一种超大直径盾构隧道穿越既有建筑物原位保护施工技术_黄书华.pdf

-97-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期三星推荐当前地上空间的交通方式已日趋饱和，盾构法作为大埋深、大断面、长距离隧道工程的地下空间建设，必将成为交通建设的新方向。城市地下空间交通建设，不可避免会穿越地上建筑物，当大直径盾构施工时产生的土体损失及地层扰动，将对地表上覆建筑物的结构稳定性及安全性产生重大影响。因此，如何解决城市复杂环境中大直径盾构隧道下穿地表建构筑物施工产生的地层沉降、变形影响是目前施工的主要难题。本文结合海珠湾隧道工程超大直径盾构隧道下穿既有建筑物为例，利用理论分析、数值模拟计算等方法，针对超大直径盾构施工对既有建筑物桩基应力、应变和承载力的变化对建筑物变形沉降进行研究分析，为盾构下穿既有建筑物基础提供可靠施工参数及实施方案。工程概况工程概况本项目路线长约 4.35km（含东晓南高架拆桥段），其中盾构段长 2 102m，单洞外径 14.5m，单洞的掘进断面直径超过 15m，原位保护跨度也随之增大，如此超大直径盾构隧道上方的建构筑物原位保护案例在国内也是很少见的，另一方面也给盾构机穿越原位保护建筑时磨群桩的施工带来了极大的挑战。海珠湾隧道是广州地区拟建的第一条超大直径盾构隧道工程，功能定位为打通广州中心城区与广州南站枢纽快速连通的重要通道，项目实施对达成广州城市总体发展的战略目标及加快粤港澳大湾区建设具有重要意义。原位保护设计概况中核商务大厦及沿砂路 33 号住宅楼位于广州市番禺区沿砂路，中核商务大厦为六层框架结构，分两期施工，一 期 临 街，桩 径 0.6m，二 期 桩 径 0.61.5m，桩 长 约2125m。最大主筋 20，钢筋笼长度至少 15m，均采用桩基础，沿砂路33号住宅楼为四层框架结构，采用独立基础。在保障隧道安全顺利施工的前提下，经研究采用基础托换方案替代建筑物拆除方案，避免拆除建筑物，现拟对上述建筑物进行基础托换及加固处理研究分析。海珠湾隧道分为东西两线，东线隧道将完全从中核商务大厦底部穿过，西线隧道则从沿砂路 33 号住宅楼以及南浦羽毛球馆东侧下面穿过。盾构穿越时将对此部分建筑地基造行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种超大直径盾构隧道穿越既有建筑物原位保护施工技术黄书华黄书华中铁十四局集团大盾构工程有限公司中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-98-三星推荐成扰动，且与原建筑的桩基位置冲突，原有建筑的部位桩基已伸入到隧道内。本工程需在隧道两侧另设转换桩，将原建筑的上部荷载转移到转换桩基上，再切除与隧道冲突的原建筑桩基，这样既能保证隧道顺利穿越磨群桩，又能原位保护已有建筑。地质水文特点建筑物位置地层岩性自上而下可划分为，填土、淤泥、粉细砂、中粗砂、粉细砂、全风化泥质粉砂岩、强（中、微）风化泥质粉砂岩、砂岩等，中风化泥质粉砂岩强度为图 3 盾构隧道穿越既有建筑位置地质断面图图 2 盾构隧道穿越既有建筑磨群桩效果图图 1 盾构隧道穿越平面示意图表 1 岩土参数表岩土分层岩土名称岩石地基承载力特征值土承载力特征值桩侧摩阻力特征值桩的端阻力特征值桩的极限侧阻力标准值 桩的极限端阻力标准值抗拔系数岩层或土层地基系数岩层或土层地基系数静止侧压力系数岩石质量指标(钻冲孔桩)(钻冲孔桩)(钻冲孔桩)(钻冲孔桩)(水平)(垂直)(入土 15m)(入土 30m)fafakqsaqpaqsikqpkKhKVk0RQD(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)(MPa/m)(MPa/m)(%)填土-8 6 0.48-淤泥-455-12-0.43 2 0.72-淤泥质粉质黏土-608-18-0.56 5 0.65-淤泥质细砂-8012-20-0.510 12 