雙線暗挖隧道沿線建筑物墻體開裂分析

劉紀(jì)峰,陳福星,張會芝

(1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院,福建 三明 365004；2.密歇根州立大學(xué) 工程學(xué)院，美國 密歇根 48823)

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雙線暗挖隧道沿線建筑物墻體開裂分析

劉紀(jì)峰1,2,陳福星1,張會芝1

(1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院,福建 三明 365004；2.密歇根州立大學(xué) 工程學(xué)院，美國 密歇根 48823)

為探究某近距離雙線隧道穿越沿線磚混結(jié)構(gòu)建筑物引起墻體開裂的原因，基于工程實(shí)際，選取一幢3層毛石基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)的典型建筑，對雙線暗挖隧道引起的建筑物局部傾斜進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論分析，并在隧道施工完成后對建筑物進(jìn)行了檢測鑒定。鑒定結(jié)果表明：數(shù)值模擬得出的局部傾斜為0.002 13～0.002 33，理論計(jì)算得出的局部傾斜為0.002 05～0.002 14，兩者均超過規(guī)范規(guī)定的限制；建筑物墻體最大裂縫寬度為1.23 mm；部分測點(diǎn)的頂點(diǎn)位移值已超出結(jié)構(gòu)側(cè)向位移限值，傾斜方向具有傾向隧道一側(cè)的明顯一致性；觀測最大日均沉降速率為0.06 mm/d，大于穩(wěn)定限值0.04 mm/d。近距離雙線隧道下穿引起的建筑物局部傾斜和頂點(diǎn)位移超限是造成沿線建筑物沉降開裂的誘因。

雙線暗挖隧道；沿線建筑物；墻體開裂；數(shù)值模擬分析；理論計(jì)算

0 引言

淺埋暗挖法是地下隧道施工的方法之一，該方法自1986年在北京地鐵復(fù)興門車站折返線采用以來，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并被總結(jié)為“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”18字方針[1]。通過18字方針的運(yùn)用，一些下穿建(構(gòu))筑物的暗挖隧道得以順利施工，并取得了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)[2-4]。但也應(yīng)該認(rèn)識到，暗挖地下隧道不可避免地對圍巖產(chǎn)生不同程度的擾動或破壞，造成圍巖移動與變形，加上實(shí)際施工中存在的諸如暗挖隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不明確、施工過程中對地質(zhì)情況了解不全面、施工方法不當(dāng)?shù)纫蛩兀苋菀自斐傻孛娉料?、隧道涌水、周邊?構(gòu))筑物損害等工程事故[5-9]。

某鐵路隧道下穿城區(qū)3～5層的磚混結(jié)構(gòu)建筑物群，建造時間為8～17年，毛石基礎(chǔ)，240 mm承重磚墻。隧道為雙線隧道，全長為1 586 m，埋深20～32 m，開挖直徑為10.4 m，線間距為4.0～4.4 m。該隧道采用“交叉中隔壁工法”(簡稱CRD，下同)施工，CRD工法分為4步開挖，每步都獨(dú)立成環(huán)，嚴(yán)格遵循隧道施工過程中“早封閉、早成環(huán)”的原則。該隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌，分為初支與二襯兩部分襯砌。鐵路隧道與建筑物關(guān)系見圖1，工程地質(zhì)情況見圖2。該區(qū)域地下水貧瘠，主要靠地表雨水補(bǔ)給。

圖1 雙線隧道和建筑物群位置關(guān)系

隧道施工初支與二襯部分完成后，沿線一些磚混結(jié)構(gòu)民用建筑物出現(xiàn)不同程度的傾斜、開裂，一度引起沿線居民對施工單位的訴訟。本著對沿線居民負(fù)責(zé)的態(tài)度，隧道施工單位委托第三方對沿線房屋傾斜開裂情況進(jìn)行了相關(guān)監(jiān)測。本文基于施工情況，結(jié)合數(shù)值模擬、理論計(jì)算和相關(guān)規(guī)范要求，探討暗挖隧道施工對沿線建筑物的影響，以期為類似工程提供參考，避免類似事故發(fā)生。

