地鐵雙連拱隧道暗挖下穿既有建筑的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

唐明明，劉 淼，林 森，韓 飛

（1.北京安捷工程咨詢有限公司，北京100037；2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林長(zhǎng)春130118；3.吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130118）

地鐵雙連拱隧道暗挖下穿既有建筑的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

唐明明1，劉 淼1，林 森2，韓 飛3

（1.北京安捷工程咨詢有限公司，北京100037；2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林長(zhǎng)春130118；3.吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春130118）

以西安地鐵臨潼線暗挖下穿既有芙蓉小區(qū)住宅樓為工程背景，研究地層沉降分布規(guī)律及傾斜情況。研究表明：雙連拱隧道最大沉降區(qū)域位于隧道中墻上方偏右側(cè)位置，最大沉降值量為10.30mm；暗挖對(duì)直接下穿的建筑物影響最為顯著，最大沉降量為5.37mm，位于住宅樓鄰近隧道開挖入口位置；暗挖影響范圍內(nèi)的3棟住宅樓傾斜方式有所不同，直接下穿的住宅樓的不均勻沉降主要沿建筑物長(zhǎng)邊方向，最大值為7.67×10-5m/m，鄰近下穿的兩棟住宅樓則沿建筑物短邊方向，最大不均勻沉降為4.26×10-5m/m；隔離樁對(duì)于減少地層擾動(dòng)、控制沉降及傾斜起到一定程度的作用，但對(duì)于本工程隔離樁設(shè)置與否，住宅樓的沉降、傾斜均處于安全范圍內(nèi)，從經(jīng)濟(jì)角度可考慮不設(shè)置。

雙連拱隧道；暗挖施工；沉降

1 概述

城市軌道交通作為一種低污染、低能耗、高效率的運(yùn)輸方式，以其快速、運(yùn)量大、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)良選擇。國(guó)內(nèi)軌道工程隧道施工方法主要有盾構(gòu)法、明挖法和暗挖法。地鐵暗挖隧道施工引起地層應(yīng)力重分配，可能導(dǎo)致路面破損、已有管線破壞，影響既有建筑物安全[1-2]。

雙連拱隧道由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、橫截面大，目前對(duì)其下穿影響地層沉降問(wèn)題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[3-5]。劉大剛[6]應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論開發(fā)了一套適用于城市隧道施工引起的地表變形及沉降預(yù)測(cè)系統(tǒng),可以預(yù)測(cè)隧道分步開挖產(chǎn)生的水平變形和地表沉降；劉波、陶龍光[7]等應(yīng)用FLAC模擬了隧道下穿建筑物基礎(chǔ)引起的地層變形，并考慮不同工況下開挖產(chǎn)生的地表變形對(duì)地表建筑物的變形影響，證明了其可行性和有效性。

暗挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響除了與施工工法、地層條件有關(guān)外，還受到結(jié)構(gòu)類型、剛度以及與隧道相對(duì)位置關(guān)系的影響。地鐵臨潼線于起點(diǎn)處下穿芙蓉小區(qū)住宅樓，受影響的3棟住宅樓中間一棟位于暗挖隧道正上方，住宅樓基礎(chǔ)與隧道豎向凈距約為12.1m，距離較近，研究暗挖下穿住宅樓對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性的影響十分必要。

2 工程概況

西安地鐵臨潼線起點(diǎn)位于紡織城站西端，柳鳴路與紡北路交叉口西北。起點(diǎn)隧道暗挖下穿芙蓉小區(qū)住宅樓（混7），如圖1所示。受暗挖施工影響的主要有3棟磚混住宅樓，此3棟樓高7層，每棟樓占地面積約70m× 12m，平行布置，間距約12.5m。為保護(hù)既有住宅樓的安全，在暗挖施工前擬在隧道兩側(cè)鉆射?800mm@ 1600mm鉆孔灌注樁作為保護(hù)住宅樓的隔離樁。

