地铁盾构隧道始发端近距离侧穿老旧建筑沉降控制措施

2021-04-22任杰

铁道勘察 2021年2期

任杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，全国多个城市地铁建设得到前所未有的发展，在实施过程中，难以避免下穿、侧穿既有建构筑物。对于老旧建筑，因其建设年代久远，且多为砖混结构，结构整体性较差，对地下结构施工的干扰较为敏感[1]。当建筑物位于地铁车站的端头位置时，易受基坑降水、基坑开挖、盾构始发、盾构掘进等多重影响，设计时需要统筹考虑各阶段的控制措施，以保证既有建筑物安全。

盾构始发及接收是盾构施工关键工序，需采取可靠的加固措施[2-4]。目前，对于盾构始发端端头加固的研究主要有：①加固范围的研究，一般认为富水砂层盾构始发加固范围沿隧道纵向不宜小于9 m；②加固工艺的研究，常用地层加固工艺主要有搅拌桩、旋喷桩、深孔注浆、素桩等。对于盾构隧道近接施工的研究也分为两大类：①近接施工影响规律研究，包含施工影响范围、建构筑物的变形特征等；②近接施工控制措施的研究，主要为盾构自身控制措施。相关研究有：白璐璐等探索地铁盾构隧道下穿建筑物施工影响区域的划分[5]；魏纲等研究盾构掘进施工对建筑物沉降的影响[6]；孙宇坤等分析盾构隧道施工对砌体结构沉降的影响[7]；葛世平等研究地铁建设与运营阶段对地面房屋沉降的影响[8-10]；魏新良等介绍土压平衡盾构在砂性地层中所采取的各种针对性措施[11]；马继周等介绍了盾构长距离穿越民房的控制措施[12-14]。

以太原地铁2号线某盾构区间为工程背景，针对盾构隧道始发端近距离侧穿既有老旧建筑物易产生较大沉降这一问题提出具体的工程控制措施，并通过数值模拟和现场监测验证工程措施的有效性。

1 工程概况

太原地铁2号线为太原市实施的第一条地铁线，线路全长23.7 km。双塔西街站—大南门站区间为盾构法施工区间，区间从双塔西街站北端引出后，沿10 m宽红线的牛站西巷由南向北敷设，在迎泽苑小区附近以向左偏移，行进至迎泽公园内七孔桥附近向右偏移，接入大南门站南端。其中，牛站西巷周边建筑物众多，管线密集，隧道依次侧穿公交公司宿舍楼、公交公司家属楼等多处建筑物。

公交公司宿舍楼与双塔西街站北端净距约5.6 m，与双塔西街站—大南门站左线盾构区间最小净距约0.6 m，处于车站主体基坑及盾构隧道的强烈影响区。公交公司宿舍楼为“砌体+钢筋混凝土预制板”结构，地下1层，地上5层，基础为墙下条形基础，建筑物现状已存在裂缝。图1为公交公司宿舍楼与双塔西街站、双塔西街站—大南门站盾构区间相对位置关系，图2为公交公司宿舍楼在车站、区间施工前现状。

图1 公交公司宿舍楼与车站、盾构区间相对位置关系(单位：m)

图2 公交公司宿舍楼

双塔西街站—大南门站区间位于汾河东岸一级阶地，局部为东岸河漫滩。区间地层以第四系全新统人工填土，第四系全新统冲洪积层黏质粉土、粉质黏土、砂(粉)土及上更新统粉质黏土、砂(粉)土、圆砾土为主。区间穿越地层主要为粗砂、中砂、粉细砂、粉质黏土、黏质粉土。地下水为第四系松散层孔隙潜水，位于杂填土层，埋深2.3～7.5 m。

2 工程风险状况

2.1 车站主体基坑开挖

车站所处地貌单元为汾河东岸一级阶地，基坑底主要为粉细砂层、圆砾层、中砂层，基底砂层较厚，车站围护结构采用地下连续墙，悬挂式止水，基坑开挖阶段对建筑物的影响主要有以下两方面。

(1)基坑采用悬挂式止水帷幕，基坑降水会影响基坑外地下水位，导致地层二次固结沉降，建筑物产生沉降。

(2)基坑开挖、回筑阶段围护结构水平变形引起基坑外土体扰动，建筑物产生沉降。

2.2 盾构区间始发

盾构始发是盾构施工的关键工序，也是施工中的事故多发环节，区间始发端范围地层主要为中砂、粉质黏土、粉细砂，地面下1.5 m即为地下水，在该地层极易发生涌水涌砂事故，造成地面沉降，甚至洞门失稳、地面塌陷。如果盾构端头加固措施不合理，盾构始发将给建筑物带来较大安全隐患[15]。

2.3 盾构区间掘进

相较于其他施工方法，盾构法具有施工安全快速，对地层影响小，能较好的控制地面沉降等优点，但盾构掘进不可避免地会对周围地层产生扰动。合理选择参数是控制地层沉降的关键，主要控制参数包括：掘削面支护压力、盾构机出土量、盾尾注浆压力、注浆时间等[16]。

