【2019年整理】门式搅拌加固在盾构隧道保护中的应用

摘要：随着城市建设的发展，市政工程与轨道交通工程近距离施工、相互影响的情况越来越普遍，出现了基坑工程骑跨于已建地铁区间隧道之上这一新问题。

由于基坑的开挖会引起坑内土体的回弹，从而引起地铁区间隧道的上抬变形，如何有效控制坑底隆起、隧道上浮将成为基坑施工控制的难点。

本文以杭州市某基坑工程为例，分别用三维弹塑性有限元方法，分析了在软土地层中采用门式搅拌注浆加固对基坑下方已建盾构隧道的理论保护效果，得到基坑开挖过程中盾构隧道的变形规律，为同类工程提供参考。

关键字：门式搅拌加固、盾构隧道、有限元分析
1．工程概述
杭州市某车行地通道采用“双孔+中间管廊”的矩形断面，明挖法施工。

地通道基坑与已建的地铁盾构隧道立体相交，基坑工程安全等级与控制变形等级均为一级。

基坑宽约，开挖深度为~，其中上跨地铁段基坑挖深约，坑底与地铁盾构区间隧道衬砌顶部净距。

盾构区间隧道内径，衬砌采用“直线环＋转弯环”进行错缝拼装，壁厚350mm，环宽。

车行地通道与地铁区间隧道平面、立面关系见图1、2所示。

~
盾构隧道由管片拼装而成，接缝多，整体抗变形能力较差。

软土地区基坑开挖卸荷，极易造成基坑底土体回弹隆起，基坑下方盾构隧道上浮。

隧道保护要求变形控制在15mm以内，如何确保基坑开挖过程中地铁隧道安全是本基坑工程的关键点之一。

2．水文地质条件
地质条件
本工程位于杭州东北部冲海积平原区，第四纪覆盖层厚度为 40m。

上部主要为钱塘江近代冲积、沉积的粉、砂性土，下部为陆～海相沉积地层。

下伏基岩为白垩系下统朝川组层含砾砂岩、砂砾岩。

基坑开挖范围内土体基本以填土、钱塘江冲积的粉土、粉砂为主，呈稍密～中密为主，基坑坑底所处地层为砂质粉土层。

水文条件
场地地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。

地下水静止水位埋深一般在～之间，平均潜水位高程，地下水流速较小。

基岩裂隙水主要赋存于强风化、中风化基岩中，水量主要受构造和节理裂隙控制，水量不大。

物理力学参数
门式加固区域主要位于砂质粉土、粉砂层中，分析采用的岩土体与结构物的物理力学参数见表1。

3．隧道洞周门式加固措施
]
盾构隧道竖向变形主要由基坑开挖后的基坑回弹、隧道整体上浮、衬砌结构的弹性变形等三个方面组成。

在小位移变形的条件下，假设隧道变形与土层位移基本一致，应用残余应力原理，用开挖卸荷引起的土体位移来计算区间隧道的上抬位移。

在基底未加固的情况下，当开挖深度H=时，盾构隧道位于残余应力的影响深度（hr＝）范围内，基坑底回弹量为，隧道由于土体回弹而产生的上抬位移为，计算过程见下表。

以上理论计算结果表明，基底下土体未经加固时，基坑开挖导致回弹变形过大，盾构隧道变形对轨道变形控制极为不利，因此，本工程拟采用门式搅拌加固，基坑分层分块开挖，以控制隧道上抬位移，加固范围见下图。

4．三维有限元分析
模型的建立
运用有限元软件MIDAS GTS建立三维模型，采用MIDAS的板单元模拟盾构隧道衬砌结构和基坑维护结构，土体用实体单元来模拟，模型长105m，宽60m，高45m。

区间隧道结构长度60m，盾构外径D＝，管片壁厚，地面超载20kPa。

基坑开挖三维有限元分析
按“第一步开挖---第一道支撑---第二步开挖---第二道支撑---浇筑垫层、底板---拆撑---浇筑侧墙、顶板”的施工顺序，全过程模拟基坑开挖对下方盾构隧道的影响，并分别按无地层加固、门式搅拌加
固两种情况进行分析比较。

坑内加固土体分为弱加固和强加固两种。

弱加固范围为坑内3m深度范围土体，其水泥掺量为10%，无侧限抗压强度qu>，其弹性模量取38MPa；其余范围为强加固，其水泥掺量为20%，无侧限抗压强度qu>，其弹性模量取125MPa。

|
图7～图12给出了门式搅拌加固地层时，分段分层开挖基坑后的竖向变形情况。

从图中可以看出，区间隧道的变形量随着开挖而增大，基坑开挖到坑底，施作第二道支撑时，隧道变形值达到了最大值，达。

加固前后盾构隧道变形情况分析
通过对比加固前后的基坑竖向位移、盾构隧道上浮量，可见坑内土体门式搅拌加固对盾构隧道的位移有较大限制作用，盾构隧道的隆起量最大值由减小到，满足盾构隧道变形控制标准的要求。

5．结论
通过理论分析和数值软件计算，基坑采用门式搅拌加固对地铁区间隧道的保护是切实可行的，可以满足地铁隧道变形限值的要求。

经对数值计算结果的分析研究，得出以下结论：
1、无加固条件下基坑开挖，对区间结构安全影响甚大，而对基坑内土体采用水泥土搅拌桩门式加固，可以大幅减小基坑开挖带来的隧道变形。

2、利用土体卸载的时空效应，采用抽条开挖可以减小维护结构、下方盾构隧道的变形。

`
3、基底回弹、盾构隧道上浮变形在垫层、结构底板施作完成后继续发展，在拆除第二道支撑时达到最大值。