隧道工程施工地表變形對既有建筑物影響及對策研究

李玉富

(福建泉州勘測設(shè)計院有限公司 福建泉州 362012)

隧道在施工過程中，將不可避免地會產(chǎn)生地表變形，當(dāng)?shù)乇碜冃芜_(dá)到一定程度時，則會對地表既有建筑物產(chǎn)生一定程度的損害。因此，為了研究和掌握東海隧道施工引起的地表變形是否會對地表既有建筑物發(fā)生損害或發(fā)生損害程度，應(yīng)對施工地表變形對既有建筑物安全性的影響進(jìn)行科學(xué)分析和評價。本文以東海隧道為例，從建筑物沉降、傾斜、結(jié)構(gòu)應(yīng)力三個方面探討隧道工程施工地表變形對既有建筑物影響。

1 工程概況

東海隧道工程屬典型的城市隧道工程，線路起點位于云山村北側(cè)，下穿國公爺山，從黎明大學(xué)北側(cè)操場、寶珊花園下穿過，通過寶秀小區(qū)，終點止于既有東海大街。項目全長約 4.2km，其中隧道全長約2.2km，設(shè)計采用雙洞方案，按雙向四車道城市 I級主干道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計行車速度為60km/h。東海隧道作為一個典型的城市隧道工程，應(yīng)具有城市隧道工程修建的共性要求，即與山嶺隧道相比，城市隧道修建更要注重對周圍環(huán)境的影響問題，也就是說周圍環(huán)境將會對城市隧道修建起到一定程度的制約作用。隧道平面布置示意圖如(圖1)。

圖1 東海隧道工程平面布置示意圖

2 既有建筑物影響對工程施工影響分析

在東海隧道工程修建過程中，主要存在著如下工程難點問題:隧道沿線地表既有建筑物分布密集，對施工引起的爆破振動、地表沉降等控制要求高，施工難度大。

東海隧道沿線地表既有建筑物主要包括寶珊花園別墅區(qū)、寶秀小區(qū)、廠房及辦公樓等，據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果可知，處于隧道施工影響范圍內(nèi)的主要既有建筑物數(shù)量多達(dá)29座，具體如(表1)所示。

表1 泉州東海隧道地表沿線建(構(gòu))筑物調(diào)查統(tǒng)計表

從上表可知，既有建筑物距隧道距離最小在10m以內(nèi)，因此，隧道施工所引起的爆破振動、地表沉降等必將會對建筑物結(jié)構(gòu)安全及其建筑物內(nèi)人員的正常生活造成一定程度的影響，為確保建筑物結(jié)構(gòu)安全，盡量減少對建筑物內(nèi)人員正常生活的干擾，施工中必須對爆破振動、地表沉降等進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而增加了施工難度。

3 建筑物結(jié)構(gòu)安全地表變形控制指標(biāo)

建立建筑物結(jié)構(gòu)安全地表變形控制基準(zhǔn)，其前提必須建立合適的地表變形控制指標(biāo)。實際上，隧道施工引起的地表沉降和變形對建筑物的影響因素有很多[1]。除地層特征以外，建筑物遭受損害的程度與建筑物的基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)型式、建筑物所處的位置，以及地表的變形性質(zhì)和大小有關(guān)，若全部將其作為地表變形控制指標(biāo)，現(xiàn)場操作十分不便，研究也不易實現(xiàn)[2]。因此，研究中重點以地表變形中對建筑物損害程度最大的因素作為其變形控制指標(biāo)。

隧道開挖施工引起的對于地表以及建筑設(shè)施的損害可以分為直接開挖損害和間接開挖損害兩種情況。位于主要影響范圍內(nèi)的對象(建筑物、管線、道路等)所受的損害稱為直接開挖損害;但是在個別情況下，在主要影響范圍以外比較遠(yuǎn)的地方，也可發(fā)現(xiàn)開挖影響的存在，這種影響也與隧道開挖施工有關(guān)，稱為間接開挖損害，如開挖引起的大范圍的地下水的變化對環(huán)境的影響等[3]。因此，本文主要選用地表沉降損害、地表傾斜損害、結(jié)構(gòu)應(yīng)力三個控制指標(biāo)。

