高压旋喷桩控制地铁盾构施工沉降的技术措施研究

摘 要：郑州地区城中村密集，建筑多为多层砌体结构，整体稳定性较差。为减小地铁盾构施工沉降引起的建筑变形，提出了高压旋喷桩的控制技术措施，即在地铁隧道与建筑中间设置多排咬合高压旋喷桩。通过数值模拟和现场沉降、变形监测验证了高压旋喷桩的可行性，为相关工程提供了技术支撑。

关键词：地铁盾构；沉降；高压旋喷桩；技术措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.008

1 引言

近年来，我国地铁得到大量建设，地铁施工通常采用盾构法，盾构施工往往会对周边建筑物带来影响，如何降低和避免地铁盾构施工沉降对周边既有建（构）筑物的影响、提高施工安全已经成为备受社会关注的研究热点。当前，隔离墙（桩）是降低地铁盾构施工引起沉降常用的一种方式，隔离墙一般指地下连续墙，而隔离桩一般采用混凝土灌注桩[1]。

相关人员对隔断墙（桩）在实际工程中的隔离效果进行了一定的研究：周玉兵[2]以大连地铁1号线黑石礁车站为工程实例，在风道与桥桩之间按照一定间距设置设钢管隔离桩，有效地保证了隧道近距离穿越桥桩施工的安全。王文斌等[3]以西安地铁2号线钟楼段的盾构施工为例，建立运用三维有限元模型模拟了有无隔离桩情况下盾构掘进过程中地面点沉降。钟楼周围地表和钟楼台四角点沉降的动态变化规律，结果表明，隔离桩能有效隔断外部的地表沉降（隔离桩内外地表沉降差达到14.1mm）。纪新博等[4]对某地铁新建隧道侧穿邻接浅基建筑的隔离桩进行有限元数值模拟，探讨了隔离桩的桩长及间距，优化了桩的参数。

高压旋喷桩作为一种地基处理手段，能够加固土体，抵制地铁地铁盾构施工引起的沉降[5，6]，但高压旋喷桩作为隔离墙措施来减小地铁盾构施工沉降的研究还未见报道。郑州轨道线网（含地铁和轻轨）共规划21条线路，覆盖整个郑州市区和郊区，与其他地区不同，郑州城市的城中村广泛分布，且建筑多为多层砌体结构，整体稳定性较差，本文提出了高压旋喷桩作为隔离墙的控制技术措施，并运用有限元对多排咬合高压旋喷桩对隔离效果进行了数值模拟，结合实测结果验证了可行性。

2 高压旋喷桩的减沉机理

隔离墙（桩）是建（构）筑物基础防护的常用方法，它可以把建（构）筑物周边隧道施工、基坑开挖等工程施工引起的地层变形有效地限制在隔离桩之间[7]。隔离墙（桩）的结构形式可分为树根桩、灌注桩、地下连续墙和搅拌桩等。为有效控制土体变形，隔离墙（桩）需具备一定的强度和刚度。但刚度达到一定极限后，继续增加隔离墙（桩）的刚度，其减沉效果不会有明显提高。但由于地下连续墙、混凝土灌注桩的费用高、施工周期长，本文提出了多排咬合旋喷桩作为隔离墙（桩）的技术措施。

造成盾构施工地表沉降的因素有可归纳为以下几个方面：（1）开挖掌子面的土压力不平衡引起的土体损失；（2）盾构纠偏施工引起的土体损失；（3）盾尾、衬砌环之间的空洞未及时充填引起的土体损失；（4） 注浆材料固结引起的收缩；（5）隧道渗漏水引起的土体固结和土体流失；（6）衬砌环的压扁变形；（7）土体扰动后的重新固结产生的压缩变形。隔离墙（桩）的主要作用为：隔离土体主动土压力，阻挡或减弱隧洞周边土体往隧洞产生滑移变形的趋势，提高滑移面处的抗剪和抗滑能力，截断侧向压力向盾构方向的传递，抵制桩后土体的变形，进而达到保护建（构）筑物变形的目的。

3 高压旋喷桩的施工技术要求

（1）三轴搅拌桩采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比1.2，强加固区水泥掺入比20%，弱加固区水泥掺入比10%。

