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建筑地基注浆预加固对盾构隧道下穿施工引起的沉降控制效果研究
徐万春1，苗胜豪2，金礼俊3,4,赵瑞桐4
（1.中铁四局集团城市轨道交通工程分公司,安徽合肥 230022； 2.中国港湾工程有限责任公司，北京100027；3.中铁四局集团公司,安徽合肥230022；4.西南交通大学土木工程学院，四川成都，610031）
摘要：以深圳地铁10号线福田口岸站～福民站区间盾构隧道近距离下穿某小区A栋、B栋框剪结构高层建筑工程为依托，利用数值模拟方法，研究采用袖阀管注浆预加固建筑物地基措施对隧道下穿施工所引起的建筑物沉降的控制效果，得到了以下结论：1、对地基注浆预加固可以明显限制隧道下穿施工过程中建筑物的沉降发展；2、建筑物沉降发展规律与隧道下穿相对位置以及隧道开挖先后顺序密切相关，实际施工监测频率应有所侧重；3、在设计袖阀管注浆预加固方案下进行隧道下穿施工，A栋、B栋建筑在隧道开挖过程中的沉降与倾斜均满足规范要求并具有一定安全储备，可保证施工的顺利进行。
关键词：盾构隧道；注浆加固；下穿；框剪结构；沉降变形
Investigation on the influence of shield tunnel construction to residential buildings
ZHOU Wei1，ZHAO Ruitong1
（1. Southwest Jiaotong UniversitySchool of Civil Engineering,Chengdu,610031）
Abstract：Take the interval of Futian to Fumin in Shenzhen Metro Line 10 as the investigation background,the numerical simulation method is used to study the influence of pre reinforcing scheme to the residential building deformation caused by the undercrossing shield tunnel construction.The results show that shield tunnel construction will cause uneven settlement of existing buildings. By constructing with reinforcement grouting,the largest settlement (18.537mm) and inclination (0.000623) of the Fumin residential buildings are controlled within the specified value.Shield tunnel construction with pre-reinforcing schemecan ensure the settlement and deformation of the related residential buildings within the safety range.
Key words: shield tunnel；approaching construction; undercrossing; buildings; settlement deformation；numerical simulation；grouting reinforcement
0 引言
为了更好疏解城市交通拥堵的情况，地铁线路往往布设在人流量密集的城市核心区。然而，这些区域由于早期的城市建设，存在着密集的既有建筑物，新建地铁盾构隧道下穿通过既有结构物的工程情况目前已十分多见。由于民用建筑使用功能的要求，其对沉降变形控制的要求较为严格，因此，盾构隧道近距离下穿民居建筑施工往往成为地铁建设的技术难点。以往学者针对隧道下穿施工对既有建筑物的影响已经做了诸多研究[1~6]，但在实际工程的实施中，参建各方更为关注的问题在于采取何种措施去保证既有建筑在施工过程中的安全以及所采用措施的效果。因此，本文以深圳地铁10号线福田口岸站~福民站区间盾构隧道近接下穿某小区A栋、B栋框剪结构高层民居工程为依托，分别对采用袖阀管注浆对建筑物地基进行预加固与否的两种工况进行了数值模拟计算，揭示了两种不同工况下隧道下穿施工所引发的建筑物的沉降规律并对注浆预加固效果进行了进一步的分析评价，以期为类似工程提供借鉴。
1 工程概况
深圳地铁10号线福田口岸站～福民站区间盾构隧道在ZDK2+800～ZDK2+931段下穿某小区A栋、B栋建筑，其分别为13层和11层框剪结构高层民居建筑，基础均为D500锤击式沉管灌注桩加承台，桩身砼标号C30，桩长约18m。此范围内隧道埋深为22m～24m，采用复合式土压平衡盾构进行施工，管片混凝土强度为C50，衬砌厚度30cm，幅宽为1.5m。盾构隧道与建筑物的位置关系可参见图1，值得注意的是，左线盾构隧道是对A栋建筑而言为近接侧下方穿越通过的工况。
由于该小区A栋、B栋建筑桩底距盾构隧道顶部净距仅为3米和2m左右，因此在盾构施工中存在房屋因地层扰动而产生不均匀沉降，进而产生倾斜、开裂和倒塌的风险。为了保证施工的顺利进行，初步设计方案要求盾构施工前在一定范围内沿房屋周边3米布设2排袖阀管对房屋进行注浆预加固，喷浆孔间距1.2×1.2m，交错布置，加固深度为18m左右。袖阀管布设范围可参见图1。
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（a）平面图 |
（b）剖面图 |
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图1 盾构隧道与建筑物位置关系 |
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2数值模型的建立
本次分析采用有限差分数值分析软件FLAC3D进行，所建立的三维数值模型包括A栋、B栋建筑物以及相应区域的隧道开挖区间，图2为三维计算模型图，图3示意了模型中袖阀管注浆加固的土体范围。模型中X轴方向为水平方向、Y轴正方向大体为盾构隧道掘进方向、Z轴正方向竖直向上。三维数值模型尺寸为120米×120米×50米，共划分为56.89万个单元，模型的四周和底部边界条件为法向约束，地表为自由边界。数值模拟施工过程按照实际方案进行，先开挖10号线隧道左线至贯通，再开挖右线隧道，且将盾构每次开挖进尺取为管片衬砌的幅宽1.5m[7~8]。
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图2 三维计算模型 |
图3模型中土体注浆加固范围 |
三维数值模型中相关结构的具体几何参数为实际设计值，地层物理力学参数参考地勘和设计文件。计算中，各土层采用摩尔-库伦弹塑性本构实体模型模拟，A栋、B栋建筑结构及其承台基础、隧道管片衬砌采用弹性实体模型模拟，建筑桩基采用桩单元模拟，注浆效果以提高相应范围内土体的弹性模量、粘聚力、内摩擦角等计算参数予以模拟[9~10]，土层以及其他结构计算参数详见表1。