1 暗挖隧道對建筑物影響的數(shù)值模擬分析

1.1 建模原則與計(jì)算模型概述

數(shù)值分析采用美國FLAC3D軟件，該軟件基于有限差分法，是直接針對巖土工程的數(shù)值分析軟件。FLAC3D提供了適用于巖土特性的本構(gòu)模型，如摩爾-庫倫、劍橋、零模型模擬開挖、應(yīng)變軟化、砌體節(jié)理模型以及黏性模型和滲流模型等，以方便考慮巖土材料的可變性、復(fù)雜性、非均質(zhì)、不連續(xù)、大變形、大應(yīng)變、非線性和峰值后的強(qiáng)度特征，對不同介質(zhì)之間的不連續(xù)面可采用交界面模擬等方法。FLAC3D能較好地模擬隧道襯砌、錨桿和其他支護(hù)單元，因此，非常適合于隧道開挖等巖土工程問題[10-11]。

FLAC3D預(yù)計(jì)地表沉降時，將沉降視為力學(xué)過程，不僅能夠預(yù)計(jì)地表移動，而且可以給出地層的受力狀況，并能考慮各種施工因素的影響。本次數(shù)值建?？紤]了如下原則：

圖2 雙線隧道工程地質(zhì)圖

(Ⅰ)采用三維數(shù)值模型，考慮隧道開挖的施工過程影響，便于分析由于施工過程引起地表移動的時空效應(yīng)問題。

(Ⅱ)土層厚度、土層力學(xué)參數(shù)等按照勘察報告提交的參數(shù)進(jìn)行選取，人工填土彈性模量為2.5 MPa，泊松比為0.34；粉質(zhì)黏土彈性模量為5.2 MPa，泊松比為0.36；卵石彈性模量為25 MPa，泊松比為0.32，其余參數(shù)見圖2。

(Ⅲ)考慮CRD動態(tài)施工過程的初支與二襯兩部分襯砌對圍巖的加固作用，襯砌和圍巖共同承載。

模型尺寸為80 m×60 m×50 m(長×寬×高)，三維網(wǎng)格模型如圖3所示。模型大小足以考慮空間效應(yīng)、CRD工法開挖、初支和二襯、邊界效應(yīng)等影響。模型共計(jì)54 796個單元，59 770個網(wǎng)格點(diǎn)。建筑物結(jié)構(gòu)荷載按每層15 kN/m2估算，按照荷載總質(zhì)量簡化為條形基礎(chǔ)下的均布豎向矩形荷載，通過基礎(chǔ)梁傳遞到地基的方式施加。由于地下水貧瘠，計(jì)算模型只考慮土體自身質(zhì)量，模型兩側(cè)外邊界側(cè)向土壓力采用靜止土壓力作為荷載邊界。模型兩側(cè)的位移邊界條件是約束水平移動，模型底部位移邊界為固定邊界，模型上邊界為自由邊界，巖土體的材料模型采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則。隧道的管片為鋼筋混凝土初支和二襯，采用彈性本構(gòu)模型模擬，初支厚度為20 cm，二襯厚度為40 cm，襯砌彈性模型取2.1×104MPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，單元模型采用殼體實(shí)體單元。建筑物的基礎(chǔ)采用彈性本構(gòu)模型模擬。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，暗挖隧道下穿建筑物時引起的沉降值較大，近距離旁穿建筑物時引起的不均勻沉降較大，考慮到磚混結(jié)構(gòu)建筑對差異沉降更為敏感[2,10]，選7#房屋作為數(shù)值分析對象，其余暗挖隧道關(guān)系及沉降監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖4所示。該建筑物為3層帶有半地下室的磚混結(jié)構(gòu)，采用縱橫墻、混凝土柱梁混合承重，主要承重墻為240 mm厚實(shí)心磚墻；縱橫墻交界處及其受力較大位置設(shè)置構(gòu)造柱，門窗洞口基本對齊布置；采用現(xiàn)澆混凝土樓、屋蓋，每層設(shè)置圈梁；房屋采用毛石條形基礎(chǔ)，設(shè)置地圈梁。結(jié)構(gòu)布置基本合理，傳力線路明確。