0.42-粉质黏土-11014-35-0.710 12 0.36-细砂-13012-30-0.514 14 0.45-中砂-15018-40-0.522 22 0.40-粗砂-16025-40-0.526 26 0.35-砾砂-18040-45-0.530 30 0.32-粉质黏土-12025-50-0.740 40 0.43-淤泥质粉质黏土-6012-18-0.78 6 0.60-中砂-16022-60-0.525 25 0.38-粗砂-18030-60-0.530 30 0.35-砾砂-20042-90-0.532 32 0.30-粉质黏土-1603060060-0.736 40 0.43-全风化泥质粉砂岩-200458001001 0000.736 40 0.33-强风化泥质粉砂岩-450701 2001201 800-130 150 0.18 0中风化泥质粉砂岩、砂岩、含砾砂岩1 300-200 200-1080微风化泥质粉砂岩、砂岩2 500-500 500-5090-99-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期三星推荐10.7MPa，微风化泥质砂岩强度为 19.6MPa。隧道所经过建筑物的典型剖面图如图 3 所示。根据工程详勘报告，分析建筑物附近地勘资料，得出反映本区域地层特性的相关物理计算参数，如表 1 所示。既有建筑物桩基础承载力结合穿越上覆建筑物的施工经验及结构特点，将建筑物基础荷载标定为 q=14kN/m2，得出桩体的垂直方向载荷 P；通过对现场建筑物基础的荷载试验分析，桩基顶端垂直方向的荷载的传递主要分为端顶阻力（桩端持力层的反作用力）及地层围岩与桩身的侧向摩擦阻力，单桩承载力由桩周围的土层桩端阻力、嵌岩段侧摩阻力和普通地层侧摩阻力三项组成；在桩侧的摩阻力作用时，桩顶竖向作用力才发挥作用。根据建筑规范对已知桩侧阻力特征值和岩层抗压强度，按公式计算桩基垂直方向最大承载力值：Quk=Ra=u qskli；式中：li第 i 层岩土厚度；up桩身周边长度；qsk桩侧阻力特征值。地下转换桩，均采用微型钢管压浆桩，主要为 ZH1、ZH2 两种桩，桩径为 350mm，桩长 40m，桩内钢管直径为 220mm，入岩深度为 6.5m。根据桩承载力计算书，依据承载力安全系数计算公式K=Quk/P，计算出桩在截桩后的承载力，得出各桩的承载力安全系数在 2.284.67 之间，即承载力安全满足要求。大直径盾构隧道施工对既有建筑基础变形影响竖向荷载引起单桩桩体沉降的分析建筑物桩基础沉降的变形主要包括：下卧层变形；弹性压缩变形；基底持力层变形。通过既有资料确认盾构施工区域范围内建筑物的桩基础已有 21 年；相对于桩身弹性变形而言，因其长时间存在载荷作用，桩身的变形量已完成，因此忽略对于建筑物的桩身弹性压缩变形量的影响因素。盾构掘进施工过程中同步进行环形管片拼装，在管片拼装完成脱离盾体后，由于存在盾体壁厚使得地层与脱离盾体管片之间存在 15cm 的空隙，周围土体的扰动及施工空隙的存在，将引起建筑物桩基础的持力层及下卧层变形，主要包括桩底岩层存在空隙的压缩变形（变形量等于 S间隙-Sr）、盾构掘进过程中剪切土体产生的原状土损失引起的沉降变形 Sr，则桩基础在盾构施工完成后的沉降量为 S：式中，r-泊松比、Gr-剪切模量、Er-杨氏模量、Nb-桩底荷载、A-桩截面面积，通过对桩基承载力的计算，地层对桩身的侧向摩擦阻力大于桩顶端荷载力，则 Nb桩底荷载等于零，计算出盾构施工完成后桩基在顶端既有建筑物垂直荷载作用下的沉降值为 0。盾构施工对桩基沉降影响的模拟分析建立数值模型盾构隧道经过时利用 MIDAS GTS 有限元计算模型模拟，隧道两侧的建筑物在有无隔离桩的不同情况下的位移情况，左侧没有布置隔离桩，右侧布置隔离桩。网格的尺寸为1.3m。本模型土体的尺寸为 50mx70mx100m，按照地勘资料，从上至下依次为填土、淤泥、粉细砂、中粗砂、粉、细砂、粗砾砂、残积粉质黏土、全（强、中、弱）风化泥质粉砂岩、砂岩等。