.40 mm,位于隧道距桩基水平距离最近处;右线施工引起的桩基C、D振荡幅度较左线小1.10 mm。这也说明距离是桩基受扰动程度的关键因素。

图5 盾构穿越过程中观测点C、D沉降监测

2.5 侧穿施工对建筑物桩基水平变影响

建筑桩基A、B在盾构穿越施工过程中水平变形监测数据统计如图6所示。在图6中,“正值”代表背离加固区方向,“负值”代表趋向加固区方向。

由图6可见,建筑物桩基产生背离加固区趋势,钻孔灌注桩水平变形向着隧道开挖一侧移动。这是由于隧道开挖土体卸载,土压力减小所致。隔离桩防护措施下,桩基水平变形显著减小;桩基沿隔离桩加固区方向移动,最大变形量为1.10 mm,且桩基A、B变形量相差不大。隔离桩起到了良好的隔离作用,水平位移得到了较好的控制。

图6 建筑物桩基A、B水平变形示意图

盾构穿越过程中,钻孔灌注桩水平方向变形监测数据如图7所示。由图7可见,与竖向沉降变化规律一致,钻孔灌注桩由于距离隧道较近,盾构推力、刀盘切削土体、盾尾脱环对建筑物桩周土体引起的水平变形影响更加显著。其具体表现为钻孔灌注桩水平位移观测点振动幅度更大,水平变形量大幅增加。钻孔灌注桩C、D最大水平位移变化幅度分别为5.50 mm和3.50 mm,与建筑物桩基的1.10 mm、1.06 mm形成鲜明对比。可见。隔离桩对建筑物桩基起到了较好的防护作用。

图7 钻孔灌注桩C、D水平变形示意图

2.6 隔离效果数值分析

根据FLAC3D数值计算分析,有无防护措施下,单向盾构隧道近距离侧穿桩基建筑物引起的土体水平位移云图如图8所示。由图8可见,未防护时,水平位移呈对称分布,桩基最大水平位移位于桩底,约6.4 mm。采用隔离桩施作防护后,盾构施工引起的应力传递路径被隔断,桩基位移得到了有效控制;最大水平位移仍位于桩底,为1.3 mm。对比有无隔离措施下建筑物桩基底部变形可知,采取隔离桩防护措施后,水平位移减幅达79.7%。这说明隔离桩防护措施对建筑物桩基的保护效果显著。

图8 有无防护措施下左线隧道开挖水平位移图

图9为钻孔灌注桩C、D背后土体在有无防护措施下水平变形图。可见有无隔离防护措施时,桩基C、D背后土体水平变形分别为1.0 mm和6.0 mm,隔离效果显著,达到了预期目标。钻孔灌注桩C、D变形趋势沿桩身范围内呈现侧“V”字形,最大水平位移发生在隧道埋深位置。现场施工时应对此处桩基位置进行动态监测,以确保施工安全。

3 结论

依托济南市轨道交通R1线某区间隧道近距离侧穿6层桩基建筑物工程,深入分析了隔离桩在该种工况下隔离效果,得到主要结论如下:

(1) 隔离桩防护措施主要是通过阻断盾构隧道掘进引起的扰动应力传递路径将盾构隧道穿越影响范围限定在理想范围之内,从而将受保护区与盾构隧道影响区隔离,使受保护免受盾构扰动影响。

图9 有无防护措施桩基C、D背后土体水平变形变形曲线

(2) 建筑物桩基竖向沉降呈现出平缓过渡(稍远钻孔灌注桩施工)、明显下降(较近的钻孔灌注桩基高压旋喷桩施工)、上下震荡过程(盾构穿越过程);桩基A、B最大振幅分别为0.9 mm、0.8 mm;钻孔灌注桩C、D最大振幅为1.40 mm、1.10 mm,隔离效果显著。

(3) 隔离桩防护措施下,钻孔灌注桩C、D水平变形振幅高达5.50 mm、3.50 mm;建筑物桩基A、B水平最大振幅分别为1.10 mm、1.06 mm,隔离效果显著,达到了预期目的。

(4) 钻孔灌注桩C、D背后土体在有无隔离桩作用下最大水平变形位于隧道埋深位置,最大水平变形量从6.0 mm减小至1.0 mm;桩身变形呈侧“V”字形。隔离效果显著,实现了隔离桩外侧区域变形可控,确保了施工安全。

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Safety Control Technology of Subway Tunnels Crossing under the Adjacent Buildings

GENG Cheng

A section tunnel on Jinan metro R1 Line is taken as the example, which crosses under a six-storied frame pile-building in the cultural relics protection area, the effect of isolation precautions taken in this condition is studied by way of theoretical analysis, field testing and numerical analysis. The result shows that the protection measures of isolation pile could successfully isolate the protected area and the shield tunnelling affected zone, by blocking the stress transmission path of the disturbance. The vertical settlement and horizontal deformation of building piles demonstrate different stages of gradual transition, significant decrease and the process of shaking up and down, in which the maximum amplitude of vertical, horizontal deformations are 0.90 mm and 1.00 mm respectively. Compared with the building pile, the vertical settlement and the horizontal deformation, pile C and pile D show a greater amplitude and a longer duration, the maximum amplitude are 1.40 mm and 5.50 mm respectively. Numerical calculation indicates, with and without protective measures, the maximum horizontal deformation amount of bored piles could be reduced from 6.00 mm to 1.00 mm; the deformation within the range of pile length appears in a "V" shape, and the isolation effect is remarkable. Therefore, the isolation pile could successfully isolate the building from the affected zone of shield tunnelling, and ensure the construction safety.

subway tunnel; building pile; isolation pile; close construction

*青年科学基金项目(201302009)

TU 478

10.16037/j.1007-869x.2016.09.024

2016-05-25)