圖3 隧道建模及開挖示意圖圖4 建筑物與隧道關(guān)系圖

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6和表1所示。由圖5可知：①CRD暗挖近距離雙線隧道引起的地層沉降在拱頂處最大，其值為65.0～75.6 mm，在地表的最大沉降量為30～40 mm。②隧道拱底出現(xiàn)隆起，最大隆起值為90～94 mm。③地表沉降符合沉降槽特征，即隨監(jiān)測點(diǎn)距隧道中心距離增加，地表沉降量減小，符合暗挖隧道地表沉降的一般規(guī)律。

由圖6和表1可知：CRD近距離雙線暗挖隧道引起建筑物附近地層的最大變形量為26.7 mm；建筑基礎(chǔ)各點(diǎn)的監(jiān)測沉降值靠近隧道一側(cè)為23.42～25.73 mm；另一側(cè)的沉降值為4.13～4.74 mm；建筑物差異沉降為19.15～20.99 mm。

圖5 測點(diǎn)1沉降監(jiān)測云圖(單位：mm)圖6 測點(diǎn)1位移矢量圖

2 暗挖隧道致地層沉降的理論計(jì)算分析

表1 各測點(diǎn)變形 mm

基于隧道開挖地層損失的概念，通過對大量暗挖隧道工程資料及地表沉降數(shù)據(jù)的分析，假設(shè)橫斷面上地面沉降曲線形狀與正態(tài)分布曲線相同，地面沉降槽的體積等于隧道施工中產(chǎn)生的地層損失體積，Peck于1969年提出簡便易用的預(yù)測暗挖隧道地層沉降的Peck公式[2]。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)對Peck公式進(jìn)行了相應(yīng)的修正,其中,文獻(xiàn)[12]提出了一個易于工程應(yīng)用的暗挖隧道地面沉降預(yù)測公式：

(1)

式中:s為地表某點(diǎn)的沉降值，m；Vl為隧道損失率，%；D為隧道直徑，m；K為沉降槽寬度參數(shù)，無黏性土可取0.2～0.3，硬黏土取0.4～0.5，軟土取0.7；z0為隧道埋深，m；x為地表某點(diǎn)距離隧道中心線的水平距離，m。雙線隧道引起的地表沉降值由單線隧道疊加得到。

取沉降槽寬度參數(shù)K=0.3，隧道埋深z0=20 m進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的工程統(tǒng)計(jì)，暗挖隧道損失率Vl=0.22%～6.90%。一般盾構(gòu)隧道偏小，淺埋暗挖隧道偏大，考慮到卵石層開挖，地層損失較難控制，取Vl=4.0%代入式(1)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，需要注意的是，由于理論計(jì)算難以考慮建筑荷載對隧道沉降的影響以及建筑物-基礎(chǔ)-地基的相互作用，式(1)計(jì)算的地表最大沉降量較數(shù)值模擬分析的值偏小，但兩者差別不大。由圖7可知：7#建筑物附近地層的最大變形量為26.3 mm;建筑基礎(chǔ)各點(diǎn)的監(jiān)測沉降值靠近隧道一側(cè)為21.73～23.11 mm;另一側(cè)的沉降值為3.75～4.69 mm;建筑物差異沉降為18.42～19.22 mm。

圖7 暗挖隧道地表沉降槽

3 隧道二襯完成后房屋開裂和檢測結(jié)果

隧道施工完成后，沿線磚混結(jié)構(gòu)民用建筑物出現(xiàn)不同程度的傾斜、開裂，居民反應(yīng)強(qiáng)烈。施工單位委托某建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，對沿線建筑進(jìn)行了變形監(jiān)測及結(jié)構(gòu)損傷技術(shù)鑒定。該工作持續(xù)時間為3個月，主要對房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查并繪圖，檢查房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和損傷情況，繪制裂縫分布示意圖，設(shè)置裂縫觀測點(diǎn)并對房屋進(jìn)行傾斜度觀測，布置沉降觀測點(diǎn)并進(jìn)行后期沉降觀測等。

