软土地区大直径盾构下穿建筑物注浆方案优化

JournalofBeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture

北京建筑大学学报

Vol.31No.2Jun.2015

文章编号:1004-6011(2015)02-0029-05

软土地区大直径盾构下穿建筑物注浆方案优化

杨宏泰, 张怀静

(北京建筑大学土木与交通工程学院,北京 100044)

摘 要:依托京津城际延伸线天津至于家堡工程解放路隧道盾构区间下穿东顺旅馆施工,采用三维有限差分软件FLAC3D对盾构下穿建筑物进行数值模拟,结合现场监测数据,分析建筑物注浆加固效果.为了确保盾构安全下穿建筑物,提出3种不同的加固方案,并采用FLAC3D进行数值模拟分析.研究结果表明:优化后的注浆方案可以保证盾构安全下穿建筑物.关键词:盾构;下穿;注浆加固;现场监测;FLAC3D中图分类号:TU472.4

文献标志码:A

GroutingSchemeOptimizationofLargeDiameterShieldTunnelingUndercrossingtheBuildingintheSoftArea

(SchoolofCivilandTrafficEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044)

YangHongtai, ZhangHuaijing

Abstract:RelyingonBeijingTianjinIntercitylineextensionproject,usingthethreedimensionalfinitefieldmonitoringdata,thegroutingreinforcementeffectofbuildingsisanalysed.InordertoensuretheandFLAC3Disusedtodonumericalsimulationanalysis.Theresearchresultsshowthatthegroutingschemeafteroptimizationcanensuresafeshieldtunnelingundercrossingthebuildings. 随着城市轨道交通的发展,受既有建筑物、地质条件的限制,新建隧道下穿建筑物的情况越来越多.虽然盾构施工有地层适应能力好、地层变形小等优点,但在盾构直径大、软土地质条件等不利施工情况下,仍会造成较大的地层变形,进而引起建筑物的沉降,尤其是砌体建筑物受不均匀沉降影响更大,需要有针对性地采取加固措施.

已有对盾构下穿砌体结构的多方面研究,认为砌体建筑物的基础及上部结构刚度较低,最大沉降值发生在盾构正上方,整体沉降分布类似于正态分布,应采取针对性的加固措施.

收稿日期:2015-01-23

differencesoftwareFLAC3Dtocarryonnumericalsimulationofshieldthroughbuilding,combinedwithshieldcrossingbeneaththebuildingsafely,threekindsofdifferentreinforcementschemeareputforward,Keywords:shieldtunnel;undercrossing;groutingreinforcement;in-sitemeasurement;FLAC3D

本文结合京津城际延伸线天津至于家堡工程解放路隧道盾构区间下穿东顺旅馆施工,使用FLAC3D软件,对软土地区大直径盾构下穿砌体建筑物进行数值模拟,并与现场监测数据进行对比、分析优化建筑物基础加固方案.

1 工程概况

津城际延伸线天津至于家堡工程解放路隧道盾构区间长度为2248.5m,盾构区间以粉质黏土、淤泥质黏土为主.图1为隧道与建筑物位置关系平面示意图.

作者简介:杨宏泰(1989—),男,硕士研究生,研究方向:岩土工程.

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下穿建筑物的剖面示意图.

2 数值模拟及优化注浆加固方

2.1 数值模拟

本文采用三维有限差分软件———FLAC3D.假设

盾构施工过程及隧道周边土体、隧道埋深等参数不变.通过改变土体注浆加固范围等参数,研究盾构下穿对建筑物影响及优化加固方案.

根据施工图纸及现场情况,参考既有的计算经

图1 隧道与建筑物位置关系平面示意图

东顺旅馆始建于20世纪70年代,结构形式为砌体结构,高为两层约10m,建筑基础资料不详,推测为柱下独立基础,建筑物长60.1m、宽22.5m,与隧道轴向成约60°夹角.盾构下穿段,隧道结构顶部埋深为14.048m.隧道外径11.6m,内径10.6m,每片管片宽度为1.5m,厚度为0.5m.图2为盾构

验,取左右边界为隧道外径的4倍,即52.2m.隧道底部取隧道外径的3倍,即34.8m.最后,整个计算模型宽104.4m,高60.6m,纵向长度132m,即88环.计算采用摩尔-库伦模型模拟施工过程,模型共有单元体371040个,模型如图3所示.