4 施工地表變形對既有建筑物結(jié)構(gòu)安全影響數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步了解和掌握東海隧道整個施工過程引起的地表變形對既有建筑物結(jié)構(gòu)安全性影響，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了細(xì)致研究和分析。計算過程中，以靜力分析為主，未考慮爆破開挖的動力效應(yīng)影響。

4.1 建筑物沉降及傾斜計算結(jié)果及分析

為了掌握整個施工過程地表建筑物沉降及傾斜情況，計算中共選取了10個階段工況進(jìn)行詳細(xì)說明，各階段工況說明如(表2)所示。

表2 數(shù)值模擬計算工況說明

以工況1為例，對其施工階段工況計算結(jié)果如下:

從(圖2)可以看出，工況1時，施工所引起的地表沉降橫向范圍約為40m，但沉降值微小，此時建筑物發(fā)生的最大沉降量約為0.128mm。

采取同樣分析方法，將各施工工況1-10計算結(jié)果進(jìn)行匯總，具體如(表3)所示。

圖2 工況1計算結(jié)果

表3 各施工工況計算結(jié)果匯總

從(表3)計算結(jié)果可知，東海隧道施工引起的最大建筑物沉降值約為0.377mm，最大建筑物傾斜率約為0.0054×10-3，由東海隧道建筑物結(jié)構(gòu)安全變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知，上述數(shù)值均遠(yuǎn)小于相應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)值，說明施工地表變形不會對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，建筑物結(jié)構(gòu)是安全的。

4.2 建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果及分析

為了掌握整個施工過程地表建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況，計算中還對各施工階段建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行了分析和評價，將各計算工況結(jié)果進(jìn)行匯總，如(表4)。

表4 各施工工況計算結(jié)果匯總

從(表4)計算結(jié)果可知，隧道在施工過程中，所引起的建筑物最大拉應(yīng)力值約為0.3MPa，遠(yuǎn)小于其材料本身(C25混凝土)的抗拉設(shè)計強度值1.27MPa，說明施工引起的建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力能夠滿足安全要求，建筑物結(jié)構(gòu)是安全的。

同時，為了掌握施工地表變形對建筑物結(jié)構(gòu)安全性影響，現(xiàn)場進(jìn)行了實地測量工作，測量時對施工地表沉降變形進(jìn)行了測取，其數(shù)據(jù)可為評價建筑物結(jié)構(gòu)安全提供有力的佐證[4-5]。為了與上述數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比，現(xiàn)將建筑物附近所測取的地表沉降結(jié)果表述如(圖3)所示。

圖3 建筑物附近地表沉降監(jiān)測斷面測試結(jié)果

從(圖3)可以看出，3號建筑物附近最大累計地表沉降值為1.13mm，發(fā)生在距隧道左側(cè)約10m位置處，數(shù)值較小，不會對建筑物結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。

5 小結(jié)

綜上，本文以東海隧道為例，通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等綜合研究手段，確定了隧道地表建筑物結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，并給出了相應(yīng)的建筑物結(jié)構(gòu)安全控制措施，其成果可直接用于指導(dǎo)施工作業(yè)，有效地確保隧道地表建筑物結(jié)構(gòu)安全，避免了工程經(jīng)濟賠償糾紛現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)然，由于能力有限，一些問題需要在以后的工作中深入完善。

[1]李偉平，吳德興，郭霄等.寧波甬江沉管隧道大修設(shè)計與施工[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2011(01).

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[3]李兆平，聶楠，楊成永等.礦山法地鐵隧道二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及可靠度計算方法研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報.2011(01)

[4]宋浩然，張頂立，譚光宗.大連灣海底隧道風(fēng)險評估及對策研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報.2013(04).

[5]鄭新定，王紅衛(wèi)，周健.考慮人為因素的盾構(gòu)隧道風(fēng)險分析和控制模型研究[J].隧道建設(shè).2013(09).