地鐵隧道穿越淺基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測及應(yīng)用

成詞峰，陳建平，2

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢 430074)

地鐵隧道穿越淺基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測及應(yīng)用

成詞峰1，陳建平1，2

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢 430074)

結(jié)合武漢地鐵2號線某區(qū)間隧道工程實際，采用經(jīng)驗法、解析法和數(shù)值模擬法預(yù)測隧道施工引起的地表沉降。結(jié)果表明，如不采取超前加固措施時，臨近建筑物基礎(chǔ)的局部傾斜和總沉降量可能超過規(guī)范和設(shè)計要求;而采取超前小導管注漿加固地層、臺階法開挖、強支護及左右洞開挖的協(xié)調(diào)等綜合措施后，建筑基礎(chǔ)和地表沉降均在規(guī)范和設(shè)計的允許值內(nèi)。

地鐵隧道 淺基礎(chǔ) 沉降預(yù)測 礦山法 位移監(jiān)測

由于影響地鐵選線因素的復雜性，城市地鐵隧道不可避免地穿越某些建筑物。地鐵隧道施工會對巖土體產(chǎn)生擾動并引起地層變形，當變形達到一定程度時，將影響到地面建筑物的安全［1］。淺基礎(chǔ)的砌體結(jié)構(gòu)建筑對不均勻沉降敏感，地基變形允許值較小。當?shù)罔F隧道穿越這類建筑時，如果施工控制不當，可能引起建筑的沉降、傾斜甚至是開裂，嚴重時還將影響到相關(guān)人員的生命財產(chǎn)安全，尤其是在城市鬧市區(qū)，如果出現(xiàn)這類問題，將產(chǎn)生非常惡劣的社會影響。為了有效地預(yù)防和減少地鐵隧道施工引起的建筑物不均勻沉降和變形過大，有必要對具體工程地質(zhì)條件下的地表沉降作出可靠預(yù)測。

本文結(jié)合武漢地鐵2號線某區(qū)間隧道礦山法施工穿越淺基礎(chǔ)建筑群的工程實例，采用經(jīng)驗公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法對相應(yīng)的地表沉降進行分析，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢地鐵2號線某區(qū)間隧道采用礦山法施工，隧道在DK23+850—DK24+065處，穿越7層住宅樓2棟，2層商鋪數(shù)棟，經(jīng)調(diào)查這些建筑為磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。此段隧道埋深約11.6～12.5 m，洞間距13.0 m，洞身主要位于中風化泥巖中，拱部位于強風化泥巖中。此段隧道與地面建筑關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與地面建筑位置平面示意

1.2 工程地質(zhì)

該段地表至隧道底部以下的地層依次為：①雜填土(Qml4)：色雜，主要由黏土、磚塊等物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚0.9～4.2 m。②粉質(zhì)黏土(Qal+pl2)：黃褐色，結(jié)構(gòu)緊密，可塑～硬塑狀，層厚3.0～9.2 m。③泥巖(S2f)：灰色，風化后呈灰黃色，微風化狀態(tài)下堅硬、完整，厚度＞11.7 m。其中，強風化泥巖呈土狀，少量呈碎塊狀;中風化泥巖裂隙較發(fā)育。此段工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面(單位：m)

1.3 水文地質(zhì)

本區(qū)段地下水主要為孔隙水和巖層裂隙水?？紫端话阗x存于雜填土層中，埋深為0.5～1.5 m，地下水位不連續(xù)，無統(tǒng)一的自由水面。裂隙水主要賦存于基巖中，粉質(zhì)黏土為相對隔水層。

2 沉降預(yù)測

在城市中修建地鐵隧道穿越地面建筑時，準確預(yù)測隧道開挖引起的地表沉降非常重要，目前主要的預(yù)測方法有經(jīng)驗公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法等［2］。

2.1 經(jīng)驗公式法

研究隧道開挖引起的地表沉降最常用的經(jīng)驗公式是Peck教授1969年提出的［3］。Peck在大量實測資料的基礎(chǔ)上，指出隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為正態(tài)分布曲線(如圖3所示)，并提出了如下所示的Peck公式

圖3 地表沉降橫向示意

式中 S(x)——距離隧道中心x處的地表沉降(m);

Smax——隧道中心線上的地表沉降(m);

i——地表沉降槽寬度(m);