图3 数值模拟模型

根据地勘报告,盾构下穿东顺旅馆计算所采用

图2 盾构下穿建筑物剖面示意图

的地层参数见表1.

表1 数值模拟土层参数

种类杂填土粉质黏土淤泥质黏土管片注浆土体

厚度/m38181

重度γ/(kN·m-3)

18.41919.82521

内摩擦角ψ/(°)

26221845

黏聚力C/kPa

19.526.53040

弹性模量Es/MPa

2.85.53.634500300

泊松比μ0.30.30.30.20.3

东顺旅馆建筑物完损等级低于一般损坏房,沉降控制值为+10mm至-30mm,再允许差异沉降值为10mm.图4为建筑物监测点布置示意图.其中9、20C-10,横断面B-B＇包括监测点20C-1、20C-2、20C-3、20C-4、20C-5.

2.2 无注浆加固情况盾构下穿建筑物

为了有针对性地提出有效的加固方案,需要掌横断面A-A＇包括监测点20C-6、20C-7、20C-8、20C-

握盾构下穿东顺旅馆所引起的建筑物沉降的规律.建立无加固地基情况的数值模拟模型,进行数值模拟.根据数值模拟结果,整理得出在无注浆加固的情况盾构下穿东顺旅馆各监测点的沉降规律.图5为无注浆情况监测点随盾构推进沉降曲线图.从数值模拟监测点沉降曲线来看,随着监测点距隧道轴线的距离逐减小,监测点的沉降逐渐增大,形成沉降槽.在盾构刀盘距监测点20C-8监测点25m时,建

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图4 建筑物监测点布置示意图

图5 无注浆情况监测点随盾构推进沉降曲线

筑物开始出现沉降.随着盾构的继续推进,各监测点都开始发生沉降.当盾构刀盘通过监测点20C-8后15m,位于隧道轴线正上方的监测点20C-8沉降最大值已经达到了-74.89mm.随着盾构的继续推20C-7、20C-8、20C-9进,同时靠近隧道的监测点20C-2、20C-3、20C-4、

累计沉降值都超过了都已经发生了比较大的沉降30mm的累计沉降控制值.在,盾构通过50m时,各监测点的沉降已经趋于稳定.由此可见,在不对建筑物进行注浆加固的情况下,盾构不能安全下穿此建筑物.图6为建筑物无加固情况下的差异沉降.

图6 无注浆情况建筑物差异沉降曲线

2.3 注浆加固方案

为有效控制建筑物沉降,在盾构机到达前一个月对建筑物地基采用袖阀管注浆方式加固.注浆孔开孔110mm,采用Φ50mmPVC袖阀管,布设三排注浆孔,排距0.5m,孔距0.75m,注浆孔与地面夹角为45°.袖阀管孔位呈梅花形布置,袖阀管长度分别为15m,16m,17m.在建筑物前后3m、10m位置垂直于隧道纵向方向区域内进行注浆加固,图7为建筑物注浆范围示意图.注浆材料为P.O.43.5普通水泥,水灰比为1：1.注浆流量取18L/min,注浆压

力值为0.8~1.2MPa.

图7 建筑物注浆范围示意图

2.4 优化注浆加固方案

根据无注浆加固情况下通过数值模拟所得到的沉降数据,针对靠近隧道轴线位置的监测点累计沉降值大、横断面A-A＇、横断面B-B＇差异沉降大的情况,针对性地对沉降较大的区域进行重点加固,主要提出增加注浆深度和扩大注浆范围两个注浆加固方案.本文对现场注浆方案提出如下3种优化方案并进行数值模拟分析.方案1:在现场注浆加固其他参数不改变的情况下,将注浆加固深度延伸至隧顶.方案2:在现场注浆加固其他参数不改变的情况下,将注浆加固深度延伸至隧道底部以下4m.方案3:在方案1的基础上,在隧道轴线左右各10m范围内沿隧道纵向扩大10m注浆范围,如图8.