圖1 臨潼線起點(diǎn)下穿住宅樓位置關(guān)系圖

受影響的3棟住宅樓其中一棟位于暗挖隧道正上方，住宅樓基礎(chǔ)與隧道豎向凈距約為12.1m，隧道下穿建筑物距離長(zhǎng)約23.5m；另外兩棟則臨近暗挖隧道，與隧道水平距離分別為10.75m及12.15m。該段地層以老黃土、古土壤和粉質(zhì)粘土為主，地下水位位于隧道底部。開挖前采用深孔注漿方式加固隧道開挖輪廓線3m內(nèi)的土體（上半斷面），如圖2所示。

圖2 住宅樓與暗挖隧道位置關(guān)系橫斷面圖

3 計(jì)算要點(diǎn)

3.1 計(jì)算模型

雙連拱隧道采用單導(dǎo)洞臺(tái)階法施工，每步開挖臺(tái)階長(zhǎng)度為0.6～1.0m，襯砌厚度為0.7m，中隔壁厚度為0.5m，開挖之后即建立襯砌單元。具體開挖工序如圖3所示。

圖3 計(jì)算施工工序圖

計(jì)算模型共劃分了137920個(gè)實(shí)體單元，如圖4所示，小區(qū)住宅樓采用等高實(shí)體單元代替，隔離樁按實(shí)際直徑采用實(shí)體單元計(jì)算，各地層參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)均取自勘察資料和設(shè)計(jì)資料。模型尺寸長(zhǎng)96m，寬84.3m，高58m。模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面采用法向約束。

計(jì)算載荷主要為結(jié)構(gòu)自重載荷，其中住宅樓磚混結(jié)構(gòu)載荷根據(jù)其建筑面積按照2.5t/m2進(jìn)行計(jì)算。

圖4 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)場(chǎng)地勘察資料以及設(shè)計(jì)施工說(shuō)明，分析時(shí)將性質(zhì)相近的土體進(jìn)行了合并，并對(duì)勘察報(bào)告中提供的參數(shù)做一定的折減，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層及隧道材料參數(shù)

4 住宅樓穩(wěn)定性分析

4.1 沉降變形分析

雙連拱隧道采用單導(dǎo)洞法先施工右半側(cè)隧道，待中墻施工完畢后開挖左半側(cè)隧道，在開挖過(guò)程中提前注漿。各施工階段總體沉降云圖如圖5、圖6所示。

4.2 住宅樓不均勻沉降及穩(wěn)定性分析

分別讀取各個(gè)住宅樓地基4個(gè)角點(diǎn)（順時(shí)針順序）的最終沉降量，角點(diǎn)位置示意圖如圖7所示，各角點(diǎn)沉降值見(jiàn)表2（負(fù)號(hào)表示沉降）。

圖5 右側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

圖6 左側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

表2 住宅樓地基沉降值表

芙蓉小區(qū)住宅樓尺寸為70m×12m，因此可計(jì)算沿住宅樓地基四邊單位長(zhǎng)度不均勻沉降值，見(jiàn)表3。

表3 住宅樓地基單位長(zhǎng)度不均勻沉降值表

住宅樓單位長(zhǎng)度不均勻沉降均處于較小范圍，其中兩側(cè)的住宅樓沿短邊方向的不均勻沉降值略大于其沿長(zhǎng)邊方向值，表明在暗挖施工影響下，此兩棟住宅樓為側(cè)向傾斜；中間位置的住宅樓沿長(zhǎng)邊方向的不均勻沉降值則略大于沿短邊方向，受施工影響該住宅樓偏向于沿長(zhǎng)邊方向傾斜。綜合考慮3棟住宅樓的計(jì)算結(jié)果，中間位置的住宅樓沿長(zhǎng)邊方向的不均勻沉降最大，其最值為7.67×10-5m/m，據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）[8]，其不均勻沉降量應(yīng)小于0.002m/m。因此，受暗挖施工影響，芙蓉小區(qū)住宅樓的不均勻沉降符合規(guī)范要求。

