砂卵石地层盾构穿越建筑物

地面加固控制技术措施

                                   中铁十一局城轨公司   雷志彬

摘要：根据砂卵石地层中盾构施工实例，简要阐述盾构穿越建筑物基础时各种加固控制技术措施。

关键词：盾构、砂卵石地层、基础、加固。

一、引言

受地质条件和施工工艺的，盾构掘进将对周围环境产生扰动，改变土体的初始应力状态引起土体位移。当土体位移超过一定范围时，会危及地铁结构本身以及邻近结构物的安全与正常使用，使邻近结构物倾斜、扭曲等，从而引起一系列环境效应问题。采取合理有效的技术措施控制建筑物变形是必须解决的技术问题。

二、影响机理

由于盾构法施工引起隧道周围地层的松动和沉陷，直观表现为地表沉降，受其影响，隧道附近地区的结构物将产生变形、沉降或变位，以至使结构物机能遭受破损或者破坏。邻近结构物的变形从本质上而言也是由于地层变形而引起的，因此，只有控制地层才能更好地控制邻近结构物的沉降和变形。按其发生原因主要分为以下几点:

①开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时，压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起，相反会出现地基沉降。

②盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦、以及围岩一的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲线推进时如采用超挖，会使围岩松动的范围变大加大地基的沉降量。

③盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施下必然产生盾尾空隙，这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制，但壁后注浆的材料、注浆时间、位置、压力、注浆量都会影响地基的变形量。

④衬砌管片的变形和变位。管片从盾尾脱出后，受到围岩荷载作用发生一些变形或变位，造成地基沉降，但其量一般较小。

⑤地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。

目前，我国确定了城市地面变形为“+10mm—-30mm”沉降(隆起)基准以确保地面建筑物的安全，并且规定当最大沉降大于15mm时，邻近建筑物的不均匀沉降应在1/500的基础倾斜之内。其中关于沉降引起的地表建筑物破坏规定都不是针对盾构法施上的，但由于目前国内没有关于盾构法施工对邻近建筑物破坏影响的规定，往往盾构施工中产生的地面沉降所引起的地表建筑物破坏准则都是按照其它规范参照执行。详见《建筑地基基础设计规范》。

三、控制措施

对于对地面变形比较敏感且影响后果比较严重的结构物，仅通过盾构各施工参数的优化可能不能满足安全控制标准，故还需要采取有效的工程保护措施。常见的措施主要有五种：

①土体加固

跟踪注浆法是一种治理土体移动的常用方法，利用土体损失影响地面沉降的滞后现象，在隧道开挖影响范围与被控制的基础之间设置补偿注浆层，即在土层沉降处注入适量的水泥或化学浆，以起到补偿土体的作用，然后通过施工过程中的监测数据，不断控制各注浆管的注浆量，实现隧道开挖与基础沉降的同步控制，从而减小土体的沉降。跟踪注浆根据隧道可能发生过大位移或在已经发生了部分位移后，通过注浆局部增大隧道外侧的荷载和改善土质，使其停止移动甚至产生反向位移。这种方法能够非常有效的弥补土体损失，提高结构物承载强度和刚度，使其受隧道开挖的影响降低到最低限度，因此在隧道开挖措施无法满足地表沉降要求时，注浆加固无疑是一种十分可行的方法。当地面具备施工条件，可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式进行施工;当地面不具备施工条件或不便从地面施工时，可以采用洞内处理的方式，主要是洞内注浆。成都地铁2号线在盾构下穿省妇幼时，通过地面注浆的处理方式顺利通过了结构基础，且把最终沉降成功地控制在 17mm以内