土体材料模型采用 3D 修正摩尔库伦单元。隔离桩布置于距离隧道侧 2m 处，隔离桩为 D800 的混凝土搅拌桩和 D300 x12 的微型钢管桩混合布置，搅拌桩的间距为 0.65m，钢管桩的间距为 1.3m。本模型不考虑搅拌桩对原有建筑的影响，只布置微型钢管桩，间距为 1.3m。模型中微型钢管桩采用 1D 弹性单元。考虑到隔离桩顶有200mm 后 C20 混凝土垫层的拉结，对隔离桩顶的水平位移进行约束。原有建筑按照实际情况模拟，单柱单桩，建筑桩为 D800 灌注桩，地梁尺寸为 400 x900，地板厚度为400mm。模型中桩及地梁采用 1D 弹性单元，底板采用板单元。隧道的模拟按照实际施工的步骤进行模拟。模型中，隧道的外径为14.5m，注浆层的厚度为0.6m。管片厚度为0.6m隧道左右两边离洞口 5m 处对称布置 3x4 柱位的原有建筑，右边离洞口2m处布置平行于隧道方向，间距为1.3m隔离桩。左边不布置隔离桩作为参照。隧道掘进中的掌子面压力取 1.6MPa，注浆压力取0.1MPa。模型的布置及网格如图 4 所示。隔离桩的必要性模拟分析取原有建筑处的切面作竖向位移分析。隧道时，顶部土体最大的竖向位移为 5.54mm。对比左右两侧建筑桩的竖向位移，根据与隔离桩的距离，3m 处的桩顶位移能减少66.7%，8m 处的桩顶位移能减少 50%，13m 处的桩顶位移能减少 40.8%，18m 处的桩顶位移能减少 44.39%。原有建筑处的切面作水平位移分析。隧道穿过时最大的水平位移为 2.88mm 对比左右两侧建筑桩的水平位移，根据与隔离桩的距离，3m 处的水平位移能减少 73.3%，8m处的水平位移能减少 50.9%，13m 处的水平位移能减少图 4 有限元计算模型中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-100-三星推荐41.6%，18m 处的水平位移能减少 41.1%。防连续性倒塌分析根据柱底施加 2cm 的竖向位移，原有建筑满足连续倒塌要求。将表 1 中地层岩性的物理参数输入软件进行数值模拟分析，得出盾构掘进施工造成建筑物桩基础在竖直方向的最大沉降量约 5.54mm，如图 5 所示。既有建筑桩基托换施工根据总体施工筹划安排，严格按照既定设计施工步骤施工：（1）结构拆除（2）施工隔离桩，待隔离桩达到设计强度的 90%且至少间隔 20 天后施工转换桩（3）拉森钢板桩施工（承台、托换梁工作面开挖）、钢管桩、托换梁和新承台，张拉预应力（4）回顶上部，托换梁预变形，同时加厚原承台（5）承台与托换梁连接界面二次封闭（6）带二次封闭区混凝土浇筑 28 天后，拆固定架（7）待托换梁和新承台达到设计要求后，截断原工程桩（8）原建筑物恢复（9）盾构穿越磨群桩。图 8 大直径盾构隧道穿越既有建筑施工流程图图 6 水平位移（mm）图 5 竖向位移（mm）图 7 防连续性倒塌分析图盾构磨群桩质量控制盾构穿越既有建筑物前的准备工作（1）提前对盾构隧道结构边线外 3m、桩基前后 3m、沿盾构掘进方向外 6m 范围进行高压旋喷桩进行地层加固处理，确保盾构磨群桩的安全。（2）盾构下穿建筑物桩基础前，对既有桩基础位置进行复测明确，确保隧道范围内桩基数量；盾构磨桩基前对刀具磨损程度进行一次开仓检查，根据磨损程度和现场实际施工及时更换刀具，同时对盾构设备进行一次全面的运转检查，保证盾构机及配套设施性能使用的完好性，防止盾构机下穿建筑物时出现机械设备故障。（3）盾构下穿前，对建筑物临近相关人群进行临迁，盾构下穿前后加强对建筑物基础沉降、结构变形和裂缝开展等监测，制定专门的监测措施，不间断对建筑物监测，根据实际情况采取加固措施，加强信息化施工。盾构姿态及掘进参数控制随着盾构机在地层中掘进施工的不断深入，其盾构姿态在地层中存在着动态变化，无法与隧道设计轴线始终保持平行，特别是在地下空间隧道设计曲线段的盾构姿态变化尤其大，致使盾构掘进线路偏离原隧道设计轴线。