（2）桩身采用一次搅拌工艺，水泥和原状土须均匀拌合，下沉及提升均为喷浆搅拌，为保证水泥土搅拌均匀，必须控制好钻具下沉及提升速度，钻机钻进搅拌速度一般在1m/min，提升搅拌速度在1.0 ～ 1.5m/min，在桩底部分重复搅拌注浆。

（3）提升速度不宜过快，以免出现真空负压、孔壁塌方等现象。搅拌桩成桩应均匀、持续、无颈缩和断层，严禁在提升喷浆过程中断浆，特殊情况造成断浆应重新成桩施工。垂直偏差≤L/200（L为桩长）。

（4）三轴搅拌桩养护时间28d，无侧限抗压强度1. 0MPa。加固体以上扰动部分需要弱加固，无侧限抗压强度0.4MPa。

4 高压旋喷桩减沉的有限元模拟

4.1 岩土体参数

采用通用有限元软件ANSYS对高压旋喷桩的隔沉效果进行数值模拟，有限元模型尺寸如下：① 厚度：由现地坪取至隧道正下方3D（D为隧道直径），取40.0m；② 宽度：左右两侧各取6D，即92.0 m；③ 长度：进沿隧道掘进方向取10D，取60.0 m。

盾构施工影响范围内地层土体主要为粉土和黏质粉土，主要物理力學参数，见表1。

盾构管片和高压旋喷桩的主要物理力学参数见表2。

4.2 有限元数值模拟结果

有限元模型施加结束如下：四周边界采用径向约束，底边界采用固支约束，上边界完全自由，隧道盾构内边界自由，整个模型施加重力加速度。

通过有限元模拟，得到了地面的最大沉降值（即盾构开挖之后与开挖之前的沉降差），代表性的沉降云图（取中间位置，即长度方向30.0m处的模拟结果）如图1所示。

根据有限元模拟结果，得到了沉降槽曲线，如图2。

从图1和图2可以发现：

（1）未采取加固措施时，左线盾构开挖（未设高压旋喷桩）的地表沉降槽曲线呈左右对称的V形，最大地表沉降值为-9.41mm；左、右线盾构全开挖（未设高压旋喷桩）的地表沉降槽曲线则呈左右对称的W形，最大值为-11.07 mm，略大于前者，说明双线盾构施工存在着相互影响；

（2）采用高压旋喷桩加固后，左线盾构开挖（设置高压旋喷桩）的地表沉降槽曲线基本呈左右对称的V形，形状不如左线盾构开挖（未设高压旋喷桩）规则，高压旋喷桩后面的沉降值明显减小，最大地表沉降值为-8.91mm，略小于左线盾构开挖（未设高压旋喷桩）；而左、右线盾构全开挖（设置高压旋喷桩）的地表沉降槽曲线基本呈左右对称的W形，形状也不如左、右线盾构全开挖（未设高压旋喷桩）规则，最大地表沉降值为-10.66mm，也略小于左、右线盾构全开挖（未设高压旋喷桩）。

（3）隧道两侧4D之外区域的地表沉降为零，地表最大沉降发生在两个盾构隧道的正上方区域，也就是说，地铁盾构掘进施工引起沉降的区域集中在盾构隧道中心线左右两侧各4D范围之内。

5 高压旋喷桩减沉的现场监测

根据《建筑地基基础设计规范》及建（构）筑物的调查情况，确定建（构）筑物变形的控制标准，指导隧道盾构施工，确保建（构）筑物的安全，本次通过建（构）筑物均为砌体建筑，房屋基础差，构造简单，质量极差，施工过程中可能因为地面的变化而发生房屋坍塌。

由于地基形式的不均匀等因素产生的变形，对于砌体承重墙结构应有局部倾斜控制，砌体承重墙结构沿纵墙方向6～10m内的基础两点之间的沉降差与其距离的比值应进行控制：对于中、低压缩性土为0.002，对于高压缩性土为0.003。

