富水砂层盾构下穿老旧村庄沉降控制研究_陆宏朝.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.021作者简介：陆宏朝（1986-），男，大学本科，工程师，主要从事有关地下工程的工作。E-mail：近些年来，随着城市轨道交通的飞速发展，城市地铁线路愈发密集，新的地铁隧道建设过程中不可避免要下穿一些老旧村庄建筑群，这些年代较为久远、没有严格按照规范进行设计、施工的老旧村庄，对沉降变形十分敏感。当盾构下穿引起地层损失后，极易引起建筑物开裂、不均匀沉降、倾斜等危害。部分区域以自稳性差的富水砂层为主，地层的复杂进一步加大了盾构施工的难度与风险。为此，富水砂层盾构下穿老旧村庄施工过程中，必须采取有效的沉降控制措施，以确保盾构顺利、安全、高效地掘进。针对盾构下穿引起的建筑物不均匀沉降以及地表沉降等问题，国内外许多学者都进行了研究。PECK1基于对大量数据进行分析，提出了著名的PECK 公式，假定地表横向沉降槽呈正态分布；雷江松2对盾构隧道注浆加固进行分析，提出上下隧道工程应采取注浆加固保护手段，控制并减小施工对既有隧道的影响，上隧道施工时，下隧道的注浆加固范围应尽可能加大；贾小伟等人3认为盾构穿越桩基础时，桩基会抑制土体竖向位移，使其变形曲线为“蝴蝶状”；徐林等人4-5对盾构穿越建、构筑物的影响规律进行研究，发现建筑的倾斜值、最大沉降量以及最大扭矩与两建筑物间的净距和隧道的深度有着密切联系，相邻建、构筑物间存在保护现象；赵星等人6通过数值模拟手段对隧道侧穿建筑物进行研究，随着刀盘距离建筑物越来越近，盾构对建筑物的影响越来越大，建筑物发生的变形也越来越大，主要变形表现为建筑物的沉降；卢鹏等人7研究认为建筑沉降与地表沉降规律相近；余涛8通过有限元分析盾构下穿密集房屋群时，不同盾构推力以及注浆压力对地表和房屋位移变化的规律；陈仁朋等人9通过有限元模拟，研究建筑物变形与地层变形间的相互作用关系；岳鹏飞等人10通过建立桩基-土体-隧道共同作用的有限元模型，分析在建筑物荷载作用下地层沉降规律以及桩基受力特性。国内外学者对盾构下穿引起建筑物的沉降的研究多通过理论分析、有限元模拟以及现场监测的方式找道盾构开挖引起的沉降规律，随后采取相应的施工控制措施减少沉降量。但是针对富水砂层等软弱地层，研究一套系统的盾构村庄下穿老旧村庄沉降控制方法还并不多见。本文以西安地铁16号线一期某区间工程为依托，对富水砂层盾构下穿老旧村庄村将控制技术进行研富水砂层盾构下穿老旧村庄沉降控制研究陆宏朝1，李鹏1，郭峰1，李军锋1，侯建林1，郑选荣2（1、中铁北京工程局集团有限公司合肥230088；2、西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054）摘要：依托西安地铁16号线1期某区间盾构工程，针对其在富水砂层地区，盾构下穿老旧村庄施工条件复杂的情况，通过有限元模拟、现场自动化监测、停机抽水注浆等一系列主动控制措施，形成一整套盾构下穿老旧村庄的沉降控制方法，解决盾构在富水砂层地区掘进易发生喷涌及地表沉降过大的难题。研究结果表明：在富水砂层双线盾构施工时，盾构产生的最大沉降位于盾构中心轴线上，且后行线施工对先行线隧道周边土层的二次扰动不容忽视，二次扰动产生的沉降约是先行先贯通后沉降的50%；提出的注浆管均匀设置多个主、副通孔工艺可对不同距离和深度处进行注浆处理，使注浆范围更全面。关键词：富水砂层；盾构；老旧村庄；注浆加固；沉降控制中图分类号：U455文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-086-04Study on Settlement Control of Water-rich Sand Shield Undercrossing Old VillageStudy on Settlement Control of Water-rich Sand Shield Undercrossing Old VillageLU Hongchao1，LI Peng1，GUO Feng1，LI Junfeng1，HOU Jianlin1，ZHENG Xuanrong2（1、China Railway Beijing Engineering Bureau Group LimitedHefei 230088，China；2、School of Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and TechnologyXian 710054，China）AbstractAbstract：Based on the shield construction of a certain section of Xi an Metro Line 16，in view of the complex construction conditionsof the shield undercrossing the old village in the water-rich sand layer area，a set of settlement control methods for the shield undercrossingthe old village are formed through a series of active control measures such as finite element simulation，field automatic monitoring，shutdown pumping grouting and so on，which solves the problems of gushing and excessive surface settlement in the water-rich sand layer area.The results show that the