上软下硬地层盾构斜穿建筑群“仓-注”联合控制技术下的地表变形规律研究

赵 勇，喻 伟，张 东，陈长胜，翟乾智，李宏波

(1.中铁南方投资集团有限公司， 广东 深圳 518000；2.盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)

深圳地铁14号线(见图1)，共计21个盾构区间。布吉站—石芽岭站采用盾构+矿山法；昂鹅出入段线、公园南出入场线区间采用盾构+明挖法；其余区间均采用盾构法施工。线路全长50.34 km(岗厦北—沙田)，设站18座(枢纽站3座，换乘站10座，标准站5座，平均站间距3.1 km)，全地下敷设，列车采用全自动无人驾驶地铁列车。车辆最高设计运行速度为120 km/h。

图1 深圳地铁14号线路线图

为确保盾构顺利通过软硬交互地层下穿建筑物的难题，为盾构掘进提供关键控制参数。张乔毓[1]对建筑物袖阀管注浆加固,在盾构穿越时对洞内管片背后二次深孔加强注浆等手段，对铁路股道及站房的沉降控制起到良好效果。杨益等[2]以常州地铁下穿建筑物沉降为研究背景，得出洞内二次补浆是地层控制的重要手段。张哲[3]以武汉地铁8号线为工程背景，通过研究袖阀管加固和不同水灰比得出沉降控制的最佳水灰配比。谢雄耀等[4]提出了微沉降控制技术，在地表沉降发生之前及时注浆填充地层损失的空隙防止地表沉降，保证建筑物安全。张靖宇等[5]运用故障树风险分析方法，逐层找出建筑塌陷和损坏风险源，提出控制预防和处理的方案。孙峰[6]运用PLC系统对建筑物沉降变形进行监测，研究了盾构下穿建筑物地层扰动的影响。谢雄耀等[7]以南宁地铁1号线下穿居民小区为对象，对泥浆性能指标进行优化了浆液配合比，提出以土仓压力为控制指标，减小掘进参数波动从而控制地表沉降。梁新权等[8]提出以旋喷桩为注浆加固手段，可以确保流塑状残积粉质黏土地层加固效果明显。并有多名学者利用数值计算软件工具对盾构下穿建筑物进行数值计算，得出建筑物变形依据[9-14]。但很少提到在软硬不均地层中，盾构下穿建筑物过程中利用土仓压力和注浆加固联合控制技术来进行施工。采用数值模拟和现场验证相结合的方法为盾构通过上软下硬地层提供土仓压力等关键参数。

1 工程地质概况与工程重难点

深圳市轨道交通14号线四坳盾构区间主要分布有第四系全新统人工堆积层(Q4ml)，第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，第三系白云坑组(Eb)含砾砂岩，侏罗系塘厦群(J2tn)角岩、碎裂岩，石炭系测水组(C1c)含砾砂岩、砂岩、泥质粉砂岩、碎屑灰岩、灰岩，燕山期(γ53)花岗岩，震旦系(Z1d)混合岩。

四坳区间洞身范围主要为强风化角岩、中风化角岩、微风化角岩；微风化角岩单轴抗压强度平均值85.8 MPa，中风化角岩单轴抗压强度平均值43.4 MPa，地层如图2所示。

图2 地质剖面图

(1) 区间地质复杂，不良地质多，施工风险高。

区间地质复杂，灰岩溶洞、软硬不均等不良地层较多，区间中上部地层为软土或全强风化地层，中下部为中风化、微风化岩层，盾构在此地层掘进技术要求较高，易造成姿态控制困难和上部超挖，从而造成地面较大沉降，甚至发生塌陷。

(2) 盾构区间穿越多层建筑物、桥梁、轨道交通、河流等多种不良条件，地表变形控制严格。

四坳区间大部分穿越繁华闹市区，同时周边多条地铁线路同步建设，地面交通流量大、周边商业区多、建筑物密集、环境非常敏感，减少扰民及降低对交通、民生、商业的影响是非常重要的；四坳区间多处下穿或侧穿既有运营地铁线、铁路、高速公路、房屋、河流、桥梁等，既有建构筑物的保护要求高，安全风险大。

2 不同加固深度下地表变形分析

2.1 盾构下穿建筑物情况

四联站—坳背站区间自四联站始发，进入贤合小区，下穿四联河暗渠，分别穿越茂盛村、旱塘村、独竹村、189工业园区，沿红棉四路-南北干道下方敷设，下穿四联河暗渠、横坪快速路、厦深高铁后继续沿红棉四路铺设至坳背站，四联站—坳背站区间盾构全长2 626.671 m。

图3 四联站—坳背站区间平面图

区间下穿茂盛村房屋均为混凝土结构，房屋层数在3～6层(以4～5层居多)，浅基础，埋深在3.5 m左右，区间隧道拱顶穿越地层为粉质黏土、全风化角岩及土状强风化角岩为主，隧道拱顶距地面11.146 m～15.887 m。隧道穿越茂盛村如图4所示。

