土压平衡式盾构近距离连续下穿高层住宅小区施工力学与措施研究

辛振省

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 工程简介

某地铁区间隧道自A站向南经过体育场南端附近，线路穿越北一环路向南前行，上行线长2 895.747 m，下行线长2 895.399 m，区间总长5 791.146 m。工程由2台Φ6250海瑞克复合式土压平衡盾构施工，先后在上行线隧道和下行线隧道施工，盾构从长江路站北端头井下井，掘进至B站南端头井。本区间先后穿越凤凰花园小区公建-GJ04、凤凰花园西区J-02#、凤凰花园西区J-01#，最后从凤凰花园西区G02旁穿过，详见区间穿越凤凰花园小区关系平面图1和楼房实景图2.本区间需连续下穿、旁穿凤凰花园多栋高层住宅楼，穿越地层主要为②4中砂、②5粗砂、②6砾砂、②7圆砾、⑤1-1强风化泥质砂岩、⑥1全风化千枚岩、⑥2强风化千枚岩等。住宅楼桩基础为夯扩灌注桩，桩径Φ0.5 m，桩长约13.85 m。桩底距离设计隧道外径顶最小距离为67 cm，距离盾构机刀盘外径距离为49 cm。盾构隧道与桩基的位置关系如图3所示。

2 施工力学计算分析

2.1 模型建立与施工力学模拟

针对勘察报告所提供的地质资料参数和盾构隧道与楼房的相对位置建立三维模型，如图4所示，前两栋楼房高度33 m，最后一栋楼房高度定为21 m，盾构开挖直径为6.2 m，隧道管片厚度为300 mm，同步注浆按照20 mm厚度考虑，管片宽度为1.2 m。根据圣维南原理，为了使得边界约束条件不对开挖真实情况造成影响，土层模型要足够大，两侧边缘分别距离隧道外边缘的距离均大于3倍的开挖直径，以便仿真计算完全依照现场施工情况进行。

图1 盾构隧道下穿住宅楼的平面图

图2 楼房实景图

为了详细突出盾构在开挖推进过程中的作用，整个仿真模拟过程从距离楼房边缘30 m处开始，分为穿越J-02#楼房前、下穿J-02过程中、下穿至J-02与J-01之间、下穿至J-01#楼下方、下穿至J-02与G02之间、盾构完全穿过小区6个阶段。同样，第二条隧道开挖也分为6个阶段，这充分体现了盾构下穿小区三栋楼房的完成过程中围岩土体的力学场变化及楼房和桩基的变化情况。在此预测下穿小区楼群的过程中发生的地层地表位移及相关力学行为，以期为盾构推进参数的设定提供参考，同时，也为监测点的布设和加固施工提供充分的依据，从而保证施工安全，做到加固有的放矢，达到经济、安全、高效的目的。在模拟过程中，地层分布完全按照勘察报告提供的地层分布试验力学参数进行。

图3 盾构隧道与桩基位置关系

图4 盾构下穿小区的三维数值模型

模型建立后，为各层土体附上其属性，但此时的模型只是各层土体的堆积，不是现实中的原状土体。在附弹性模型mode elastic后，在土体的自重作用下，土体自动开始固结沉降，形成原状土体的应力场。在这个过程中，地层形成的过程就已经完成，但是，在模拟此过程时，模型会有下沉的位移和速度，为了得到开挖引起的位移，必须清除地层压实过程中形成的位移和单元位移速度，这样不至于造成位移的叠加。清除位移和位移速度后，保存土体压实过程中的应力，至此就是现成原状土体。此时进行相关的施工仿真模拟得到的结果就是施工引起的变化，就是工程所需要的数据。

表1 材料参数表

为了使模拟的结果更加贴近事实，使模拟计算有一定的参考价值，本计算严格按照实际施工步骤进行，即开挖掘进—安装管片—同步注浆—二次补充注浆—开挖掘进。在此过程中，掌子面一直承受盾构土舱和刀盘支撑压力，地层和结构参数的选取如表1所示。