依据三种注浆加固方案进行数值模拟后,得到各监测点的累计沉降数据,如图9、图10、图11所示.

经过数值模拟获得三种注浆加固方案监测点沉降数据-23.88.mm,方案同时距离隧道轴线较近监测点1累计最大沉降值为监测点20C-320C-2、

的

20C-3相比较其他监测点累计沉降值依然较大.方

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图8 方案3注浆范围示意图

图9 方案1监测点随盾构推进沉降曲线

图10 方案2监测点随盾构推进沉降曲线

图11 方案3监测点随盾构推进沉降曲线

案2累计最大沉降值为监测点20C-8的-9.41mm,同时在无注浆和方案1中累计沉降值较大的监测

点,在方案2中相比较其他监测点已无明显差距.方案mm.3累计最大沉降值为监测点20C-8的-6.09要求,3即累计沉降值小于种注浆方案同时满足建筑物累计沉降控制值30mm.通过对比不进行注浆加固的建筑物沉降,可以看出在盾构下穿建筑物时,采用袖阀管注浆加固建筑物地基的方法可以明显降低建筑物的沉降.同时通过对比注浆方案1、方案2可知:在盾构下穿建筑物时,将建筑物地基注浆加固深度延伸至隧道底部以下可以有效控制建筑物沉降.

20C-8图12、图13是方案2、方案3中刀盘距监测点

过对比可以看出不同距离情况下,方案,2建筑物的差异沉降曲线最大差异沉降发生在盾构.通刀盘通过建筑物监测点20C-8后60m,差异沉降值为11.30mm,方案3最大差异沉降发生在盾构刀盘8.通过建筑物监测点92mm.方案3对建筑物差异沉降控制更好20C-8后15m,差异沉降值为

.图12 方案2差异沉降曲线

图13 方案3差异沉降曲线

3 现场监测

盾构于2013年10月~11月穿越东顺旅馆,盾构机于10月26日开始下穿建筑物.对建筑物各监测点累计沉降数据进行整理,盾构推进过程中各监

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5.测点3mm,最大最大沉降值为监测点隆起值为监测点20C-10所检测到的-32mm,已经超过了建筑物沉降控制值20C-8所监测-30到mm.

的同时监测点20C-3也已经超过控制值,沉降值达到了-26.9mm.监测点的累计沉降值20C-3、20C-8分别于11月28日、11月23日超过-25mm的沉降控制值.图14为随着盾构推进建筑物各监测点的沉降曲线图.

图14 监测点随盾构推进沉降曲线

从图15、图16可以看出,横断面A-A＇的五组监测点、横断面B-B＇的五组监测点都有较大的差异沉降.其沉降槽类似于Peck公式所得出正态分布的形式.结合图14的累计沉降曲线,盾构下穿造成的建筑物累计沉降值、差异沉降值均已经超过控制值,所采取的注浆加固方案未能起到有效的加固作用.

图15 刀盘距20C-8不同距离A-A＇面沉降曲线

图16 刀盘距20C-8不同距离B-B＇面沉降曲线

在盾构通过监测点20C-8以后30m,建筑物的差异沉降超过10mm,建筑物差异沉降如图17.各20C-8监测点与同20C-10一时间之间的的差异34.沉9降mm.

的最大值为监测点

图17 建筑差异沉降

4 结论

本文结合津城际延伸线天津至于家堡盾构区间下穿东顺旅馆工程,采用现场监测与数值模拟相结合的方法,分析了盾构下穿及相应注浆加固措施对建筑物的影响,得出以下结论顺旅馆过程中1)在没有任何加固措施的情况下:

,无论累计沉降还是差异沉降都不符,盾构下穿东

合建筑物安全控制值.故在无加固措施下,盾构不能安全下穿东顺旅馆他注浆参数不变的情况下2)通过数值模拟方法对比.

,增加注浆深度3种注浆方案、扩大注浆,在其

范围可以提高注浆对建筑物地基的加固效果,减小累计沉降值和差异沉降值的方案3),根据数值模拟结果.

可以保证盾构安全下穿建筑物,注浆方案3.是可以采用

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