图4 盾构穿越建筑物总体示意图

盾构穿越茂盛村距离较长，建筑物基础形式多样，具有筏板基础、独立扩大基础、和桩基础。盾构下穿独立基础如图所示，盾构下穿桩基础如图5、图6所示。

图5 区间隧道与建筑物的关系

图6 区间下穿茂盛新村建筑群分布

区间采用复合式土压平衡盾构施工，最小曲线半径750 m，线间距6.60 m～30.86 m，最小坡度5‰，最大坡度为29.171‰，埋深约8.5 m～39.0 m，管片外径6.7 m、内径6.0 m，厚度0.35 m，管片宽度1.5 m。

2.2 岩土体物理参数

本文的土体单元采用摩尔-库仑模型，地层从上往下主要包含素填土、粉质黏土、全风化角岩、微—中分化角岩，岩土体主要物理参数如表1所示。

表1 岩土体物理参数

2.3 建筑物加固地层沉降分析

为了保证盾构穿越建筑物稳定性，现对扩大基础底部分别进行5 m、7 m、8 m、10 m等不同加固深度研究，得出不同加固深度的地表沉降曲线见图7。

图7 不同加固深度地表沉降变形

图7中7 m、8 m、10 m加固范围的地表沉降较为均匀，建筑物范围内地表倾斜在0.4 mm/m左右，计算未出现应力集中和较大的塑性变形区，建筑物在盾构掘进开挖时能够安全稳定掘进；同时考虑到加固的经济性，建议盾构在掘进通过此地层时，对建筑物加固7 m以上，加固模型如图8所示。

图8 加固7 m地表变形

对加固之后的建筑物进行分析，取5个不同剖面地表沉降图进行分析，得出如图9所示曲线。

图9 加固7 m地表变形曲线

图中10、20、30、40、50为模型中不同剖面。盾构穿越地区建筑物均有不同程度的沉降。其中建筑物JZ-10左前方拐角处沉降为12.1 mm，右后方拐角处沉降为9.3 mm；盾构竖直下穿建筑物JZ-11的右后方沉降达到10.5 mm，左前方沉降为13.3 mm；远离盾构有限区域的建筑物JZ-12的左前方沉降为6.2 mm，右后方沉降为7.1 mm。计算结果表明盾构穿越建筑物周围地表的沉降达到12 mm～13 mm。加固时候的建筑物地表沉降得到明显控制。

2.4 不同土仓压力下地表沉降

为了研究地层加固之后地表在不同土仓压力下的地表沉降，分别对不同土仓压力地表沉降进行分析，见图10—图12。

图10 1.0 bar土仓压力地表沉降

图11 1.5 bar土仓压力地表沉降

通过分析不同土仓压力和地表变形的最大量，见图13，得出地表沉降和土仓压力大致呈对数函数关系：

y=14.389ln(x)-10.407

其中：y为地表变形，mm；x为土仓压力，MPa。相关性系数：R2=0.809 8，表现出高度的相关性。

图12 3 bar土仓压力地表沉降

图13 不同土仓压力下地表沉降图

2.5 建筑物加固方案

为确保盾构下穿建筑物基础稳定，对房屋周围预埋单排跟踪注浆孔，注浆孔距房屋边缘为1.5 m～5.0 m不等；加固时进行斜孔注浆，角度30°～55°，注浆深度为地面以下7 m～11 m(预埋深度视实际房屋基础情况定)；注浆过程中控制注浆压力1.0 MPa～2.0 MPa，防止注浆压力过大，造成对房屋基础的破坏。

2.6 土仓压力变化

为了研究盾构穿越建筑物时土仓压力变化，提取盾构掘进过程中土仓压力，土仓压力过程见图14。

图14 土仓压力变化曲线

图14中所示土仓压力平均值为1.5 bar，土仓压力最大值为2.3 bar，最小值为0.85 bar。土仓压力在1.2 bar～1.9 bar区间范围内分布较多，占总的78.2%，其中土仓压力大于2 bar的占比12.72%。各土仓压力沿纵断面分布如图15所示。

图15 土仓压力分布直方图

2.7 现场地表沉降监测

对掘进区间右线DK30+912—DK32730进行现场沉降监测。本次分析区间右线76个监测点的地表沉降监测数据，计算得出区间地表沉降平均为-4.63 mm，地表沉降的最大值为-20.2 mm，地表隆起数据为11个，最大地表隆起为5.6 mm。区间沉降分布趋势如图16、图17所示。

图16 地表沉降图

图17 地表沉降频率分布图

3 结 论

针对盾构斜穿建筑物地表下沉难题，本文利用数值分析和现场监测相结合的方法，得出以下结论：

(1) 盾构在下穿建筑物时先对不同建筑物的加固深度进行分析，找出合适的加固深度，然后通过控制土仓压力的方法为盾构掘进提供关键参数。

(2) 盾构在斜穿建筑物时，由于地层损失的时空效应造成隧道上方建筑物下部土体的应力重分布，从而导致建筑物基础薄弱部位和建筑物拐角位置的稳定性发生改变，为了确保建筑物稳定，应在建筑物基础范围内进行地层加固。

(3) 通过地层加固和土仓压力关联分析的地表沉降研究，发现此种方法能够较好的保证盾构施工时建筑物的稳定，为盾构斜穿建筑物提供了较好的加固和控制依据。

(4) 盾构在穿越过程中土仓压力波动会影响出渣量，进而导致地表发生变形。