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大直径盾构侧穿古建筑引起沉降分析及注浆加固研究

祁文睿
(中铁十六局集团有限公司）

1引言
随着国民经济的不断发展，日益恶化的城市地上交通状况正制约着城市地面建筑的整体规划以及经济的可持续发展，为此，越来越多的城市交通工程开始转向地下，专门的城市地下施工方法的建立、城市地下施工专用设备的研发与投入、相关施工标准的完善等正标志着城市地下空间时代的到来，直至人类可预见的未来，城市地下空间工程将为人类文明的建设持续发挥巨大的作用。在此大背景下，越来越多的地下施工方法被开发和运用到了地下空间工程的施工当中，盾构施工作为施工方法与设备研发最完美的结合在城市隧道施工中不断普及和深入。盾构施工法，在极大提高施工效率的同时，更多地应关注施工安全问题，特别是如何确保地上既有建(构)筑物的安全。
目前对于盾构隧道下(侧)穿既有建(构)筑物引起的土体变形，国内外许多学者进行了大量的研究。黄昌富等以京津城际延伸线天津至于家堡盾构隧道为背景，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，对新建盾构隧道侧穿邻近不同形式基础的建筑物产生的地面沉降、建筑物差异沉降进行深入研究。廖少明等对盾构分别穿越运营地铁隧道、危旧敏感建筑物、浅基础建筑群和桩基础时的盾构选型、微扰动控制参数以及相关应力与变形规律等进行了分析。葛世平等对既有建筑下盾构穿越施工引起的地表沉降规律进行了三维数值模拟研究。张登雨等采用现场实测和数值计算相结合的方法对盾构侧穿古建筑地表长期沉降进行预测和分析。
以天津站至天津西站地下直径线工程侧穿古建筑李氏故居为例，通过分析盾构开挖过程引起的土体沉降规律，提出合适的加固方法，研究盾构隧道对古建筑及地表沉降的影响。
2工程概况
天津直径线工程是连接天津西站与天津站的地下铁路工程，其隧道全长约为3．5km，全段采用明挖法与盾构法施工，其中盾构隧道约为2km，成形隧道直径为10．6m，沿线风险点众多，主要包括地面建筑物、河流及其护岸桩等。由于天津地质向来都有“土质粘、地势低、水位高”的特点，而天津地下直径线工程施工地段属于天津繁华地段，无论哪个风险点对于安全性的要求都非常高。因此本文选取具有代表性的风险系数较高的古建筑李氏故居，进行盾构侧穿过程中对其沉降影响研究。
李氏故居为清代建筑，建于上世纪10年代，是享誉海内的高僧李叔同先生的居所，它是由四套四合院图1李氏故居鸟瞰图组成，从上向下看呈现“田”字形，初建时占地1400m2。后在2007年由天津市政府修复，修复后占地面积4000余m2，由“李叔同故居”和“前院花园”两部分组成，是一座极具历史意义的“旧宅”。其地基基础采用桩基础，桩与承台连成一体。其鸟瞰图如图1所示。
由图1可以看出，天津直径线工程盾构属于侧穿风险点，其前部“纪念亭”几乎全在盾构中线至外径一侧，

其沉降量将会非常大。盾构侧穿里程为DK3+701．736～DK3+734．046，侧穿全长约33m。此部分隧道覆土埋深约为16．5m，地面标高平均约为2．5m。
李叔同故居与盾构隧道位置关系如图2所示。

3基于试验段实测数据的风险点评估
3．1试验段沉降分析
李叔同故居为盾构离开始发井约200m后所遇到的第一个风险点，根据前期施工方案，盾构前100环为试验段，而每环环宽为1．8m，则共180m，也就是说在盾构刚出试验段就进入了李叔同故居风险点，这对于盾构机的调配要求非常高。
天津直径线隧道纵向沉降及位移监测点的设置为每9m，即5环设一个观测断面，在盾构通过前50m进行监测，图3为截取的5个试验段布设的监测点，在截取中分别命名为JC1、JC2、JC3、JC4、JC5，5点的间距为9m。取自盾构通过试验段前的50m内，此部分水文地质与李叔同故居的水文地质大致相同，但相对于李叔同故居的埋沉较浅，除去存在地面荷载的影响，理论上而言，李叔同故居的沉降值应小于试验段的沉降值;但正因为李叔同故居地表荷载的存在，给盾构掘进所引起的地表沉降值带来较大的不确定性。但在盾构试验段前50m，对于盾构掘进的参数已相对稳定，外加土层结构的相似性，因此对于研究侧穿李叔同故居比较有代表性。