觀測該房屋的部分裂縫示意圖如圖8所示。傾斜度觀測點(diǎn)和沉降觀測點(diǎn)設(shè)置在圖4的2、3位置處，相應(yīng)的測量結(jié)果見表2和表3。經(jīng)檢測鑒定，結(jié)合監(jiān)測成果，由圖8、表2和表3可得出如下結(jié)論：

(Ⅰ)部分墻體開裂，裂縫主要表現(xiàn)為墻體門窗洞口邊裂開、墻面抹灰層的龜裂及部分梁墻交界處裂開；其中，5片墻體縱橫墻連接處的通長豎向裂縫已構(gòu)成結(jié)構(gòu)損傷，檢測墻體最大裂縫寬度為1.23 mm，未超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[13]的裂縫寬度限制(5 mm)。部分房屋吊頂裂開，木柜與墻、板連接處出現(xiàn)開裂，觀測期間裂縫寬度未見明顯發(fā)展，裂縫數(shù)量未見明顯增多。

(Ⅱ)局部墻體與地面連接處開裂，一層門前臺階變形開裂、門口羅馬柱座變形。觀測期間未發(fā)現(xiàn)新近產(chǎn)生的隆起、下沉、開裂現(xiàn)象，但之前已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫有繼續(xù)擴(kuò)大跡象。

(Ⅲ)傾斜度觀測結(jié)果表明：該房屋部分測點(diǎn)的頂點(diǎn)位移值已超出《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移限值，且房屋觀測點(diǎn)傾斜方向具有明顯的一致性，表明現(xiàn)階段該房屋朝暗挖隧道一側(cè)整體傾斜。觀測期內(nèi)，各測點(diǎn)傾斜值未見明顯發(fā)展。

(Ⅳ)觀測期間房屋最大累計(jì)沉降量為1.6 mm，前期最大日均沉降速率為0.06 mm/d，大于穩(wěn)定限值(0.04 mm/d)；后期日均沉降速率小于0.04 mm/d，表明在沉降觀測期間內(nèi)的沉降變形已趨于穩(wěn)定。

圖8 建筑裂縫示意圖

表2 各測點(diǎn)變形結(jié)果

表3 沉降變形監(jiān)測結(jié)果 mm

4 建筑物墻體開裂的原因分析

沿線建筑物建造歷史為8～17年，本次模擬的建筑物建造歷史為10年，地基土為粉質(zhì)黏土和卵石，其固結(jié)沉降可視為已經(jīng)完成。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)第5.3.4條規(guī)定，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜限值為0.002；但是，規(guī)范限值是對新建建筑物而言的，對于地基固結(jié)沉降已經(jīng)完成的已建建筑物，其抵抗局部傾斜的能力應(yīng)該進(jìn)一步減弱，其局部傾斜限值應(yīng)該比規(guī)范限制更小。

按數(shù)值模擬結(jié)果，雙線隧道開挖引起的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)局部傾斜為0.002 13～0.002 33；按理論計(jì)算結(jié)果，隧道開挖引起的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)局部傾斜為0.002 05～0.002 14，兩者都超過了規(guī)范規(guī)定的限值。數(shù)值模擬和理論計(jì)算都是采用的比較理想的施工狀態(tài)，實(shí)際施工過程中，隧道是否超挖、初支和二襯是否及時施加、初支和二襯是否達(dá)到設(shè)計(jì)厚度等因素都會對地表最終沉降造成較大影響；此外，地質(zhì)勘查表明地下水貧瘠，在數(shù)值模擬和理論計(jì)算中都沒有考慮地下水的影響，也沒有考慮降水入滲可能導(dǎo)致的地表沉降加大等因素，這將使得計(jì)算結(jié)果較工程實(shí)際偏于保守。該工程地處東南沿海，施工期間的6～10月份正是當(dāng)?shù)亟涤炅勘容^多的季節(jié)，地表水下滲導(dǎo)致土體質(zhì)量增加，同時也使得土體性質(zhì)弱化[14]，這些因素都會造成地表沉降增大。

