城市隧道下穿既有建筑的安全控制模擬試驗(yàn)研究

中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300350

0 引言

最近幾年，伴隨著經(jīng)濟(jì)的與日發(fā)展，城市化進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，在整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中，城市交通量也在迅猛地增加，為了讓土地能得到高效利用，地下軌道交通工程應(yīng)運(yùn)而生。

與以往工程相比，近年來(lái)，工程不僅有著較大的規(guī)模，還需下穿更多的已有建（構(gòu)）筑物，且需要更為嚴(yán)格的修建技術(shù)。所以，在進(jìn)行城市的地下工程時(shí)，不僅要對(duì)其附近的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行合理的影響分析，還要探討相應(yīng)的安全措施，這不僅是當(dāng)前的一項(xiàng)熱點(diǎn)問題，也具有非凡的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，值得進(jìn)一步探討。

1 工程概況

某城際線路區(qū)間長(zhǎng)11.7 km，在其左線GDZK45+200～GDZK45+405段，伴隨著較為復(fù)雜的區(qū)間結(jié)構(gòu)形式。其下穿2～5 層的民居住房，大部分的結(jié)構(gòu)都為框架。在進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候，選取GDZK45+300作為斷面的里程，最下面的一層為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其上為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，再上為殘積粉質(zhì)黏土，接著是游泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，最上面的一層是素填土，隧道埋深17.5 m。針對(duì)隧道下穿居民區(qū)的狀況，本文對(duì)上部建筑物結(jié)構(gòu)在隧道挖掘中的安全控制進(jìn)行探討。

2 城市隧道下穿既有建筑的安全控制模擬試驗(yàn)[1-4]

2.1 模擬試驗(yàn)相似關(guān)系

結(jié)合研究目的，對(duì)該城際線路隧道的相關(guān)設(shè)備及其操作性進(jìn)行充分的考慮，然后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與推導(dǎo)和合理的類比與分析，從而對(duì)試驗(yàn)中需要確定的地基相似比及時(shí)確定，這些相似比有幾何相似比，也有堆積密度相似比，進(jìn)而使得在規(guī)定范圍中，一些控制性物理力學(xué)的參數(shù)相似性得以全部實(shí)現(xiàn)。結(jié)合相似原則，將參數(shù)原型值與模型值的相似比進(jìn)行相關(guān)推理，幾何、強(qiáng)度、壓力、凝聚力、彈性模量相似比為20，堆積密度、應(yīng)變、摩擦角相似比為1。

2.2 模擬試驗(yàn)材料

2.2.1 相似材料之圍巖

對(duì)于該城際線路來(lái)說(shuō)，其GZH-7標(biāo)隧道的位置是城市中較為繁華的道路。當(dāng)該隧道下穿繁密的居住區(qū)時(shí)，其圍巖的級(jí)別是六級(jí)，在試驗(yàn)中就將其作為了土體配比的原型。為了使得試驗(yàn)既結(jié)合實(shí)際，又能夠在相關(guān)工程中進(jìn)行合理推廣，圍巖參數(shù)應(yīng)該在結(jié)合實(shí)際的基礎(chǔ)之上，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的巖體選值充分結(jié)合起來(lái)。

2.2.2 相似材料之加固區(qū)

結(jié)合施工計(jì)劃，應(yīng)該在于隧道拱部的180°范圍中，做好小導(dǎo)管超前支護(hù)的工作，將φ22 mm超前錯(cuò)桿打設(shè)好，做好半斷面相關(guān)的注漿止水工作。由于條件受限，要想于臺(tái)架上做出拱形的超前支護(hù)十分不易，所以一般都是在拱頂上加設(shè)相應(yīng)的加固土體，由此來(lái)充當(dāng)加固區(qū)的圍巖角色，此土體的圍巖強(qiáng)度與原土體相比，要高一個(gè)層次。圍巖加固區(qū)詳見圖1、圖2。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)圍巖加固區(qū)示意

圖2 試驗(yàn)圍巖加固區(qū)示意

2.2.3 相似材料之支護(hù)

