盾构穿越浅基础房屋沉降控制研究

卢旺

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300855）

1 引言

随着社会经济的发展，地铁以其经济、快捷、空间利用等优点成为城市交通的优先发展方向[1]。但盾构施工经常穿越老城区，穿越建筑物密集的浅基础房屋，确保房屋结构安全仍然是盾构施工的难点之一。通过调查，预穿越的龙美新村房屋均为浅基础房屋，房屋层高在2～5层之间，房屋多为自建且房龄较长，基础为钢筋混凝土独立基础，基础下地层以粉质粘土及砾质黏土为主，盾构通过时对地层的扰动及地下水位的降低均会造成房屋沉降或结构开裂，影响建筑物结构安全及使用。因此，本工程房屋沉降控制是最大的技术难点。

2 工程实例

广州市轨道交通十八号线和二十二号线番南中间风井至番南2号盾构井区间线路总长度约2 480 m，穿越华圣物流园、龙美新区、金龙花园等老城区群房，见图1。房屋多为浅基础，框架结构，层高2～5层。

图1 盾构区间平面示意图

盾构区间地质情况依次为：填土层，平均厚度2 m；粉质粘土层，平均厚度4 m；花岗岩残积土层，平均厚度8.2 m；花岗岩全风化层，平均厚度24 m；盾构机穿越的主要地层为岩石全风化带，本层主要由泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、粗砂岩、砾岩组成。岩芯呈坚硬土状或密实土状，浸水易软化崩解，压缩性中等-低。隧道埋深25～28 m。地下水位-2.1 m。

表1 岩土主要物理力学参数表（原状土）

3 有限元模型建立

有限元模型整体高度45 m，土层三维模型横向80 m，沿盾构掘进方向60 m。因为土体本身既具有弹性又存在塑性，且在对新建隧道进行盾构开挖施工时，既需要表现出土体的弹性变形又需要变现出其塑性变形，因此，土层部分选择的本构模型为Mohr-Coulomb弹塑性模型。模型中盾构管片及管片外填充的水泥浆液采用壳单元模拟管片，管片采用35 cm厚C50钢筋混凝土，水泥浆液0.05 m厚强度C10。按弹性匀质圆环考虑，用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响。

龙美村的房屋多为居民自建房，其中距离隧道中线2 m的A2栋住宅楼为4层框架结构，底层层高4 m，2～4层层高3 m。房屋宽6 m，长8 m。天然地基独立柱基础，基础埋深2.0 m，基础放大端面积2.3 m×2.3 m。框架柱0.5 m×0.5 m，框架梁0.3 m×0.5 m，楼板厚度为0.12 m。混凝土强度等级均C30。隧道与房屋有限元模型见图2。

图2 隧道与房屋有限元模型

采用注浆的形式对房屋周边地层进行注浆加固。注浆后土体物理力学系数改变，改变后的系数由现场拟合试验得出，见表2。

表2 岩土主要物理力学参数表（加固后土体）

采用单元的生死技术来模拟围岩土体的开挖[2]，分十个开挖步模拟开挖过程。每施加一个开挖步，首先杀死被挖去的土体单元（共10次，一次6 m），同时在开挖面上施加平衡压力（平衡压力根据土体自重、埋深及侧压力系数计算，本模型刀盘压力预定为0.15 MPa）。然后激活管片层和管片层外侧水泥浆液层单元[3]。隧道穿越后变形云图见图3。

图3 隧道与房屋变形云图

4 施工措施

4.1 加固注浆

浆液与被土体之间的力学作用是非常复杂性的，水泥单浆液加入不同配比的水玻璃具有优良止水及填充效果。由于浆液同时具有空隙填充、劈裂、渗滤联合扩散机制,加固后的地层为改良后的土体、劈裂注浆浆脉组成的混合体，土体注浆填充后土体孔隙率降低，土体弹性模量升高，由于加固土体的复杂性，通过多组实验拟合曲线分析孔隙率与土体弹性模量的拟合系数x。注浆加固后孔隙率与土体弹性模量的关系：

式中，e0为注浆前土体孔隙率；e1为注浆后土体孔隙率；E1为注浆后改良土体的弹性模量；E0为注浆前改良土体的弹性模量；x为拟合系数，根据实验取值。

房屋周边注浆孔间距1.5 m，注浆深度20 m，采用后退式注浆，20 m范围内全断面加固，注浆双浆液配比为0.8:1:0.25（水：水泥：水玻璃）。注浆压力控制在为0.6～0.8 MPa。

图4 加固后的岩土芯样

4.2 盾构机施工参数设定

盾构穿越房屋前设2个试验段[3]，试验段1长度20 m，间隔10 m后设试验段2，长度20 m。两个试验段均进行了注浆加固，地表设有监测点，目的是调整盾构施工参数。

表3 盾构施工参数设定表

5 数据比较

盾构穿越房屋前100 m时在A2栋房屋平面转角处布设了4个监测点（JGC45、JGC46、JGC47、JGC48），见图5。由于房屋监测需要很高的监测频率，以便及时调整掘进参数，采用了自动化监测系统，用压差式静力水准仪进行监测，监测数据实时传输到手机客户端，便于施工人员及时进行参数调整[4]。

图5 房屋监测平面图

房屋距离盾构刀盘60 m时开始采集初始值，盾尾通过房屋60 m后持续监测2个月，监测沉降数值与计算沉降数值见图6、图7。

图6 房屋实际沉降值与计算值比较（JGC45）

图7 房屋实际沉降值与计算值比较（JGC46）

6 结语

在盾构出发前对预穿越的房屋地基加固[5]，通过改变土体物理系数的方法是很有效果的。本文中未改变土体物理系数之前的计算结果超出了房屋沉降允许值，而改变后计算值复核设计及规范要求，且实测值与计算相差不大。广州地铁十八号线番南区间已穿越了群房，房屋最大沉降控制在了15 mm以内，技术措施实施效果非常显著，确保了建筑物的结构安全及正常使用。