不同隔离措施在阻隔盾构施工引起地层变形试验研究

刘 方,张宇宁,曹利强,刘 辉

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室,北京 100044)

引言

随着我国城市化建设的快速推进，为解决城市有效用地不足、交通拥堵等问题，城市地下空间的开发利用迎来了大发展。盾构法凭借其自动化程度高、施工速度快、对环境影响小等优点得到了广泛的应用[1]。盾构隧道开挖不可避免地会对隧道周围土体产生扰动，引起土体的移动和变形，当变形超过一定限度时，则会对隧道工程施工、周边建(构)筑物和管线等产生影响，甚至诱发重大的工程事故。对于城市密集区的大直径盾构隧道，由于市区内建(构)筑物繁多，地铁、市政道路纵横交错，地下管线错综复杂，同时大直径隧道开挖断面更大，对周边地层的扰动也更为突出。为了最大限度地减少施工过程中对地层的扰动，减少地层的移动和变形，实现隧道的正常掘进和周边环境安全保护，需要在施工中采取必要的防护措施[2]来有效控制地层变形的发展和传播，对此国内外地下工程方向的研究学者进行了广泛的研究。

项彦勇等[3]应用解析法和有限元法并联合浅埋暗挖区间隧道的实测数据，总结分析了隔离桩墙结构对于隧道施工地层变形的限制作用及关键影响因素；王炳军等[4]应用数值仿真试验研究分析了盾构隧道施工对于不同类型桩基内力及变形的影响；周正宇等[5]提出了基于地层加固与隔离法的隧道施工对既有结构的主动防护技术；吕高峰等[6]综合现场实测与数值模拟结果，研究分析了复合锚杆桩对于地层变形的控制效果；黄大维等[7]研究分析了护壁套筒钻孔灌注桩对于隧道施工地层变形的控制效果；张明聚等[8]应用ANSYS三维地层结构模型，研究分析了隧道不同施工阶段隔离桩对于地层变形的控制效果；周旭光等[9]应用PLAXIS 3D有限平台，研究分析了隔离桩对于隧道施工地层变形的控制效率。孙雪兵[10]以武汉地铁3号线盾构隧道下穿工程为依托，研究分析不同防护桩布置对于地层变形的阻隔效果。

本文在延续前人关于隔离桩对隧道施工地层变形控制效果研究的基础上，应用现场实测数据统计分析与数值模拟对比分析的研究方法，着重研究分析城市密集区大直径盾构隧道施工中，布设不同隔离防护结构对于地层变形的控制效果，并就其适用性给出客观评价。

1 工程背景

1.1 清华园隧道

清华园隧道为京张高速铁路重点控制性工程之一，位于北京市海淀区。隧道于学院南路南侧入地，依次穿越南院南路、北三环、知春路、北四环、成府路、双清路、清华东路7条重要的市政道路后，于五环内出地面，全长6.02 km。全隧近距离侧穿地铁13号线，还依次穿越地铁12号线(在建)、10号线、15号线3处地铁，以及下穿88条重要市政管线，且隧道周边建筑物密集。清华园隧道是目前国内城市核心区段穿越地层最复杂、重要建(构)筑物最多的高铁单洞双线大直径隧道之一[11-12]。采用泥水平衡盾构法施工，最大覆土厚度29 m。盾构隧道采用全预制管片拼装，设计强度C50、抗渗等级P12，盾构管片内径11.1 m，外径12.2 m，管片厚度55 cm。清华园隧道平面布置见图1。

图1 清华园隧道平面位置

隧道掘进采用2台直径为12.64 m的海瑞克泥水平衡盾构机，隧道防护试验段的起止里程为DK18+200～DK17+825，总长375 m，前200 m为盾构参数调整段，后175 m为防护试验段。试验段地质以粉质黏土为主，上覆土为杂填土，试验段末端为粉质黏土和卵石土分界点，隧道分布有2层地下水，上层滞水埋深4～5 m；下层潜水埋深22～26 m，微承压，本试验段盾构掘进范围内主要为上层滞水。