因試驗(yàn)條件受限，一些初支措施諸如鋼架等較難進(jìn)行模擬，所以就參考之前的模擬試驗(yàn)，將水和石膏的比值為1∶1.12的特種石膏相似材料作為初支的模擬對(duì)象，在試驗(yàn)的過(guò)程中，以繞灌注的方式做好支護(hù)工作。對(duì)于石膏的模擬材料來(lái)說(shuō)，其試驗(yàn)指標(biāo)為0.5 h的力學(xué)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0～10 ℃下，這種相似材料的強(qiáng)度在0.5～8 h之間基本不發(fā)生變化。

2.3 模擬試驗(yàn)裝置及量測(cè)系統(tǒng)

2.3.1 模擬試驗(yàn)裝置

對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)說(shuō)，其槽的尺寸如下：4.3 m×3.7 m×0.8 m；對(duì)于隧道試體來(lái)說(shuō)，其尺寸如下：0.85 m×0.9 m×0.8 m。為了使得圍巖和隧道試體處于易于控制狀態(tài)，應(yīng)用了相應(yīng)的約束器材對(duì)模型槽前后進(jìn)行控制。為了將模型槽的邊界效應(yīng)控制到最低，在其整個(gè)內(nèi)表面都進(jìn)行了厚1 mm的聚四氟乙烯板粘貼。

2.3.2 量測(cè)系統(tǒng)

1）量測(cè)項(xiàng)目及措施：主要對(duì)各種工況下進(jìn)行開挖的時(shí)候隧道結(jié)構(gòu)等位移的變化進(jìn)行測(cè)量，采用精度為0.000 1 m的差動(dòng)變壓器式位移計(jì)做好相關(guān)測(cè)量工作。

2）測(cè)點(diǎn)的相關(guān)布置：在地表布置7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，從隧道的正上方開始，從左向右間距為4 m依次排列；對(duì)于土中的測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，加上拱頂共有4 個(gè)；對(duì)于每個(gè)房屋來(lái)說(shuō)，各自有2 個(gè)在對(duì)角線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置詳見圖3（圖中矩形代表房屋建筑物，圓形代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)）。

圖3 模擬試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

2.4 模擬試驗(yàn)步驟

1）為確保試驗(yàn)平面的應(yīng)變態(tài)勢(shì)，將槽和模擬圍巖間的摩擦控制在最低，要在槽的全內(nèi)表面進(jìn)行厚1 mm的聚四氟乙烯板粘貼。

2）做好儀器的調(diào)試和場(chǎng)地布置工作，制作在測(cè)量位移時(shí)需要的相關(guān)材料。

3）結(jié)合試驗(yàn)工況實(shí)際，在槽內(nèi)做好填土工作，當(dāng)填到隧道的拱頂位置時(shí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)增添加固區(qū)土體。并在其中合適位置埋置合理的銅管，待找平結(jié)束，做好一次性的壓實(shí)工作從而避免分層現(xiàn)象的發(fā)生。

4）結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)劃，將槽內(nèi)的測(cè)點(diǎn)位置及時(shí)確定，將位移計(jì)安置好并保證其處于合理的讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，將其調(diào)至垂直態(tài)勢(shì)，將其初始讀數(shù)記錄下來(lái)。

5）一切準(zhǔn)備結(jié)束，開始隧道的模擬開挖，開挖時(shí)，要依據(jù)實(shí)際采取合理的工序，對(duì)于各個(gè)工序在挖前、挖中、挖后以及支護(hù)之后的測(cè)點(diǎn)位移對(duì)應(yīng)值要做好認(rèn)真記錄。

6）整理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，從而總結(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移存在的相關(guān)規(guī)律。

對(duì)于模型隧道來(lái)說(shuō)，其長(zhǎng)為80 cm，在試驗(yàn)的過(guò)程中有8 次開挖，每次都控制在10 cm，將40 cm所在的平面作為目的面。

2.5 模擬試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)中，中隔壁的模擬材料為招材板，支護(hù)的模擬材料為石膏，每次開挖的尺度為10 cm。模擬開挖示意如圖4所示。

圖4 模擬開挖示意

拿測(cè)點(diǎn)212和274來(lái)看，前者是4 層框架房屋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，后者是4 層磚混房屋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線通過(guò)圖5可以看出，其位移有著類似的規(guī)律，都存在著一定的空間效應(yīng)，但后者的位移值要大于前者，沉降值也大了約1 mm。