3 风险控制措施

3.1 车站主体基坑开挖

车站主体基坑分两期施工，先施工南侧基坑，后施工北侧基坑。南侧基坑深约18.1 m，围护结构采用地下连续墙，经计算分析，围护墙结构插入比按1∶0.5控制。

南侧地下连续墙施工阶段，局部槽段存在塌孔，连续墙施工完成后，塌孔槽段周边地面沉降约5.6 mm；开挖前施工降水引起地面附加沉降约3.0 mm；基坑开挖及回筑阶段，现场存在架设支撑不及时、土方超挖的情况，最终地面沉降约29 mm。鉴于南侧基坑施工对周边环境的影响，公交公司宿舍楼后续会受到车站北段基坑开挖、区间左、右线盾构始发和盾构掘进多重影响，由于楼房年代久远，自身条件较差，为确保建筑物的安全，针对北侧基坑关键节点，采取以下针对性措施。

(1)车站北侧端头临近宿舍楼一侧，地下连续墙施工时采用旋喷桩加固两侧槽壁，避免连续墙成槽阶段塌孔，对建筑物基底地层造成扰动。

(2)车站北侧盾构井端头地下连续墙插入基底深度较南侧基坑加深5 m，以增大降水过程中地下水绕流距离，减少降水对基坑外地层的影响。

(3)施工阶段严格控制土方开挖，及时架设支撑，严禁土方超挖，加强钢管支撑轴力、周边地层、建筑物等的监测。

3.2 盾构区间始发

盾构始发期间，较长一段时间内，盾体和围岩之间的空隙得不到及时有效填充，如地层加固体质量较差，会形成渗流通道，造成涌水涌砂事故。因此，盾构始发端的端头加固对始发安全尤为重要，端头加固设计主要考虑以下因素。

(1)选择合理的端头加固工法，根据具体的地质情况，采用降水、搅拌桩、旋喷桩、注浆、水平冻结、垂直冻结、素桩、素墙等工法。

(2)根据车站端头的水文地质情况，合理确定加固区域的长度、深度，尤其是在富水砂层，加固体范围不够时，盾构机壳体与土体之间的空隙将形成渗流通道，导致涌水涌砂。

(3)严格控制加固区加固质量，加固体强度不满足要求时，难以满足盾构掘进过程中剪切、滑移的要求，将出现局部渗漏。

(4)为保证始发的安全，防止始发掘进时浆液、地下水从盾壳和洞门间隙流失，必须保证洞门的密封效果。

根据太原地铁2号线盾构区间的实施经验，富水砂层盾构始发端传统端头加固区域长度不小于10 m，宽度及深度一般取盾构区间左右、上下各3 m。公交公司宿舍楼距离车站北侧基坑净距约5.6 m，距离盾构左线净距最小约0.6 m，难以采用三轴搅拌桩、旋喷桩等加固方法；水平注浆法加固质量可靠性差，单独使用风险较大；洞内水平冻结法加固体质量可以保证，但后期融沉沉降对建筑影响较大。综合考虑始发端头的地层情况及周边建筑物现状，决定采用洞内钢套筒始发，为减小盾构机出洞门初始掘进阶段对地层的扰动，提出在洞门外3 m范围采取地面冻结法加固地层。冻结加固范围：隧道纵向3.0 m，隧道横向东西侧各3.0 m，隧道上下各3.0 m(12.2 m×12.2 m×3.0 m)。

3.3 盾构区间掘进

本区间出车站即开始侧穿公交公司宿舍楼，无条件调试掘进参数，对盾构初期掘进提出较大挑战。地质资料显示，南内环街站-双塔西街站区间盾构穿越段与双塔西街站-大南门站区间地层类似，故先掘进南双区间，充分积累该地层掘进经验，总结出一套合适的掘进参数，再掘进双塔西街站-大南门站区间。

盾构区间侧穿建筑物时，一般采用同步注浆及通过后洞内壁后二次注浆，可有效填充刀盘超挖引起的土层空隙，减小地层沉降。盾构通过后，隧道周围土体由于受到扰动，会产生二次固结沉降，为减小对建筑物的影响，侧穿建筑物范围盾构管片采用多孔管片；盾构通过后，及时对管片周边3 m范围进行主动填充式注浆加固。

本区间出车站即开始侧穿建筑物，且建筑物建设年代久远结构型式较差，为减少盾构掘进对建筑物的影响，盾构施工前在侧穿建筑物范围打设双排φ150 mm@300 mm复合锚杆桩，桩竖向斜角为30°，总长约22 m，对公交公司宿舍楼进行主动防护。

盾构区间侧穿公交公司宿舍楼加固措施见图3。

图3 盾构区间侧穿公交公司宿舍楼加固措施(单位：mm)

4 数值模拟计算

4.1 模型概况

利用PLAXIS软件建模计算，模型长度方向为建筑两侧各60 m，宽度方向为盾构隧道左右两侧各60 m，竖直方向为盾构隧道底以下30 m，采用小应变硬化(HSS)模型进行计算。地层模型采用辐射型网格划分方式，基坑轮廓及隧道外轮廓单元长度按1.2 m控制，模型边界单元长度按6 m控制，模型单元数总计约19万。基坑竖向分4次开挖至基底，每次开挖至支撑底高程位置，盾构区间纵向按照每次开挖1.2 m(管片幅宽)，施工至模型边界位置。施工过程中，基坑周边及现状道路按照20 kPa超载考虑，计算地层参数见表1，模型见图4。