淺埋暗挖法施工大跨度風道通過樓房的沉降控制技術摘要:文章旨在介紹軟土地層淺埋暗挖大斷面地鐵車站風道,順利通過地面樓房建筑區,保證樓房不發生開裂的開挖沉降控制技術。通過地表樹根樁加固技術的應用,有效地控制了地表沉降,保證了樓房的安全,為風道開挖的順利進行創造了條件。關鍵詞:淺埋暗挖法 風道 沉降 樹根樁1 工程概況 某城市地鐵車站風道埋深7.5ｍ,長為82ｍ,風道高度13ｍ,開挖寬度11.6ｍ,穿越粘土層、粉質粘土、粉細砂層、中粗砂層、卵石圓礫層、粘土層。風道豎井位于某公園建筑區內,風道破馬頭門進洞后經90°轉彎向東繼續開挖,從公園旅游服務部二層樓的北側穿過,風道開挖邊線距公園旅游服務部二層辦公樓基礎邊僅有1.3ｍ。二層樓為20世紀80年代修建,樓房長29.4ｍ,寬12.2ｍ,磚砌條形基礎,埋深3ｍ,樓房主體為磚混結構,位置關系見圖1。
2 開挖可能產生的沉降量分析2.1沉降產生原因 在隧道開挖過程中,上覆地層的豎向沉降一般是由開挖后的地應力釋放、地層土體損失引起的。對淺埋暗挖施工的隧道而言則為開挖后、支護結構達到強度要求前的時間段內,隧道上方一定范圍內土體向隧道內移動所引發的地層整體變形。 由于該風道埋深淺、斷面大、穿越地層自穩能力差、易坍塌,故設計施工方法為ＣＲＤ工法,即分四個臺階八部開挖,具體如圖2所示。同時采用井點降水,小導管超前注漿,架設格柵鋼架,網噴支護,拱背后水泥漿回填。ＣＲＤ法分八部開挖具有對周邊土層擾動次數多,累積沉降變形量大等特點。風道恰從樓房的北側通過,風道開挖線距離二層樓基礎邊線較近,樓房整體結構位于沉降槽分布范圍內,特別在開挖風道南側導洞(3、4、7、8部)時,會對靠近二層樓房基礎下土體產生擾動,從而加速樓房的不均勻沉降。2.2 沉降量分析 按設計要求風道中線位置地表最大允許沉降值為50ｍｍ,根據地表沉降槽變化曲線(見圖3),計算樓房北側墻和中心位置的不均勻沉降值Ｓ:Ｓ=Ｓｍａｘｅｘｐ(-ｘ2 (2ｉ2)) 式中的Ｓｍａｘ為隧道中線處最大沉降量;ｉ為隧道中線到沉降曲線反彎點的距離,在砂層ｉ=9.32-0.21Ｚ0(式中Ｚ0為地表到隧道拱頂的距離);沉降槽寬度為5ｉ;ｘ為距隧道中心線的水平距離。 因此,Ｚ0=7.5ｍ時,沉降槽寬度為39ｍ,樓房在沉降槽影響區內;當Ｓｍａｘ=50ｍｍ時,取ｘ1=7.1ｍ(北側墻體處)時,計算得出Ｓ1=19.0ｍｍ;取ｘ2=13.2ｍ(樓房中心處)時,計算得出Ｓ2=1.8ｍｍ。 從上述計算結果得出,樓房北側墻不均勻沉降差值為Ｓ1-Ｓ2=17.2ｍｍ,則相對于樓房中心的差異沉降為0.003>0.002(規范允許值),樓房基礎將會出現開裂破壞。在施工過程中,當地表沉降值Ｓｍａｘ>50ｍｍ時,樓房產生的不均勻沉降差異值將會增大。因此,為避免樓房結構出現變形開裂,影響使用安全,需采取加固措施控制因地表沉降變形而造成的樓房不均勻沉降。3 沉降控制方案3.1地表加固方案 考慮到風道邊線距離樓房基礎僅為1.3ｍ,作業場地狹窄,在方案制訂過程中既要保證能夠實現樓房控制沉降目的,也要保證加固措施結構不能侵入風道開挖凈空內,同時應減少對樓房周圍土體的擾動。通過方案比選決定采取沿樓房北側、風道開挖邊線外側施作樹根樁方案,具體施工參數如下: 1)用鉆機鉆Φ130孔,埋設直徑Φ108、壁厚5ｍｍ的無縫鋼管,樹根樁由1排豎直樁,2排斜樁組成,沿樓邊縱向間距為0.5ｍ,呈梅花形布置,橫向間距0.3ｍ。豎直樁長度為25ｍ,伸入風道底板3ｍ,斜樁斜插角度為分別為15°、30°,長度分別為17ｍ、20ｍ(見圖4),鉆孔順序為先轉奇數孔,注漿后再鉆偶數孔。 2)在樹根樁頂部沿二層樓基礎施作厚0.8ｍ、寬1.0ｍ的Ｃ20混凝土縱梁(東西向)。