圖5 4 層框架和磚混房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降變化曲線

拿測(cè)點(diǎn)215和218來(lái)看，前者是4 層框架房屋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，后者是2 層框架房屋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線通過(guò)圖6可以看出，其位移有著類似的規(guī)律，都存在著高度效應(yīng)，但前者的沉降值明顯大于后者，大約0.2 mm。

圖6 4 層和2 層框架房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降變化曲線

3 城市隧道下穿既有建筑的安全控制措施[5-9]

由于本標(biāo)段路線需要下穿不少建筑物，且大都為框架以及磚混的結(jié)構(gòu)，結(jié)合上述分析，為了在隧道開挖時(shí)保障建筑物的相關(guān)安全，對(duì)其采用的安全控制措施如下：

1）結(jié)合建筑物實(shí)際及其周圍環(huán)境和隧道的埋深度，進(jìn)行相關(guān)模擬推算，就隧道的不同位置采用主動(dòng)注漿加固法（圖7），從而對(duì)建筑物下面的天然松散土體及其周圍地層進(jìn)行合理的加固。同時(shí)，加強(qiáng)管柱和土體間存在的摩擦力，改良建筑物的相關(guān)基礎(chǔ)地層，從而為隧道的安全下穿提供保障。

圖7 主動(dòng)注漿加固平面示意

2）結(jié)合建筑物實(shí)際及其周圍環(huán)境和隧道的埋深度，進(jìn)行相關(guān)模擬推算，就隧道的不同位置采用跟蹤注漿加固法（圖8），從而對(duì)隧道開挖時(shí)伴隨的失水等引發(fā)的空隙進(jìn)行相應(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè)并及時(shí)注漿控制，進(jìn)而保障其安全的下穿。采用此法加固的建筑物，要做好動(dòng)態(tài)的監(jiān)控與量測(cè)，如果沉降超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的跟蹤注漿加固。

圖8 跟蹤注漿加固平面示意

3）要結(jié)合工程的實(shí)際，建立健全的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，布置合理位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)測(cè)定，進(jìn)而依據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)施工，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)實(shí)際動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，使得掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)，防止建筑物伴隨變形現(xiàn)象。

4）結(jié)合房屋的結(jié)構(gòu)以及其和隧道存在的位置聯(lián)系，制定房屋的沉降量界限值與沉降差標(biāo)準(zhǔn)值以及安全的保障限度。

5）對(duì)于隧道來(lái)說(shuō)，在不超過(guò)其開挖的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，那些基礎(chǔ)不牢固的房屋，應(yīng)該從地面出發(fā)，向下布置豎向的袖閥注漿管，也可以向下布置斜向的袖閥注漿管，做好地表注漿工作，一般來(lái)說(shuō)，都是采用水泥漿充當(dāng)注射漿液。

6）結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，如果房屋的沉降度較大基本到達(dá)警戒界限時(shí)，應(yīng)該先停止隧道的開挖工作，結(jié)合實(shí)際，通過(guò)地面向著基礎(chǔ)的下方進(jìn)行跟蹤注漿加固工作，一般采用水泥漿充當(dāng)注射漿液。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合模擬試驗(yàn)，我們能夠推斷出，兩種結(jié)構(gòu)磚混與框架基本存在類似的位移變化規(guī)律，同時(shí)都存在著一定的空間效應(yīng)?；诹恐档慕嵌葋?lái)看，前者的位移值要大于后者的位移值，這個(gè)結(jié)果基本雷同于數(shù)值的模擬分析。

綜上所述，在隧道施工的時(shí)候，要注重對(duì)其正上方的房屋地基的注漿處理工作，并通過(guò)此項(xiàng)措施來(lái)控制房屋的沉降。如果房屋在其開挖縱向影響范圍的20 m內(nèi)，則要進(jìn)行相應(yīng)的地基加固工作。

對(duì)于那些地基條件不好、容易倒塌的房屋，要注意對(duì)其上部結(jié)構(gòu)剛度的強(qiáng)化，從而提高墻體的抗倒塌度。與此同時(shí)，在整個(gè)過(guò)程中，也不要放松對(duì)地基的相關(guān)處理工作，對(duì)每個(gè)房屋的沉降控制，應(yīng)該結(jié)合國(guó)家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)真執(zhí)行。