Vs——單位長度地層損失量(m3);

Vl——地層損失率;

D——隧道等效直徑(m)。根據(jù) O’Reilly、New 和 Attewell［4-5］的研究

式中 K——沉降槽寬度參數(shù)，主要取決于土體性質(zhì);

Z0——隧道軸線到地面的垂直距離(m);

H——隧道覆土厚度(m)，取12 m;

R——隧道等效半徑(m)，取3.41 m;

φ——上覆土體平均內(nèi)摩擦角，取18°。

Clough 和 Schmidt［6］給出了 Vs的表達式

式中 V0——隧道單位長度的理論體積(m3);

Cu——土的不排水抗剪強度(kPa);

Eu——土的彈性模量(kPa);

γ——土體重度(kN/m3);

P——開挖面支護壓力(kPa)。

劉建航和侯學淵［7］、韓煊［8］等經(jīng)過研究認為 Peck公式仍然適用于我國隧道施工地面變形的計算，并提出類似本地質(zhì)條件下的K取值為0.5～0.8，正常施工地層損失率在0.22%～3.00%。

2.2 理論解析法

LOGANATHAN 和 POULOS［9］基于鏡像法原理，結(jié)合等效土體損失參數(shù)，采用彈性半平面解法得到了隧道施工引起的土體垂直位移計算公式為

式中 x——計算點距隧道軸線的水平距離(m);

z——計算點距隧道軸線的垂直距離(m)，向下為正;

h——隧道頂至地面的距離(m);

?愛新覺羅·弘歷:《寄暢園雜詠》，裴大中、倪咸生修，秦緗業(yè)等纂:《光緒無錫金匱縣志》，《中國地方志集成·江蘇府縣志輯》第24冊，第27頁。

εs——地層損失率;

g——等效土體損失參數(shù)，可通過下式計算［10］：

2.3 數(shù)值模擬法

2.3.1 建立計算模型

采用荷蘭Plaxis 3D Tunnel有限元軟件，上邊界至地面，側(cè)邊界取5倍洞徑，縱向取40 m。側(cè)面約束水平位移，底面約束垂直位移，地表為自由面。地面建筑簡化為30 m×10 m矩形，受均布荷載200 kPa的十字交叉的條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬2 m，埋深2 m，基礎(chǔ)橫向間距6 m，縱向間距4 m。三維有限元計算模型共劃分為5 798個單元，模型及網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 計算模型及網(wǎng)格劃分

2.3.2 計算參數(shù)選取

本場地水文地質(zhì)較簡單，隧道頂部粉質(zhì)黏土為相對隔水層，研究地表沉降時采用土體的不排水抗剪強度。受前期勘察條件限制，室內(nèi)試驗所取得的巖塊彈性模量難以代表不同風化程度巖體的實際彈性模量，王亮清、唐輝明等［11］通過研究認為巖體的的彈性模量Es和巖塊的彈性模量Er與巖體的完整性系數(shù)Kv的關(guān)系為Es=KvEr，結(jié)合巖土工程勘察報告，確定巖土體物理力學參數(shù)見表1。

初期支護由噴混凝土+格柵鋼架+鋼筋網(wǎng)噴混凝土組成，初期支護結(jié)構(gòu)等效彈性模量E=2.5×104MPa，泊松比 μ =0.17，厚度 h=0.40 m。

表1 各巖土層的物理力學參數(shù)

2.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

模擬施工過程為：臺階法開挖，上下臺階間距5 m。先開挖左線隧道，循環(huán)進尺1 m，開挖一進尺后立即進行初期支護，左右線掌子面間距20 m。數(shù)值模擬地表沉降如圖5、圖6所示。

雙隧道施工引起的地表沉降為單個隧道沉降量的疊加值［12］。在上述隧道支護條件下，經(jīng)驗法、解析法和數(shù)值模擬計算的地表沉降量見表2。

圖5 隧道穿越建筑前的位移

圖6 隧道穿越建筑后的位移

表2 地表沉降計算結(jié)果 mm

2.4 建筑物地基變形分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［13］，對于砌體承重結(jié)構(gòu)以局部傾斜為控制指標，地基是中低壓縮性土的傾斜標準為0.002。本段地鐵施工地表及建筑沉降設(shè)計允許值為30 mm。此建筑已建成多年，地基土按中壓縮性土考慮，據(jù)表2各計算方法得出的沉降量均超過30 mm，局部傾斜超過0.002，為了保證建筑物的安全，需增強隧道支護，改進施工工藝。