基于以上分析可知：即便采取偏于保守的計(jì)算結(jié)果，近距離雙線隧道開挖引起的建筑物局部傾斜已經(jīng)超過了規(guī)范限值，對于沉降已經(jīng)穩(wěn)定的建筑物而言，其傾斜開裂的風(fēng)險將非常大，施工中應(yīng)采取針對性措施保障沿線建筑物安全；施工單位并沒有相應(yīng)的施工過程保護(hù)措施，直到沿線建筑物沉降開裂才安排進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性檢測鑒定，但為時已晚。從現(xiàn)場檢測結(jié)果看，即便暗挖隧道已完成施工，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在粉質(zhì)黏土和砂石地層中，暗挖隧道引起的地表沉降在隧道完成施工后已基本完成；即便如此，對該建筑物的監(jiān)測結(jié)果仍表明，監(jiān)測前期的沉降速率仍大于規(guī)定限值，一些測點(diǎn)的頂點(diǎn)位移仍顯著偏大。由此可以推知：建筑物在隧道下穿至監(jiān)測開始期間的沉降和頂點(diǎn)位移都將超過規(guī)范規(guī)定，沉降和頂點(diǎn)位移超限是造成沿線建筑物沉降開裂的主要原因。

5 結(jié)束語

作為暗挖法之一的CRD工法，又名“交叉中隔壁工法”，是近年來地下工程界對淺埋暗挖法不斷創(chuàng)新的成果。其核心是“化整為零”，遵循“小分塊、短臺階、多循環(huán)、快封閉”的施工原則，隨挖隨撐，自上而下步步為營，分塊成環(huán)，及時做好初期支護(hù)；并待初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和圍巖收斂穩(wěn)定后，拆除初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中的臨時中隔壁墻及臨時仰拱，再施做外包防水層，施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。該法通常輔以地層注漿或錨、網(wǎng)噴支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖與初支體系共同受力，以監(jiān)控測量結(jié)果反饋指導(dǎo)施工，控制隧道拱頂沉降和收斂，保證隧道結(jié)構(gòu)和沿線地面或地層中建(構(gòu))筑物的安全。

對暗挖隧道地表沉降統(tǒng)計(jì)表明：區(qū)間段的地表沉降值多在20～60 mm，采取一定的輔助施工措施，CRD區(qū)間隧道引起的地表沉降能控制在30 mm之內(nèi)，但可能會使得工程造價上升[15]。在目前的招投標(biāo)體制下，施工單位往往靠低價中標(biāo)，也存在一些中標(biāo)后違規(guī)轉(zhuǎn)包的現(xiàn)象；實(shí)際的施工隊(duì)伍經(jīng)驗(yàn)未必豐富，常常在施工過程中精打細(xì)算以降低造價，有時甚至不惜犧牲工程質(zhì)量，也因此導(dǎo)致一些嚴(yán)重的工程事故。本工程為近距離雙線隧道，施工單位應(yīng)該預(yù)料到施工可能導(dǎo)致的沿線建筑物沉降開裂等可能的工程事故，但心存僥幸，并沒有采取針對性的預(yù)防措施，由此引發(fā)一場本來可以避免的工程事故，其背后反映的深層次問題，值得地下工程界深思并引以為戒。

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福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)基金項(xiàng)目(2012Y0062);福建省高等學(xué)校學(xué)科帶頭人培養(yǎng)計(jì)劃基金項(xiàng)目(FETU);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金項(xiàng)目(201311311007)

劉紀(jì)峰(1979-),男,河南沈丘人,副教授,博士,美國密歇根州立大學(xué)訪問學(xué)者,研究方向?yàn)槌鞘械叵鹿こ?

2014-09-03

1672-6871(2015)03-0059-06

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