盾构切群桩下穿密集房屋的沉降影响研究

 昝子卉

 (广州地铁设计研究院有限公司，广东广州510000)

摘要：以深圳轨道交通L9大鹿区间切桩下穿建筑物群桩为例，通过建立桩基-沉降模型进行数值模拟分析并与自动化监测结果进行对比，验证数值计算分析的合理性并总结设计和施工中降低沉降风险的相应措施？研究得出：对建筑桩范围地层预加周可以有效减少沉降；盾构正穿建筑物引起的沉降明显小于侧穿；合理选择盾构掘进参数是控制沉降的关键。

关键词：盾构；切桩；沉降；数值模拟；自动化监测

中图分类号：U455.43文章编号：1004-4655( 2016) 02-0049-04

 本文以深圳城市轨道交通L9大鹿区间下穿滨苑小区建筑群桩为例，按照数值模拟分析方法与盾构施工中自动化监测的结果对比，分析对盾构切桩下穿建筑物的技术措施、沉降规律并验证设计的合理性。

1工程概况

 深圳轨道交通L9大鹿区间采用盾构法施工，区间单线长度484.956 m，左右线平面曲线半径均为350 m，纵断面为单坡，最大坡度为2.8%，隧道顶覆土7~ 19 m。区间隧道穿越范围的地层从上到下依次为：素填土、粉质黏土（黑）层、黏性土层、粉细砂层、砾质黏性土、花岗岩全、强、中风化带。区间隧道在进入滨苑小区地块内下穿5栋住宅楼，均为混凝土框架结构多层建筑。建筑基础形式为桩基础，由于拆迁困难，区间采用盾构切桩通过。

 经调查下穿的5栋居民楼为小区9号~ 13号楼，基础均为桩径0.34 m沉管灌注桩，设计单桩承载力350 k N，桩身混凝土强度标号为18号（等效为现行规范C20强度），部分桩基侵入区间隧道，与区间隧道冲突的房屋桩基调查资料见表1。

 区间线路右线正穿12号、9号楼（切建筑中部桩基），左线斜穿9号、10号、1 1号、13号楼（切建筑角部桩基），共切削桩基137根。区间隧道与建筑物平、纵关系见图1、图2。

盾构切桩下穿建筑的3D BIM模型见图3。

2盾构切桩的数值模拟

 由于建筑物均采用桩基础，上部结构与桩基的协调作用对土体的约束较小，将上部结构与建筑物桩基分开考虑，建筑物荷载直接作用桩顶，对模型进行简化。各层土体的岩土参数表见表2。

 取典型的盾构正穿12号楼为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS建3D模型进行数值计算分析。为避免边界条件对分析结果的影响，取模型长60 m，宽50 m，高45 m，建立的有限元模型如图4所示。分析步骤定义如下：首先进行初始地基应力分析；开挖每个步骤1环，每环1.5 m，每步包括土体开挖、拼装管片、背后注浆几个工序循环直至施工完成。

为反映建筑沉降变形特点，并与自动化监测结构对比，验证数值模拟的合理性，沿建筑长边方向均匀取6个沉降点，位置与自动化测点（7033~7041测点）位置大致对应，最终沉降数据见表3。

 下面将12号楼自动化实测沉降变形与数值计算结构进行分析对比，具体见图5。

 从图5对比可以看出，盾构正穿建筑桩基时沉降沿着隧道中线呈对称的抛物线形，最大沉降位于隧道中线上方，沉降曲线接近Peck曲线。数字计算的沉降值均小于自动化监测实测值，其中隧道中线差异最大为13.7%，建筑角点位置差异较小为9.8%，得到数值模拟的结果与实际沉降的基本趋势是相符的；实际沉降与数值模拟的结果偏差在工程可接受的范围内。

3自动化监测结果对比与分析

 为确保盾构区间施工隧道和建筑物安全，确定在清除楼内居民情况下盾构直接切桩通过的方案，同时采取“自动化监测+人工监测+第三方监测”的监测方案。结合下穿建筑物自动化监测数据对各沉降点进行分析，自动化监测布点平面图见图6。

3.1未做土体预加固与施做土体加固情况下沉降对比分析

 为提高桩基侧摩阻力，加强盾构通过区域土体的整体性，减少因切桩卸载带来的沉降，设计要求对下穿建筑桩身范围土体进行地面注浆预加固，除12号楼因现场条件限制外，其他建筑均在盾构到达前完成地面预注浆预加固。为对比土体加固效果，选择均为正穿模式的9号楼与12号楼进行沉降对比（见图7）。

 从图7对比可以看出，对正穿建筑，施做地层预加固的9号楼沉降量比未做地层预加固12号楼小72.4%，说明地层预加固明显减少盾构切桩引起的沉降。

 同时以12号楼隧道拱顶正上方位置7035号测点为研究对象（见图8），从自动化沉降监测曲线并结合盾构施工日志可以看出：随着盾构接近12号楼，测点沉降开始缓慢增加（由0逐渐增加到-5 mm）；当盾构刀盘开始切桩下穿建筑测点，沉降明显增加（由-5 mm增加到-15 mm）；当盾尾通过测点位置时，沉降达到-20 mm的预警值并有继续增大趋势，为防止沉降继续增加影响建筑安全，现场立即组织对建筑物桩身范围土体注浆加固处理，经注浆处理法，该测点沉降稳定在-15.4 mm，说明及时注浆加固对控制沉降有明显作用。