1.2 隔离桩防护方案及目的

在盾构试验段范围内对盾构施工地层变形采取了不同的隔离防护措施，其中DK17+985断面采用的是钻孔灌注桩防护结构；DK17+935断面采用的是门型墩防护结构(具体为钻孔灌注桩围护+横撑+内部土体加固的综合防护结构)；DK17+860断面采用的是复合锚杆桩防护结构。3个断面的地质条件相近，均为粉质黏土地层，埋深差别不大。试验段内布设不同的隔离防护措施，旨在各种不同防护措施条件下研究盾构施工引起周边环境变形的隔离控制情况，并对各种防护措施对于地层变形的控制效果进行研究分析，为后续盾构段防护措施的选择提供依据。

钻孔灌注桩是工程中常用的防护隔离措施，可有效防护地铁13号线的结构安全。全护筒钻孔灌注桩施工技术是利用专用摇、振动设备，使钢护筒克服各土层间与护筒间的摩擦力，使护筒穿越桩机钻孔施工中的不利地层，直至到达稳定的桩端持力层，利用钻孔设备掏空护筒内渣土，保证灌注桩成桩的施工技术(图2)。

图2 钻孔灌注桩施工工艺流程

门型墩防护对于变形控制的要求极高，全护筒跟进施工，不仅能够起到隔离防护作用，而且能够防止盾构泥浆和土体加固注浆浆液对13号线桥桩造成影响。两侧钻孔灌注桩完成后，对中间土体进行旋喷加固，加固区位于盾构机中线以上，沿盾构机外轮廓进行加固、不侵入掘进断面，用于加强土体整体性，并预防泥水压力提高时引起的冒顶风险，能够大幅增强先期沉降控制效果。

复合锚杆桩通常采用钢筋加水泥浆液组成，类似于垂直的锚杆，通过多排桩组合布置形成高强度的隔离区，是地铁防护的常用措施。复合锚杆桩采用先钻孔，孔径为180 mm，成孔后冲洗淤泥，并清理干净孔内，再插入预做的钢筋，安放后，用P.O.42.5水泥浆，配比1∶1，最后进行养护成桩后进行二次、三次注浆。利用空压机产生的高压空气进行排渣，可保证施工过程中周边土体稳定(图3)。

图3 复合锚杆桩工艺流程

2 现场监测

2.1 隔离桩及测点布置

按照1.2节的防护方案设计，现在各断面的重要位置处进行相关测点的布置，着重分析DK17+985(钻孔灌注桩防护)、DK17+935(门型墩防护)、DK17+860(复合锚杆桩防护)3个断面内施工中地表沉降测点、桩头沉降测点以及桩体水平位移测点的变形情况。具体3个断面的防护方案设计和测点布置情况如图4～图6所示。

图4 DK17+985横断面布置(单位：cm)

图5 DK17+935横断面布置(单位：cm)

图6 DK17+860横断面布置(单位：cm)

2.2 监测结果

整理现场实测数据，可得到盾构在不同施工阶段的横向地表沉降槽的分布规律(图7～图12)，并根据PECK经验公式可拟合给出各断面位置处的地层损失率、沉降槽宽度等系数。

综合3个断面的地表沉降和防护桩体的水平位移的监测结果可发现：应用门型墩防护措施的DK17+935断面的最大沉降值约为6 mm，最大水平位移约为1.0 mm；应用钻孔灌注桩防护措施的DK17+985断面的最大沉降值约为8 mm，最大水平位移约为1.5 mm；应用复合锚杆桩防护措施的DK17+860断面的最大沉降值约为13 mm，最大水平位移约为2.0 mm。同时整理3个断面的横向地表沉降测点的实测数据，并采用Peck公式(式(1)～式(2))拟合，可得到拟合计算结果见表1。

(1)

(2)