4.3 隔離樁對(duì)住宅樓沉降控制的作用

為保證既有住宅樓的安全，設(shè)計(jì)要求在暗挖施工前在隧道兩側(cè)鉆射?800mm@1600mm鉆孔灌注樁作為保護(hù)住宅樓的隔離樁。隔離樁起到減少暗挖施工沉降影響范圍，保護(hù)鄰近建筑物安全的作用。住宅樓不均勻沉降最大值7.67×10-5m/m遠(yuǎn)小于規(guī)范設(shè)定0.002m/m標(biāo)準(zhǔn)。因此，是否可以不設(shè)隔離樁有必要進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

計(jì)算模型中省去隔離樁，其余條件相同。雙連拱隧道開挖完畢后的總體沉降云圖如圖8所示。

圖8 兩側(cè)隧道均施工完畢后的總體沉降云圖

從總體沉降云圖可知，不設(shè)置隔離樁時(shí)的沉降規(guī)律和設(shè)置隔離樁時(shí)相近，最大沉降區(qū)域仍然出現(xiàn)在中墻上部偏右的位置，沉降量為12.30mm，略高于設(shè)置隔離樁時(shí)的沉降值（10.30mm）。

施工完畢后的住宅樓沉降云圖如圖9所示。

圖9 兩側(cè)隧道均施工完畢后的住宅樓沉降云圖

住宅樓沉降最大位置與設(shè)隔離樁時(shí)一致，最大沉降值8.23mm，略高于設(shè)置隔離樁工況下的沉降值。

不設(shè)置隔離樁時(shí)的住宅樓地基沉降以及不均勻沉降分別見(jiàn)表4、表5所示（負(fù)號(hào)表示沉降）。

表4 住宅樓地基沉降值表（無(wú)隔離樁）

表5 住宅樓地基單位長(zhǎng)度不均勻沉降值表（無(wú)隔離樁）

不設(shè)置隔離樁時(shí)的住宅樓沉降及不均勻沉降值仍然處于較小范圍，其最大不均勻沉降值為1.17×10-4m/m，仍然小于規(guī)范要求。

通過(guò)是否設(shè)置隔離樁工況的對(duì)比可知，隔離樁對(duì)于減少隧道暗挖施工對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)、控制住宅樓沉降及不均勻沉降起到了積極的作用。對(duì)本工程而言，隔離樁設(shè)置與否和住宅樓的不均勻沉降值均符合規(guī)范要求范圍，隔離樁并未顯著改善住宅樓的安全狀態(tài)。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在實(shí)際施工過(guò)程中可以考慮不設(shè)置隔離樁。

5 結(jié)論

根據(jù)西安地鐵臨潼線起點(diǎn)—紡織城站區(qū)間工程暗挖段隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和既有芙蓉小區(qū)住宅樓結(jié)構(gòu)及相關(guān)資料，采用數(shù)值方法分析，主要結(jié)論如下：

（1）暗挖施工對(duì)于直接下穿的住宅樓影響最為顯著，對(duì)鄰近下穿影響相對(duì)較小，中間位置住宅樓的最大沉降值為5.37mm，位于住宅樓鄰近隧道開挖入口位置處。

（2）受暗挖施工的影響，這3棟住宅樓產(chǎn)生了不同程度的不均勻沉降，位于中間位置的住宅樓主要沿長(zhǎng)邊方向，最大值為7.67×10-5m/m；兩側(cè)住宅樓主要沿短邊方向呈側(cè)向傾斜，最大值為4.26×10-5m/m。

（3）隔離樁對(duì)于減少隧道暗挖施工對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)、控制住宅樓沉降及不均勻沉降起到了積極作用。本例中設(shè)置隔離樁與否，住宅樓均處于較安全范圍。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，可以考慮不設(shè)置隔離樁。

[1]吳波.復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].西南交通大學(xué)，2003.

[2]于潔浩，高志萍，謝勇濤.淺埋大跨連拱隧道下穿既有建筑物施工沉降控制[J].隧道建設(shè)，2010(1)：67-71.

[3]盛春革.淺埋暗挖法在下穿公路連拱隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù)，2009（3）：39-43.

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U25

A

1004-5716(2015)01-0175-04

2014-11-06

2014-11-14

唐明明(1984-)，男（漢族），山東淄博人，工程師，現(xiàn)從事地下巖土工程方面的研究工作。