3.2盾构正穿与侧穿模式下沉降对比分析

 为研究盾构不同的穿越方式对建筑沉降影响，取9号楼为研究对象对右线正穿（从建筑中部下穿）和左线侧穿（从建筑角部下穿）2种工况进行对比分析，自动监测的实测稳定沉降对比见图9。

 从图9的对比可以看出，对于同一建筑物（9号楼）盾构正穿建筑物（从建筑物中部穿越）引起的最大沉降为-2.65 mm（7012测点），侧穿建筑桩基（从建筑物角部穿越）引起的最大沉降为-5.66 mm（6514测点），可以看出正穿引起的最大沉降比侧穿小70%，即盾构正穿建筑对沉降的影响明显小于侧穿方式对建筑沉降的影响。

4切桩下穿房屋风险控制的技术措施

4.1下穿桩基段特殊管片的使用

 考虑现场地面注浆预加固实施风险，设计仍按未加固地层进行桩基传荷计算，按照“在考虑作用于隧道上的房屋荷载作用时，当上部建筑的桩基础进入承载拱内时，扣除该部分桩长后，未能满足桩基承载力要求，余下荷载应考虑由隧道管片结构承担”这一原则计算桩端荷载，即承载拱范围内土体被扰动完全丧失侧摩阻力，经计算在桩端荷载直接作用于管片上，普通混凝土管片无法满足受力要求；采用面板30 mm厚肋板20 mm厚钢管片(Q235钢)可以满足受力要求。对比12号楼（未做地层加固）的实测沉降可看出，桩基侧摩阻损失的计算

原则是合理的。现场拼装钢管片实景图见图10。

4.2盾构掘进施工技术措施

 区间盾构切桩施工二最多每环切桩6环，盾构机掘进较慢将导致上方桩基下部出现空隙而发生沉降，最终顶在盾构机外壳上方，在复杂的地质环境下控制掘进速度的同时保证房屋和地面安全是施工的难点。结合下穿施工过程中实际的盾构参数对施工控制措施进行总结：“控扭矩、中转速、保土压、控姿势”。盾构切割桩头实景图见图11。

 1)控扭矩。盾构切削小直径群桩不宜过快，总推力控制在11 000~15 000 k N；扭矩控制在1 000~1200 k N．m：切桩过程中扭矩不宜过大，否则不仅影响盾构自身安全，也对桩基产生较大的作用力，继而影响上部房屋结构的安全。

 2)中转速。在推速一定的情况下，刀盘转速增加，虽然有利于降低扭矩，但刀具接触桩基时受到较大的冲击荷载，因此以中等转速为宜，建议在0.8~1.0 r/min。

 3)保土压。保土压是控制沉降的关键，根据本次盾构施工记录，在推进时上土压基本在

0.13 M Pa至0.19 M Pa之间。推进过程中土压力基本保持稳定。由于采用克泥效与水玻璃双液浆注入盾构机外壳及土仓充填保压，解决超排问题，改良土仓内土体，有助于桩体碎块从螺旋机内顺利排除。

 4)控姿势。盾构切桩过程中桩基反作用于刀盘，刀盘正面易发生受力不均，盾构连续穿越多根桩基，若姿态控制不良，会加大桩端对管片安全的风险。

5结语

 该区间隧道已经于2014年底顺利洞通，下穿房屋5栋累计切桩137根，根据施工过程及工后沉降的自动化监测，建筑最大沉降量15.4 mm．相邻桩基沉降差4.2 mm，均满足规范要求，该工程实践证实盾构切小直径群桩下穿房屋的可行性，结合该工程实践可总结以下经验。

 1)盾构正穿建筑桩基（从建筑物中部穿越）沉降明显小于侧穿建筑桩基（从建筑物角部穿越），在此类穿越工程中应优先考虑调整线路。

 2)对下穿建筑桩侧土体实施有效注浆预加固可以明显提高桩侧摩阻系数，有效补偿由于盾构切桩施工带来的沉降影响。

 3)如未及时地面预加固，由于盾构施工对土体扰动的影响，桩侧摩损失较大，盾构管片将承受桩端传递的荷载，普通混凝土管片有可能不满足荷载，应该根据计算必要时采用钢管片。

 4)土压力、刀盘扭矩及推力等盾构关键参数的设定对控制下穿过程中建筑物沉降至关重要，施工前必须根据地层情况设定参数范围，同时根据自动化监测反馈的结果，对参数进行实时调整，确定盾构穿越桩基建筑群的安全。采用克泥效等胶凝添加剂有利于保压减少沉降，防止混凝土碎块堵塞螺旋输送机。

 5)本工程案例中盾构所切桩基的特点为小直径、低强度桩且桩身侵入隧道长度较小，本文总结相关经验适用于类似工程情况，对于盾构全断面切桩、切大直径混凝土桩的适用性尚有待验证。