由图3可以看出，试验段盾构掘进地表沉降规律与大多数文献所提及的盾构掘进所引起地表沉降五阶段相符合，即先期沉降值较小，盾构通过时沉降值最大，后期沉降值稳定至细小变动。JC1～JC5其曲线变化大规律虽然相同，但5条曲线相对凌乱，这正体现了试验段掘进参数的稳定性差，造成这种现象的原因有很多，包括掘进时速度的控制、注浆的及时性与注浆量等，这更为通过李叔同故居造成了不确定因素。从图中可以看出，试验段的最终沉降值最小为20mm左右，最大接近30mm，已接近规范及设计要求的最大沉降值，而对于“中度”风险点的地表变形值要求为－25+10mm，若采用试验段参数进行侧穿李叔同故居必然是不可行的。
3．2风险点本身不确定性分析
李叔同故居属于历史建筑，结构基础采用的砖砌体扩大基础，虽然2007年市政府对其进行了修复，但修复工程侧重于对外观的修复，对于其基础仍沿用初建时的结构，未加任何修改或加固。虽然李叔同故居的基础是属于桩基础，也与基础承台相接，但其桩长较短，无法抵抗地表的较大变形与沉降，给盾构穿越此风险点的不确定性增加。
另外，根据国内外文献资料显示，在覆土不足一倍盾构直径的情况下，地层受到盾构隧道施工的扰动较大，李叔同故居覆土厚度为16．5m左右，刚好一倍盾构直径，其影响程度也不可忽略。因此盾构隧道穿越过程中必然因扰动土层地质而造成地面沉降，临近施工扰动区域的建筑物会根据自身结构情况、基础形式、建筑年代等因素出现不同的差异沉降与变形。对于基础较深、结构较为可靠的构筑物来说，产生的变形相对较小且相对均匀，对建筑物本身损害并不大;反之，建成年代较久且基础较浅的建筑物在抗变形能力上则相对较弱，由此产生的变形差异性较大，不均匀性较为明显。
3．3侧穿古建筑风险分析
对于盾构侧穿地表建筑物的情况下，地表建筑物对盾构隧道存在一侧向荷载，虽然从理论上分析，其偏向建筑物的一侧的沉降槽曲线沉度与宽度值必然会大于无建筑的一侧，但此值的大小却是很难进行量化的。以天津直径线盾构掘进试验段的经验，仍不足以判断其沉降值的变化规律与方向，但可以肯定的是地表沉降值将远大于试验段的沉降，这将会极大地增加盾构侧穿地表建筑物的风险。
盾构隧道与李叔同故居建筑物在平面位置上是斜交关系，除去后期修建的花园，盾构隧道与李叔同故居最小净距2．9m，最大净距也在一倍盾构直径左右，因此建筑物受到盾构所引起的地表沉降值是比较大的;盾构隧道与李叔同故居的竖向最小净距为16．5m，盾构穿越长度约150m，掘进施工过程中影响范围较大，以试验段掘进的速度来看，穿越李叔同故居可能需要一个月左右。对于盾构掘进而言，时间越长，土层的缓慢变化与位移所持续的时间也就越久，相对来说地表建筑与盾构隧道的危险性也就越高，风险越大。
4试验段地表沉降规律分析
在试验段沉降曲线图中，JC5属于监测组数据，其中分别在垂直于隧道中心线位置布设7个监测点，分别距离隧道中心线0、6、12、18m，因此取其中的JC5监测组的沉降数据进行对比分析。监测数据如图4所示。