3 工程實施

3.1 施工技術(shù)參數(shù)

為了保證地面建筑的安全穩(wěn)定，采用臺階法短進尺開挖，雙層小導管加強預(yù)支護，以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土及鋼格柵架為初期支護，模筑鋼筋混凝土為二次襯砌，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測指導設(shè)計和施工。具體參數(shù)如下：①超前注漿小導管：φ42 mm無縫鋼管，壁厚3.5 mm，長度3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，雙層設(shè)于拱部150°范圍內(nèi)，外插角15°，注漿壓力達到1.0 MPa且注漿量也達到設(shè)計時停止注漿;②錨桿：φ22 mm水泥藥卷錨桿，孔徑φ42 mm，錨桿長3 m，環(huán)縱間距1 m×1 m錯開布置，錨桿尾端與鋼架焊接牢固;③鋼筋網(wǎng)：雙層鋼筋網(wǎng)，采用 φ8 mm鋼筋構(gòu)成150 mm×150 mm網(wǎng)格，噴混凝土保護層不小于20 mm。格柵鋼架：間距0.5 m，用φ22 mm鋼筋焊接而成;④噴混凝土：C25早強混凝土，厚300 mm，抗?jié)B等級 S6;⑤采用微振控制爆破技術(shù)，質(zhì)點振動速度不宜大于2.0 cm/s;⑥下臺階開挖支護落后上臺階掌子面5 m;仰拱支護落后下臺階開挖支護工作面5 m;仰拱及填充混凝土落后仰拱開挖支護工作面6 m;二次襯砌落后仰拱及填充混凝土15 m，二次襯砌距開挖掌子面距離≤35 m;左右線開挖面相距＞10 m。隧道橫斷面如圖7所示。

圖7 隧道橫斷面尺寸(單位：mm)

3.2 實測沉降數(shù)據(jù)分析

隧道施工過程中對地面建筑基礎(chǔ)及地表沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測點平面布置圖見圖1。實測7層住宅建筑基礎(chǔ)沉降見圖8，實測2層商鋪建筑基礎(chǔ)沉降見圖9，實測地表沉降見圖10。

圖8 7層建筑基礎(chǔ)沉降

圖9 2層建筑基礎(chǔ)沉降

圖10 地表沉降變化

從圖8、圖9可以看出，前期建筑基礎(chǔ)局部有所隆起，這主要是由于洞內(nèi)注漿抬升地層的結(jié)果［14］，2層建筑比7層建筑具有更小的抗抬升壓力，因此產(chǎn)生更大的隆起。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，建筑基礎(chǔ)局部傾斜小于0.002，地表和基礎(chǔ)累計沉降量小于30 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)用經(jīng)驗公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法計算的地表沉降量基本吻合，均表明不采取加固地層的方案會引起地表建筑的局部傾斜和沉降量超過規(guī)范和設(shè)計允許值，需要改進施工技術(shù)參數(shù);

2)在該工程地質(zhì)條件下，采取超前小導管注漿加固巖土體，短進尺強支護的方法可有效降低隧道施工引起的地表沉降，但須做好注漿控制工作，防止產(chǎn)生過大的地表隆起;

3)在城市隧道施工中，對地面建筑關(guān)鍵部位加強位移監(jiān)測，采用信息化施工方法，是地面建筑及隧道安全的基本保證;

4)采用多種計算方法綜合預(yù)測隧道施工引起的地表沉降，能為改進施工參數(shù)提供合理依據(jù)，為優(yōu)化施工方案提供參考;

5)目前，左右線已順利穿越此段地面建筑，根據(jù)三種計算方法預(yù)測的結(jié)論，在施工中采取了超前加固巖土體的措施，經(jīng)長期監(jiān)測地面建筑和地表沉降均在規(guī)范和設(shè)計允許值之內(nèi)，地面建筑處于安全狀態(tài)。

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U456.3

B

1003-1995(2011)03-0056-05

2010-09-15;

2010-12-30

成詞峰(1984— )，男，陜西安康人，碩士研究生。

(責任審編 王天威)