為了保證樹根樁與既有二層樓條基連接形成整體擴大基礎,決定對樓房基礎采取植筋技術,沿南北向植入Φ22鋼筋,間距100ｍｍ,上下兩排,并與混凝土縱梁中鋼筋連接以形成整體受力結構(見圖4)。 3)樹根樁內注入水泥漿,水灰比為(0.6∶1)～(0.4∶1),漿液先稀后稠,根據注漿量和注漿壓力調整水灰比。注漿時為保證漿液擴散效果,要求間隔注漿,同時采取反向注漿措施,即用與鋼管樁同等長度的ＰＶＣ管插入樁底,使漿液從底部向上升起,利用漿液水頭壓力達到止漿目的。3.2 其他加固措施 1)風道開挖嚴格按設計步序開挖,縮短開挖支護循環時間,及時封閉仰拱,嚴格遵守“管超前,嚴注漿,緊支護,快封閉,勤量測”的原則。 2)調整超前支護參數,即加密原設計超前導管,環向間距由0.3ｍ改為0.2ｍ,每根管長1.5ｍ,每榀格柵施作一環,注現場調配的改性水玻璃加固砂層,控制超挖和坍塌。 3)及時對初支背后空洞進行填充回填注漿,保證初支背后密實,減少因土體損失而造成的沉降。4 實施效果 施工過程中的監控量測顯示,設于拱頂正上方地表監控量測點最大累計沉降值為48.55ｍｍ,隨各部開挖地表沉降狀況見圖5;而設于樓房北側墻體上的監控量測點的最大累計沉降值為2.56ｍｍ(含測量誤差),遠小于理論計算值19.0ｍｍ,樓房處于穩定狀態,且墻體沒有裂紋現象發生。說明通過樹根樁的施作,有效地阻止了不均勻沉降槽向樓房基礎范圍內的發展,達到了控制樓房不均勻沉降的目的,保證了樓房的使用安全。同時通過開挖揭示,靠樓房側開挖斷面邊墻位置土體內可見漿脈發育,地層得到了有效加固,保證了開挖安全。5 結語 1)通過地表樹根樁的施作,具有加固范圍大、施工方便、經濟實用的特點。一方面通過注漿加固了樓房基礎土體,提高了基礎土體的整體穩定性;另一方面通過向樓房基礎內的植筋,使樓房基礎與樹根樁、縱梁形成了有效的擴大基礎,對控制樓房沉降起到很好的作用,同時通過樹根樁自身的剛度,有效地阻止樓房基礎下土體受開挖擾動所產生的傾覆變形,切斷了沉降槽向樓房基礎范圍內的發展。 2)通過采取此方法對樓房區域地層進行加固處理,有效地控制了樓房的沉降變形,實現了軟弱地層中,淺埋暗挖大斷面隧道成功通過樓房區,為地鐵后續施工順利進行和保證樓房安全創造了有利條件,為類似工程施工提供了借鑒。
2 開挖可能產生的沉降量分析2.1沉降產生原因 在隧道開挖過程中,上覆地層的豎向沉降一般是由開挖后的地應力釋放、地層土體損失引起的。對淺埋暗挖施工的隧道而言則為開挖后、支護結構達到強度要求前的時間段內,隧道上方一定范圍內土體向隧道內移動所引發的地層整體變形。 由于該風道埋深淺、斷面大、穿越地層自穩能力差、易坍塌,故設計施工方法為ＣＲＤ工法,即分四個臺階八部開挖,具體如圖2所示。同時采用井點降水,小導管超前注漿,架設格柵鋼架,網噴支護,拱背后水泥漿回填。ＣＲＤ法分八部開挖具有對周邊土層擾動次數多,累積沉降變形量大等特點。風道恰從樓房的北側通過,風道開挖線距離二層樓基礎邊線較近,樓房整體結構位于沉降槽分布范圍內,特別在開挖風道南側導洞(3、4、7、8部)時,會對靠近二層樓房基礎下土體產生擾動,從而加速樓房的不均勻沉降。2.2 沉降量分析 按設計要求風道中線位置地表最大允許沉降值為50ｍｍ,根據地表沉降槽變化曲線(見圖3),計算樓房北側墻和中心位置的不均勻沉降值Ｓ:Ｓ=Ｓｍａｘｅｘｐ(-ｘ2 (2ｉ2)) 式中的Ｓｍａｘ為隧道中線處最大沉降量;ｉ為隧道中線到沉降曲線反彎點的距離,在砂層ｉ=9.32-0.21Ｚ0(式中Ｚ0為地表到隧道拱頂的距離);沉降槽寬度為5ｉ;ｘ為距隧道中心線的水平距離。 