2.2 施工力学模拟结果分析

综合位移场分布如图5所示，塑性区分布和地表及楼房位移如图6所示，桩基应力场分布如图7所示，楼房下边缘模拟监测点位移速度曲线如图8所示。

通过三维数值计算分析可以得出以下结论：①从塑性区发展情况来看，隧道周边一定范围受开挖扰动的影响，会发生破坏。对于楼房下方，由于地层附加应力比较大，受隧道开挖的影响，应力松弛比较快，破坏区会有一定的发展，但一般均在隧道通过的临近单元下方地基范围内发展。②从整个过程的位移场分布来看，隧道通过地层的位移场分布非常明显，地层最大位移量为30 mm，发生在隧道正上方2～5 m的土层范围内，如果及时足量地同步注浆、二次补充注入双液浆，最终的桩基沉降可以控制在10 mm以内。受群桩效应的影响（本计算按照大承台方案考虑），最终的房屋最大沉降约为8 mm；单从地表沉降规律分析，其基本上属于规律的波浪形，楼房的前后沉降比较大，楼房地基沉降比较小。在隧道开挖过程中，隧道穿越处房屋沉降明显，会发生倾斜，倾斜度可能达到0.15%左右。由于“鞭梢效应”，房顶处向着隧道开挖方向的位移明显，位移速度比基础要快，在施工过程中应该重点监测。③由开挖过程中监测点的速度监测分析来看，每个监测点都是收敛的，不会发生持续位移，不会给房屋带来塌陷的危险。楼房下边缘模拟监测点位移速度曲线基本都有2个波峰，分别受左右双线二次开挖的影响，G02楼房主要受左线的影响，最快位移速度发生在G02楼房最靠近隧道开挖侧的楼顶位置，但这样的速度持续时间有限，最终的沉降在12 mm以内。④从应力分布情况来看，对于隧道正上方的桩基，由于开挖破坏了桩体的端承基础，桩基的卸载效应明显，但是，邻近桩基承载力迅速加大来承担被卸载桩基的荷载，楼房下方管片应力会明显增加。⑤楼房下穿所造成的基础位移明显大于侧穿产生的基础位移，同时，楼房会发生不均匀沉降。

3 施工建议措施

由数值计算过程中各个力学场变化的过程分析，特对施工过程中可能遇到的问题提出相应的解决措施：①准确计算土压力（本计算设置的掌子面压力为1.8～1.9 bar），按照计算结果和监测结果及时调整。②减少超挖，及时足量同步注浆，在不影响堵管的前提下尽量缩短凝固时间。浆液的初凝时间调整为3 h以内，同时，二次补充注浆要及时跟进并采用双液浆。在此要注意的是，二次注浆位置在不影响盾尾刷止水的情况下要尽量提前。根据同步浆液初凝时间和盾构掘进速度，二次注浆宜在盾尾管片后第5环到第10环的位置。同步注浆和二次注浆都采用注浆量和注浆压力同时控制的注浆方法，这样做的主要目的是减少超挖造成的沉降传向基础，同时，增大桩周土体的强度，以增大摩擦力。③配合好螺旋机转速和油缸拖进速度以及刀盘转速，主要观察土舱背板最上方的土压力计的读数，因为一旦出土较快，最上方的土压力计最先有反应。同时，在下穿房屋的过程中，要严格控制出土量。④及时、高频率监测。在盾构距离到达房屋前10 m和穿过后10 m以内的下穿阶段，每隔0.5 h监测一次，楼房顶部应该布置足量的监测点，这样易于监测和分析倾斜的发生以及楼房顶部的位移。

采取上述施工措施后，盾构最终安全下穿整个住宅小区，最终监测房屋最大沉降量为11 mm，满足规范要求。

图5 综合位移场分布/m

图6 塑性区分布和地表及楼房位移/m

图7 桩基应力场分布图/Pa

图8 楼房下边缘模拟监测点位移速度曲线

4 结论

在盾构超近距离下穿建筑物桩基的施工过程中，推进的各种参数都是彼此联系的系统数据，包括监测数据，对系统参数认真分析研究并加以控制，比传统注浆加固更重要。

在盾构施工过程中，二次注浆位置在盾尾5环左右的距离能有效控制地层位移。在盾构近距离下穿桩基础，特别是端承型群桩基础的过程中，只有开挖面正上方的桩基应力释放明显，其他桩基应力释放并不明显。