②桩基托换

一般在下列情况下需要进行桩基托换:(l)盾构开挖通过桩基附近，从而削弱了桩的侧向约束，降低了桩的承载能力;(2)盾构开挖从距离桩端很近的地方穿过，使桩端承载力受到严重损失:(3)盾构开挖穿过桩体本身，导致桩的承载力大幅下降或消失。桩基托换是以特定的桩取代原桩作为建筑物的传力杆件，与原有地基形成多元化桩基并共同分担上部荷载，缓解和改善原有地基的应力应变状态，直至取得控制沉降与差异沉降的预期效果。在隧道开挖过程中，往往会遇到建筑物桩基侵入隧道净空的情况，当地铁从建筑物底部穿越时，建筑物底部的地基土被开挖，洞体四周土体应力状态将发生变化，且并伴随着土体的变形，一直延伸到地表面，并对建筑物的基础产生作用。此时必须对桩基进行托换处理，将建筑物原来的基础托承到不受施工影响的新的桩基上，同时建筑物上部荷载通过托换结构也得到了可靠的转移，从而减少了隧道开挖中地层变形对建筑物的影响，解决了隧道穿越既有建筑物的安全问题。托换处理主要有门式桩梁、片筏基础、顶升及树根桩等方法。如成都地铁2号线盾构下穿四川省妇幼保健医院时，为了确保楼房的安全采取了桩基托换施工，保证了盾构的顺利施工和结构的正常使用，桩基托换技术经济合理，效果较好，而且通过改变力的传播途径来控制建筑物变形的发生，同时施工期间不会影响到建筑物的使用功能。但是桩基托换的机理比较复杂，托换技术难度大，综合性强，施工周期长，而且大部分基础托换工程工作在建筑物的室内进行，作业空间受到。

③隔断法

在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙等措施，阻止盾构机掘进造成的土体变形，以减少对建筑物的影响。避免建筑物产生破坏的工程保，称为隔断法。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工空间。隔断墙墙体可由密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成，主要用于承受由隧道施工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力，使之减小建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。不过还需注意，隔断墙本身的施工也是邻近施工，故施工中要注意控制对周围土体的影响。

④建筑物本体加固措施

建筑物本体加固即对建筑物结构补强，提高结构刚度，以抵抗或适应由地表沉降引起的变形和附加内力。具体的加固措施有:

(a)增大截面法，该方法通过外包混凝土或增设混凝土面层加固混凝土梁、板、柱，通过增设砖扶壁柱加固砖墙:增大截面法可增大构件刚度，提高构件的承载能力，从而提高构件的抗变形能力。

(b)外包钢法，该方法通过在混凝土构件或砌体构件四周包以型钢、钢板从而提高构件性能;该方法可在基本不增大构件截面尺寸的情况下提高构件的承载力，提高结构的刚度和延度。

(c)外包混凝土法，该方法通过外包钢筋混凝土加固柱和壁柱，增设钢筋混凝土扶壁柱加固砖墙，增设钢筋网混凝土或钢筋网水泥砂浆(俗称夹板墙)加固砖墙;与外包钢法相比，这种方法可更好地实现新旧材料的共同工作。

(d)粘钢法和粘贴碳纤维法，该方法通过粘结剂将钢板或碳纤维粘贴于构件表面从而提高构件性能;该方法可在不改变构件外形和不影响建筑物使用空间的条件下提高构件的承载力和适用性能。

四、结束语

隔断法、桩基托换和注浆等作为砂卵石地层中盾构施工造成建筑物损害的治理措施，均有其特定的最佳使用条件，有些情况下也可以相互配合使用以减少建筑物保护代价。在盾构掘进靠近建筑物时，建筑物基础埋置较浅时，且场地受到，可以设置隔断墙来保护建筑物；在盾构穿越建筑物基础将建筑物的桩基切断或者使其产生过大的变形，施工现场、施工技术许可的情况下，建议采用桩基托换法。注浆法可以作为其他两种方法的补充和辅助手段，在盾构引起的地表位移不大时也可单独采用。

参考文献

【1】王梦恕.21世纪我国隧道及地下空间发展的探讨.铁道科学与土程学报.2004，1(1):7一8

【2】肖中平.地铁盾构隧道施工对环境的影响研究.成都:西南交通大学博士学位论文，2007

【3】成都市地铁办.成都市地铁二号线试验段水文、工程、环境地质条件，主要问题及对策专题研究报告，2001

【4】孙吉主.盾构机掘进对基础影响的工程分析法[J].武汉理工大学学报，2003，25(3):56一58