由图4可以看出，将JC5沉降曲线与经典的Peck公式曲线进行对比可知，其沉降规律基本相同，针对于软黏土中大直径泥水盾构施工可得出以下结论:
(1)大直径盾构在软黏土地质中的沉降曲线与一般盾构掘进所引起的地表沉降规律是相同的;
(2)在同一断面上的沉降曲线符合Peck沉降槽曲线规律;
(3)最大的沉降值发生在隧道断面中心线位置;
(4)地表沉降影响范围至少距离隧道中心线1.5倍盾构直径范围内;
(5)沉降槽曲线的反转点位于隧道断面中心位置0．5倍盾构直径左右;
(6)沉降槽曲线的最大曲率点位于隧道断面中心位置1倍盾构直径左右。
5盾构侧穿古建筑加固方案研究
5．1加固方案提出
加强建筑物本身抗变形能力可从两方面入手:一是进行建筑物本身结构改造或加强;二是加固建筑物周边及地下地质的抗变形能力，尽量降低甚至阻隔盾构造成变形的传递能力。由于该建筑物已对外开放，从结构内部入手操作性不强，只能从建筑物外部入手;另外，采取第二方案即对建筑物周边及地下地质情况进行改良加固以起到隔离作用也是加强建筑物抗变形能力的主要措施。可选择方案如下:
(1)在建筑物外部施作钢结构支顶，约束建筑物不均匀沉降造成的倾斜。
(2)在建筑物外部施作多排搅拌桩，隔离盾构造成变形的影响。
(3)在建筑物外部施作多排深孔注浆，隔离盾构造成变形的影响。
本次通过数值模拟方法进行加固方案的比选分析。数值模拟的工具为有限元软件MIDAS/GTS，土体本构模型采用D-P准则，弹塑性模型。由于盾构隧道开挖直径为11．97m，隧道顶部覆土厚度为16．5m，根据前段分析可知，盾构隧道影响范围至少为1．5倍的隧道直径，而国内外文献中有学者提出盾构隧道影响范围为5倍的隧道直径，因此，模型的长度选择为81m，深度选择为60m，宽度选择为90m，此体积完全能够满足方案的模拟需求。建立的数值模型如图5所示。

5． 2基于数值模拟结果的加固方案确定
经过52个开挖步骤，得到最终的沉降曲线，以DM3为例，其横向地表沉降曲线和纵向地表沉降曲线分别如图6和图7所示。

由图6可以看出，三种方案下隧道变化规律基本一致，即使在建筑物的影响下，地表横断面的沉降槽已然类似于正态分布曲线，隧道中心轴线处的沉降量最大。
方案一沉降值最大，隧道中心点最大沉降达到40mm以上。方案二采用搅拌桩加固效果不明显，沉降值有所减小(约为30mm)，但施工困难，成本高，且无法达到要求。方案三采用斜孔注浆，沉降值控制在20mm以内，方案三为最佳方案。
由图7可以看出，三种方案下，隧道纵向变形的整体规律一致，方案三的沉降量最小，因此为最优方案。
5．3基于加固方案的实测数据分析
在李叔同故居上分别取具有代表性的5个监测点数据进行研究，绘制出沉降曲线，如图8和图9所示。

由图8和图9可以看出:从曲线总体上看，最终沉降量均在10mm左右，最大差异沉降3mm左右，说明了方案总体上的适用性;从盾构掘进通过监测点后的曲线来看，其后期沉降量比较小，基本在2mm，说明了注浆参数控制的有效性，建筑物加固也起到了一定的帮助作用。另外，从盾构通过前的下沉情况来看，开挖仓压力可能仍然偏小。总体而言，盾构侧穿李叔同故居是安全有效的。
6结论
(1)通过对试验段监测数据进行分析，得到试验段地表沉降规律，结合古建筑风险点本身的不确定性因素，最终完成盾构隧道侧穿古建筑的风险评估。
(2)通过对试验段监测数据进行分析，得到盾构掘进通过试验段时引起地表沉降的规律，试验段的最终沉降值最小为20mm左右，最大接近30mm，已接近规范及设计要求的最大沉降值，也为后续盾构侧穿古建筑提供了参数依据。
(3)结合数值模拟方法最终确定了盾构侧穿古建筑的加固方案，即在建筑物外部施作多排深孔注浆，隔离盾构造成变形的影响，且加固后的李叔同故居最大沉降值10mm左右，最大差异沉降值3mm左右，说明加固方案是合理有效的，且盾构侧穿李叔同故居是安全可靠的。
文章来源：（中国知网）