式中，S为距离隧道轴线y处的沉降；VL为地层损失率；Aexc为隧道开挖面积；i为沉降槽宽度；K为沉降槽宽度系数；H为隧道轴线埋深。

表1 断面实测Peck拟合计算结果

3 隔离桩隔离效果分析

3.1 隔离效果参数分析

依据试验段各断面的测点的实测数据，通过联合地表沉降测点和防护桩顶位移，提出防护效率参数来描述3种防护措施的隔离效果。防护措施的作用主要是隔断变形的传递过程，即土体变形在防护结构两侧表现出不同的变化规律，为了定量化地体现防护结构的这种防护效果，基于防护结构横断面变形稳定阶段的地表变形曲线，选取变形曲线防护结构外侧曲线斜率Ko与防护结构内侧曲线斜率Ki，通过式(3)计算得到变形斜率相对减小率η，以该值作为隔离效果的判别参数，其计算原理如图13所示。

图13 隔离效果判定参数计算原理

(3)

按照上述隔离效果判定参数的计算原理可得到各不同防护措施的评价效果如表2所示。

复合锚杆桩虽然在3种防护措施中的隔离效果最差，但是与其他两种隔离措施的隔离效果差别不是很大。且复合锚杆桩施工的难度较小，且经济实惠，因此在类似的工程中使用复合锚杆桩就可以达到隔离变形的目的。

表2 防护措施效果评价

3.2 隔离措施数值模拟

三维数值方法在模拟盾构施工对地层的影响中具有重要的意义[13-14]，计算结果可以为设计及施工提供重要参考。本文采用大型数值岩土数值软件MIDAS-GTS模拟[15]。基于实际工程情况，把3种不同的防护措施同时放在一个数值模型中，整体分析不同防护措施对地层变形的控制效果，数值模型建立如图14所示。

图14 不同防护措施数值模型

按照上面的数值模型，分别分析计算不同隔离措施下盾构施工引起的地层变形以及桥桩变形，各断面的计算云图见图15～图20。

图15 DK17+985断面地层变形云图

图16 DK17+985钻孔灌注桩与桥桩变形云图

图17 DK17+935断面地层变形云图

图18 DK17+985门型墩与桥桩变形云图

图19 DK17+860断面地层变形云图

图20 DK17+860复合锚杆桩与桥桩的横向变形

图21 3个断面的数值模拟沉降槽分布

由3个断面数值模拟的计算结果，可得到3个断面采取不同防护措施后地表横向沉降的曲线变化如图21所示，由3个断面的模拟沉降槽曲线可以看出：由于存在防护结构，地表沉降曲线明显不对称，有防护措施的一侧沉降整体小于没有布置防护措施的一侧，且曲线中能够明显看出在各断面的防护结构设计处沉降曲线存在拐点，这表明采用门型墩、防护桩或复合锚杆桩，均能够有效隔断地层变形传递。

同时对数值模拟与现场监测的地表沉降与桩体位移的进行对比分析，如表3所示。

表3 三断面现场监测与数值模拟结果对比

由表3的统计结果可发现数值模拟结果与实测情况相差不大，说明了数值模拟结果的合理性，同时由3个断面数值模拟和现场监测的结果对比得到门型墩防护措施在对地表最大沉降、桩体最大水平位移以及地层变形隔离效果方面均表现出最优的控制效果。

4 结论

基于盾构施工过程中，通过不同防护措施试验断面的实测数据分析和数值模拟结果，可得到以下结论：

(1)应用钻孔灌注桩、门型墩和复合锚杆桩3种地层隔离防护设计，能有效阻隔地层变形的传递路径，达到了地层变形控制和周边环境保护的目的；

(2)由隔离效果参数分析和数值模拟计算结果可得到：门型墩防护措施对地层变形的隔断效果最佳，钻孔灌注桩次之，复合锚杆桩的防护效果相对最弱。

(3)复合锚杆桩虽然在3种防护措施中的隔离效果最差，但是与其他两种隔离措施的隔离效果差别不是很大。且复合锚杆桩施工的难度较小，且经济实惠，因此在类似的工程中使用复合锚杆桩就可以达到隔离变形的目的。