在地铁盾构穿越施工之前，对周边建（构）筑物及盾构上方对应地表布设了沉降监测点，部分测点如图3和4所示。

由图3可以看出，3月29日，盾构刀盘距建（构）筑物为10m时，建（构）筑物沉降呈上抬趋势，最大累计值为0.82mm。4月1日刀盘刚下穿建（构）筑物时段，建（构）筑物沉降明显呈下沉趋势，日变量最大值为-1.03mm，测点为JCJ-1。4月2日盾构拼装至68环，刀盘位于72环，盾构机已完全拖出建（构）筑物，建（构）筑物沉降日变量增大，最大日变量为-0.69mm，直至4月9日建（构）筑物沉降测点均已日变量为-0.10mms持续增长，于4月10日～4月12日变化速率减小，4月12日后续观测期间，建（构）筑物沉降稳定，最大沉降-2.81mm。4月22日，盾构右线侧穿建（构）筑物，建（构）筑物沉降有所增大，5月7日，沉降趋于稳定，测点JCJ-1的沉降仍最大，为-3.77m，右线施工时，引起额外的沉降为-0.96mm。

盾构左、右线侧穿建（构）筑物时，进行了沉降监测，由于存在对称性，选取了DB75-1～DB75-6共6个测点，绘制了地表沉降曲线，如图4所示。

与建（构）筑物的沉降曲线相似，地表累计沉降曲线可知，隧道轴线沉降测点累计沉降量最大，累计沉降最大值为-8.65mm，随距离隧道轴线垂直距离越远累计沉降量越小，根据距隧道轴线距离由近到远沉降测点DBZ75-4、DBZ75-3、DBZ75-2、DBZ75-1，历时累计最大沉降值分别为-9.51mm、-6.38 mm、-3.19 mm、-1.89 mm，越靠近隧道中心线，沉降越大，与图4的数值模拟曲线一致。左线穿越时，地表沉降主要发生在4月2日～4月8日，最大沉降为-6.90mm，右线穿越时，地表沉降主要发生在4月25日～5月1日，最大沉降为-9.51mm，右线穿越产生的额外沉降为-2.86mm，说明双线盾构施工存在一定的影响。

图3和4的实测的建（构）筑物和地表沉降最大沉降分别为-3.77mm和-9.51mm，与数值模拟结果-3.43mm和-9.06mm基本接近，说明本文采用的数值模拟方法是合理的。

6 结论

（1）介绍了高压旋喷桩作为控制地铁盾构施工沉降措施（即减沉措施）的机理和施工技术要求；

（2）采用ANSYS通用软件建立了三维有限元模型，计算了高压旋喷桩设置与否的盾构施工引起的沉降，并与实测结果进行了对比分析，验证了高压旋喷桩作为控制地铁盾构施工沉降措施的可行性，为郑州和国内其他地区的地铁盾构施工提供了技术支撑。

参考文献：

[1]赵景阳，杨双锁，徐婧等.盾构隧道近距离通过高层建筑物时隔离桩参数优化设计[J].太原理工大学学报，2017，48（01）：62-66.

[2]周玉兵.地铁隧道近距离穿越桥桩关键施工技术[J].北京交通大学學报（自然科学版），2012，36（04）：24-28.

[3]王文斌，刘维宁，丁德云等.盾构隧道施工对西安钟楼影响的数值模拟预测[J].北京交通大学学报（自然科学版），2011，35（04）： 33-37.

[4]纪新博，赵文，李慎刚等.隔离桩在隧道侧穿邻近浅基建筑中的应用[J].东北大学学报（自然科学版），2013，34（01）：135-139.

[5]欧阳林，杨双发，张东明.高压旋喷桩联合袖阀管注浆加固法下盾构隧道施工过程路基沉降影响分析[J].铁道勘察，2016（04）：64-67.

[6]袁庆龙，刘天阳，张秀川等.软土地区复杂周边环境下深层水泥土搅拌桩“跳仓法”施工技术[J].施工技术，2016，45（01）：24-27.

[7]章磊，韩爱民.隔离桩对隧道侧穿邻近建筑物的沉降影响分析[J].城市轨道交通研究，2017（01）：87-90.

基金项目：河南省科技攻关项目（No. 162102210019）

作者简介：段红海（1979-），男，湖北武汉人，工程师，主要从事盾构工程方面的研究。