在地下岩层中，随着盾构机掘进与不同地层岩性特征作用影响下，会产生竖直方向和水平方向的掘进姿态变化，并进一步扰动周围土体产生空隙，不同地层岩性产生的空隙程度不同，盾构姿态偏离程度及纠偏难易度也不同；盾构机在隧道曲线段掘进、盾构机姿态纠偏和上、下坡等特殊阶段施工时，其盾构掌子面前的开挖断面是椭圆形，对地层产生较大的损失；随着盾构掘进线路偏离设计线路角度的增大，其对地层的扰动强度及损失量越大，反之，线路偏离角度越小，盾构纠偏量越小，产生的地层扰动及损失量越小。当盾构机掘进线路偏离原设计轴线时，应及时做出响应措施，严格遵循“小角度、缓过度”的方式逐步纠偏，严禁大跨度、一步式的纠偏方式。在盾构纠偏操作时，通过逐步调整 VMT 自动测量系统测得值-101-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期三星推荐（2）在盾构机磨群桩的过程中，将盾构机的推力降低1 000kN、推进速度降低 5mm/min；刀盘转速降低 0.2r/min，根据现场施工情况动态调整掘进参数，进一步加强施工监测及同步注浆、二次注浆施工。盾构施工中同步注浆及二次注浆盾构机内完成管片拼装后通过油缸顶进，已拼好管片脱图 14 托换施工完成后，进行盾构隧道范围内高压旋喷加固图 9 土体进行加固后，施工转换桩和隔离桩图 10 施工托换梁和新承台，张拉预应力图 11 回顶上部，托换梁预变形，同时加厚原承台图 12 承台与托换梁连接界面二次封闭图 13 带二次封闭区混凝土浇筑 28 天后，拆固定架与 DTA 差值，使盾构机掘进轴线偏离值逐步减小恢复至原设计隧道轴线。盾构机刀盘磨桩基时，其主要受力为盾构机顶进对桩基的水平推力以及刀盘旋转刀具对桩基的剪切力，为了减小盾构机顶进对桩基的水平推力，防止桩基在粉质黏土、全（强）风化泥质粉砂岩等软弱地层中产生纵向位移，严格控制盾构机掘进进度，优化盾构机掘进参数，如下所示：（1）在盾构机距离桩基 1m 左右时，将盾构机掘进参数设置为 6 0008 000kN 的推力、1015mm/min 的推进速度、1.01.2r/min 的刀盘转速，加强施工监测、严格控制盾构机掘进参数。中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-102-三星推荐离盾尾，在完成盾尾脱离的管片与周围地层之间形成环形空隙，通过盾构机的同步注浆填充环形空隙形成外围的防水层；对同步注浆形成质量较差的防水层进行二次注浆，二次注浆完成后采用超声波检测等手段对管片注浆效果进行检验，并同步设置隧道内物探分布线，对于下穿大提、住宅建筑等区域间距 3 环管片布置一处环向测线，如图 16 所示。确保管片与地层间空隙填充的密实性，保证隧道成形施工质量。同步注浆采用单液浆，注浆量不低于设计值的 85%，抗压强度不低于 0.8MPa；二次注浆采用双液浆进行加固填充空隙，根据地层环境及试验配比分析，注浆材料宜掺加一定比例的微膨胀剂，以降低双液将的硬化收缩，并根据掘进速度适时调整凝结时间，其配比由试验确定。结语（1）通过地勘资料确定施工区域的地质条件及相关物理参数，利用公式计算及分析桩基在地层中的作用力，将盾构机穿越建筑物桩基产生的沉降分为垂直方向荷载沉降和盾构掘进对地层扰动产生的沉降，经计算模拟分析盾构穿越该区域地层特性的建筑物桩基沉降量满足规范容许最大沉降量。（2）盾构机掘进线路偏离原设计轴线时，应及时做出响应措施，严格遵循“小角度、缓过度”的方式逐步纠偏，严禁“大跨度、一步式”的纠偏方式。（3）在大直径盾构磨群桩施工过程中，可提前采取试验段、合理的降低掘进速度、加强洞内辅助注浆、动态监测等特殊措施，确保盾尾注浆的密实性，以保证施工的安全进行；盾构下穿前，应对相关人群进行临迁，盾构下穿前后加强对建筑物基础沉降、结构变形和裂缝的监测，制定专门的监测措施，根据实际情况采取动态加固措施，确保盾构安全穿越既有建筑物施工。图 16 盾构隧道测线布置图图 15 盾构隧道旋喷加固示意图