maximum settlement generated by the shield is located on the central axis of the shield during the construction ofthe double-line shield in water-rich sand layer，and the secondary disturbance of the soil surrounding the front line tunnel caused by the construction of the rear line cannot be ignored，and the settlement generated by the secondary disturbance is about 50%of the settlement afterthe first penetration.The proposed grouting pipe uniform setting of multiple main and auxiliary holes can grouting at different distances anddepths，so that the grouting range is more comprehensive.Key wordsKey words：water-rich sand stratum；shield；old villages；grouting reinforcement；settlement control86陆宏朝，等：富水砂层盾构下穿老旧村庄沉降控制研究FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期究，通过地质勘测、有限元模拟、现场监测以及停机注浆相结合的方式，形成一整套盾构下穿老旧村庄的沉降控制方法，总结施工经验，以期为类似地层盾构施工提供实操经验。1工程概况西安地铁16号线某盾构区间隧道全长1 678.148 m，左右线间距1417 m，设计隧道地板埋深介于16.6329.57 m，相应高程为 361.14376.70 m。区间地层从上到下主要为素填土、细砂、中砂、粉质粘土；地下水稳定埋深14.220.0 m。区间隧道拟采用盾构法施工，开挖直径6 480 mm。稳定地下水位埋深11.016.2 m。盾构与村民楼的位置关系如图1所示。盾构穿越的房屋为砖混结构，层高3.3 m，房屋由前1层后3层组成，基础为浅基础，基础埋深23 m，隧道埋深15 m。由于房屋高低不一，对沉降较为敏感。盾构区间距离地表比较接近，盾构施工对村民楼影响较大，存在较大的施工风险。2沉降控制关键技术2.1风险评估根据现场地质条件，结合有限元软件模拟富水砂层区域，盾构下穿老旧村庄的全过程。并根据数值模拟的结果，评估盾构下穿老旧村庄施工过程中的风险以及对周边环境的影响。2.1.1盾构下穿老旧村庄有限元模拟为评估盾构下穿老旧村庄对周边环境及地表沉降的影响，采用有限元软件MIDAS-GTS NX建立西安地铁16号线某盾构区间下穿老旧村庄的三维有限元模型，模型尺寸取为 108 m93 m60 m（长宽高）。隧道内径5.5 m，外径6.2 m。隧道埋深为15 m，左右线竖向轴线间距17 m。村民楼基础为柱下独立基础，柱截面边长500 mm，柱长2.5 m。有限元模型中从上到下地层依次为素填土、细砂、中砂、粉质粘土。根据上述资料建立数值计算模型如图2所示。土层、注浆层采用3D实体单元模拟，盾构管片、盾壳利用软件功能形成的2D板单元模拟。土层采用摩尔库伦本构关系，构筑物及盾构结构均采用弹性本构关系。利用实体单元建立建筑、土体与衬砌，实体单元能够在软件中对塑性区进行可视化处理，直观地判断建筑变形的危险之处。有限元模型中各土层参数如表1所示，结构参数如表2所示。2.1.2数值模拟结果分析为评估盾构下穿对老旧村庄周边环境的影响，主要需要监测盾构下穿过程中地表沉降的变化。为了分析盾构施工过程中左右线开挖对地表沉降的变形的影响，选取一横向断面进行地表沉降监测，监测断面选取如图3所示，沉降监测结果如图4所示。由图4可知，右线开挖引起了左线周围土体沉降的进一步增大。当右线隧道贯通后，左线的沉降由原先的-7.63 mm增长到-11.24 mm，后行开挖对先行开挖隧道周围土体产生的沉降值达到原有沉降的43.3%，由此可见后行开挖的隧道对先行隧道周围土体的二次扰动不可忽视。当左右线都贯通后，左右线的最大沉降均发生在隧道轴线上，最大沉降值为-11.24 mm。综上可知，在富水砂层盾构下穿老旧村图1盾构与村民楼的位置关系图Fig.1Position Relationship between Shield andVillage Building（m）1层建筑3层建筑浅基础（示意）一般埋深23 m拱顶埋深左线盾构中心线右线盾构中心线376.7017.0R3.24376.7015.0R3.24图2房屋及其基础模型Fig.2Housing and Its Foundation Model表1土层计算参数Tab.1Calculation Parameters of Soil Layer名称素填土黄土状土细砂中砂粉质粘土重度17.019.019.920.720.1含水量-19.713.412.622.7孔隙比-0.7500.5500.4590.668粘聚力5230021内摩擦角1019323217表2盾构支护参数Tab.2Shield Support Parameters材料管片盾壳注浆弹性模量/MPa34 500.0100 000.026.4泊松比0.200.200.2887广东土木与建筑FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期庄施工过程中，左右线的正上方沉降最大，风险最大，且后行线开挖引起先行线周围土体的二次扰动也需要引起重视，需提前做