因此,Ｚ0=7.5ｍ時,沉降槽寬度為39ｍ,樓房在沉降槽影響區內;當Ｓｍａｘ=50ｍｍ時,取ｘ1=7.1ｍ(北側墻體處)時,計算得出Ｓ1=19.0ｍｍ;取ｘ2=13.2ｍ(樓房中心處)時,計算得出Ｓ2=1.8ｍｍ。 從上述計算結果得出,樓房北側墻不均勻沉降差值為Ｓ1-Ｓ2=17.2ｍｍ,則相對于樓房中心的差異沉降為0.003>0.002(規范允許值),樓房基礎將會出現開裂破壞。在施工過程中,當地表沉降值Ｓｍａｘ>50ｍｍ時,樓房產生的不均勻沉降差異值將會增大。因此,為避免樓房結構出現變形開裂,影響使用安全,需采取加固措施控制因地表沉降變形而造成的樓房不均勻沉降。3 沉降控制方案3.1地表加固方案 考慮到風道邊線距離樓房基礎僅為1.3ｍ,作業場地狹窄,在方案制訂過程中既要保證能夠實現樓房控制沉降目的,也要保證加固措施結構不能侵入風道開挖凈空內,同時應減少對樓房周圍土體的擾動。通過方案比選決定采取沿樓房北側、風道開挖邊線外側施作樹根樁方案,具體施工參數如下: 1)用鉆機鉆Φ130孔,埋設直徑Φ108、壁厚5ｍｍ的無縫鋼管,樹根樁由1排豎直樁,2排斜樁組成,沿樓邊縱向間距為0.5ｍ,呈梅花形布置,橫向間距0.3ｍ。豎直樁長度為25ｍ,伸入風道底板3ｍ,斜樁斜插角度為分別為15°、30°,長度分別為17ｍ、20ｍ(見圖4),鉆孔順序為先轉奇數孔,注漿后再鉆偶數孔。 2)在樹根樁頂部沿二層樓基礎施作厚0.8ｍ、寬1.0ｍ的Ｃ20混凝土縱梁(東西向)。為了保證樹根樁與既有二層樓條基連接形成整體擴大基礎,決定對樓房基礎采取植筋技術,沿南北向植入Φ22鋼筋,間距100ｍｍ,上下兩排,并與混凝土縱梁中鋼筋連接以形成整體受力結構(見圖4)。 3)樹根樁內注入水泥漿,水灰比為(0.6∶1)～(0.4∶1),漿液先稀后稠,根據注漿量和注漿壓力調整水灰比。注漿時為保證漿液擴散效果,要求間隔注漿,同時采取反向注漿措施,即用與鋼管樁同等長度的ＰＶＣ管插入樁底,使漿液從底部向上升起,利用漿液水頭壓力達到止漿目的。3.2 其他加固措施 1)風道開挖嚴格按設計步序開挖,縮短開挖支護循環時間,及時封閉仰拱,嚴格遵守“管超前,嚴注漿,緊支護,快封閉,勤量測”的原則。 2)調整超前支護參數,即加密原設計超前導管,環向間距由0.3ｍ改為0.2ｍ,每根管長1.5ｍ,每榀格柵施作一環,注現場調配的改性水玻璃加固砂層,控制超挖和坍塌。 3)及時對初支背后空洞進行填充回填注漿,保證初支背后密實,減少因土體損失而造成的沉降。4 實施效果 施工過程中的監控量測顯示,設于拱頂正上方地表監控量測點最大累計沉降值為48.55ｍｍ,隨各部開挖地表沉降狀況見圖5;而設于樓房北側墻體上的監控量測點的最大累計沉降值為2.56ｍｍ(含測量誤差),遠小于理論計算值19.0ｍｍ,樓房處于穩定狀態,且墻體沒有裂紋現象發生。說明通過樹根樁的施作,有效地阻止了不均勻沉降槽向樓房基礎范圍內的發展,達到了控制樓房不均勻沉降的目的,保證了樓房的使用安全。同時通過開挖揭示,靠樓房側開挖斷面邊墻位置土體內可見漿脈發育,地層得到了有效加固,保證了開挖安全。5 結語 1)通過地表樹根樁的施作,具有加固范圍大、施工方便、經濟實用的特點。一方面通過注漿加固了樓房基礎土體,提高了基礎土體的整體穩定性;另一方面通過向樓房基礎內的植筋,使樓房基礎與樹根樁、縱梁形成了有效的擴大基礎,對控制樓房沉降起到很好的作用,同時通過樹根樁自身的剛度,有效地阻止樓房基礎下土體受開挖擾動所產生的傾覆變形,切斷了沉降槽向樓房基礎范圍內的發展。 2)通過采取此方法對樓房區域地層進行加固處理,有效地控制了樓房的沉降變形,實現了軟弱地層中,淺埋暗挖大斷面隧道成功通過樓房區,為地鐵后續施工順利進行和保證樓房安全創造了有利條件,為類似工程施工提供了借鑒。