表1 计算模型材料物理力学参数取值
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材料 |
密度/ kg/m3 |
弹性模量/ MPa |
泊松比 |
黏聚力/kPa |
内摩擦角/° |
层厚/m |
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素填土 |
1890 |
8 |
0.35 |
10 |
10 |
5.2 |
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素填土（加固后） |
2010 |
14.4 |
0.32 |
15 |
10.8 |
5.2 |
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淤泥质黏土 |
1740 |
5 |
0.43 |
10 |
3 |
2.0 |
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淤泥质黏土（加固后） |
1860 |
10 |
0.39 |
15 |
3.3 |
2.0 |
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粉质黏土 |
1980 |
12 |
0.35 |
18 |
15 |
1.7 |
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粉质黏土（加固后） |
2100 |
24 |
0.32 |
23 |
16.6 |
1.7 |
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粗砂 |
1980 |
25 |
0.25 |
- |
28 |
5.6 |
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粗砂（加固后） |
2100 |
45 |
0.23 |
5 |
30.8 |
5.6 |
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中砂 |
2030 |
26 |
0.28 |
- |
25 |
2.7 |
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中砂（加固后） |
2150 |
46.8 |
0.25 |
5 |
27.5 |
2.7 |
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卵石土 |
1970 |
33 |
0.22 |
- |
38 |
3.0 |
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强风化花岗岩 |
1850 |
28 |
0.28 |
24 |
25 |
5.4 |
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中等风化花岗岩 |
2570 |
45 |
0.27 |
28 |
29 |
24.4 |
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管片衬砌 |
2500 |
25200 |
0.20 |
- |
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- |
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天泽花园结构 |
2500 |
34500 |
0.20 |
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3计算结果分析
图4为未采用袖阀管注浆预加固工况下，隧道施工完成后A栋、B栋首层结构板的竖向（Z向）位移云图（图中标注了各建筑物的沉降监测点位置）。可以看出，在隧道掘进通过建筑物后，两栋建筑物均出现了一定的沉降，A栋和B栋的最大沉降值分别为10.59mm和11.49mm。由于隧道与穿越建筑物之间的空间位置关系及建筑物彼此之间的相互影响，建筑物沉降并不均匀，即产生了倾斜，两栋建筑物沉降较大的部位均大致位于盾构隧道的正上方。
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（a）A栋 |
（b）B栋 |
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图4 未注浆加固工况隧道开挖完成后建筑物首层竖向位移云图 |
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图5为采用袖阀管注浆预加固工况下，隧道施工完成后A栋、B栋首层结构板的竖向位移云图。可以看出，两栋建筑物的沉降分布规律与未注浆预加固工况相类似，但其量值有明显的减小，最大沉降值分别为2.85mm和3.46mm，即注浆预加固对建筑物沉降的控制效果十分明显。
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（a）A栋 |
（b）B栋 |
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图5 注浆加固工况隧道开挖完成后建筑物首层竖向位移云图 |
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图6为未采用袖阀管注浆预加固工况下建筑物首层竖向位移云图中沉降最大及最小位置附近监测点以及与沉降最大监测点对应的短边监测点随开挖进程的沉降值变化曲线。其中，A栋沉降最大、最小的监测点分别为tzy-9和tzy-1；B栋分别为tyy-13和tyy-1。由图7a分析可知，A栋在左、右线隧道先后近接开挖通过的过程中均会产生一定的沉降与倾斜，但右线隧道开挖过程中其沉降量值变化更大，这说明了正下方穿越施工比侧下方穿越施工对建筑物的影响更为显著；由图7b分析可知，左、右线隧道均先后在正下方穿越B栋，而在左线隧道施工过程中其沉降发展则比右线施工时更为显著，这说明在此工况下，先行开挖的隧道的施工过程比其后开挖隧道的施工过程对建筑物沉降的影响更大。
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（a）A栋 |
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（b）B栋 |
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图6 未注浆加固工况建筑物代表监测点沉降值变化曲线 |
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图7为采用袖阀管注浆预加固情况下上述各监测点随开挖进程的沉降变化曲线。可以看出，各点的位移变化规律与未采用注浆加固的工况相比较为类似，但在量值上有明显的减小，注浆预加固措施明显限制了盾构隧道施工中两栋建筑物沉降与倾斜的发展。
