淺埋礦山法隧道施工對地表建筑物的影響研究

于鶴然,趙巧蘭,郭蘇銳

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司城交院,北京 100055)

淺埋礦山法隧道施工對地表建筑物的影響研究

于鶴然,趙巧蘭,郭蘇銳

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司城交院,北京 100055)

淺埋隧道施工對地表建筑物的影響,主要與隧道斷面和埋深、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、施工方法及隧道和建筑物的空間相對關(guān)系直接相關(guān)?；谳富莩请H鐵路松山湖隧道下穿建筑物區(qū)段工程,為預(yù)測淺埋隧道施工對地表建筑物的影響范圍以及影響程度,以隧道埋深、建筑物基礎(chǔ)類型、隧道與建筑物空間關(guān)系等多種因素為可變參數(shù),建立大量力學(xué)模型,通過數(shù)值模擬分析,得到隧道圍巖變形規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)分析隧道開挖對地表建筑物變形的影響。結(jié)合工程經(jīng)驗,建立劃分隧道對地表建筑物影響范圍的分區(qū)和控制標(biāo)準(zhǔn),提出相應(yīng)的影響范圍判定經(jīng)驗公式。

淺埋暗挖；近接施工；下穿建筑；數(shù)值模擬

國內(nèi)外關(guān)于隧道施工對鄰近結(jié)構(gòu)物影響研究較系統(tǒng)的是仇文革[1]關(guān)于地下工程近接施工力學(xué)原理與對策的研究、張頂立[2]關(guān)于隧道施工下鄰近建筑物的安全評估。目前，對影響區(qū)域的劃分，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在隧道施工影響分區(qū)方面，王占生[3]提出在工程應(yīng)用中，一般把隧道施工對周圍的影響按范圍劃分為受影響區(qū)域和不受影響區(qū)域，對不受影響區(qū)域的建筑物認(rèn)為受施工影響程度可忽略不計，而部分或全部位于受影響區(qū)域的建筑物則要進行影響程度的判斷。施仲衡[4]等提出了一種簡單實用的方法劃分施工影響范圍，但對于地表建筑物所受影響程度的具體評估尚不夠清晰全面?；谳富莩请H鐵路松山湖隧道下穿建筑區(qū)段工程，利用數(shù)值模擬研究方法，對施工影響區(qū)進行劃分判定并介紹相關(guān)控制措施。

1 工程概況

莞惠城際鐵路松山湖隧道礦山法段，采用雙洞單線隧道結(jié)構(gòu)形式，單洞隧道開挖跨度最大為9.5 m，高度10.5 m，雙洞間凈距5.0～9.0 m。部分段落大量下穿工廠、民房等建筑物群，且大部分建筑物為埋深較淺的天然基礎(chǔ)及預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，隧道開挖沉降對地表建筑物的安全造成影響。礦山法隧道主要穿越粉質(zhì)黏性土、全風(fēng)化、強風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖、花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁巖，局部穿越砂層及斷裂層，隧道底部至地表范圍土層以強風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖為主。

2 建筑物結(jié)構(gòu)變位破壞評價指標(biāo)

任何地面及地下結(jié)構(gòu)均有一定的強度，有一定的安全系數(shù)，即有一定抵抗地面位移和變形的能力，房屋的容許變形系指建構(gòu)筑物并不影響正常使用，為房屋所容許的數(shù)值。當(dāng)房屋遭到的變形不超過該房屋所能抵抗的最大變形時，房屋不表現(xiàn)出可以觀察到的損害。房屋的容許沉降是制定施工方法的前提，也是對房屋進行安全評價的基礎(chǔ)，因此結(jié)合類似工程經(jīng)驗，推薦采用以下綜合評價指標(biāo)對本隧道穿越工程中的建筑物的安全性進行評價。

(1)建筑物整體沉降：目前較普遍的一種看法是，整體沉降不會造成建筑物的破壞，對其穩(wěn)定性和使用條件也不會產(chǎn)生太大影響，如《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5]確定200 mm為允許變形，但實際上在很多復(fù)雜工程中，整體沉降通常會大大加強隧道二襯結(jié)構(gòu)的荷載，對隧道結(jié)構(gòu)安全性不利。為了建筑物與隧道安全，結(jié)合以往類似場地穿越工程的控制經(jīng)驗，并考慮一定的施工不可預(yù)見因素及安全余量，建議本穿越工程中高層建筑物的整體沉降不得超過20 mm。

(2)建筑物傾斜：與均勻沉降相比，建筑物對不均勻沉降的敏感程度更大，常常發(fā)生傾斜或開裂破壞。建筑物傾斜是通過沿縱墻方向基礎(chǔ)兩端的差異沉降體現(xiàn)出來的，且建筑物整體剛度越大，則結(jié)構(gòu)開裂程度相對越輕。根據(jù)文獻[5]其限值為2‰，參照本工程建筑物特點及施工中多種不可預(yù)見因素影響，建議本穿越工程的控制限值為1‰。

3 隧道施工對建筑物的影響范圍研究

隧道施工影響范圍的確定較為復(fù)雜，隧道埋深和尺寸、開挖方法及地層條件(圍巖級別)是主要決定因素，同時還要考慮其它結(jié)構(gòu)物的影響。通常情況是：隧道埋深越深，在地表產(chǎn)生的沉降值越小，但施工影響范圍相對較大(沉降槽寬度增大)。為了對隧道施工對環(huán)境的影響做出預(yù)測及規(guī)律總結(jié)，運用數(shù)值模擬的研究方法，針對不同埋深、不同位置的單洞隧道施工對既有淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)建筑物的影響進行了計算和分析。

3.1 模型建立及計算參數(shù)

本章計算模型采用大型有限差分軟件FLAC3d進行建模分析，選用可表征巖土體剪切破壞的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，該模型的屈服準(zhǔn)則的物理意義為，當(dāng)剪切面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之比最小時，巖土體發(fā)生屈服破壞[6]。巖土體、既有建筑物及隧道支護結(jié)構(gòu)采用實體單元模擬，并采用實體單元轉(zhuǎn)換為空單元(null)的方法實現(xiàn)隧道施工掘進的模擬，空單元中的應(yīng)力會自動的設(shè)定為零。隧道支護結(jié)構(gòu)中的錨桿采用cable單元，管樁采用beam單元。因重點研究隧道施工過程對地表既有建筑影響，模型只模擬開挖及初期襯砌支護施做階段。據(jù)地勘報告，隧道圍巖多為軟土層或全、中風(fēng)化巖層，與《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[7]Ⅴ、Ⅵ級圍巖參數(shù)較為一致。圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)選取見表1。

表1 圍巖參數(shù)及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范中對Ⅴ、Ⅵ級圍巖單線淺埋隧道的定義(覆蓋厚度18～25 m)，本研究中隧道埋深設(shè)置取10～25 m，即取10、15、20、25 m四種埋深來建立模型。當(dāng)沒有建筑存在時不同埋深的模型如圖1所示。

圖1 不同隧道埋深計算模型

3.2 隧道與建筑物立面位置關(guān)系

場地內(nèi)建筑物基礎(chǔ)寬度大多為十幾至幾十米，本計算取20 m。以隧道與基礎(chǔ)的平面位置不同，隧道軸線與基礎(chǔ)中線距離分為8種：0、5、10、15、20、30、40、50 m。當(dāng)建筑基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時，樁徑0.5 m，實際樁間距1.2～1.5 m，計算中取1.0 m×2.0 m，場地內(nèi)實際樁長15～30 m，計算取20 m。隧道從群樁范圍旁邊或者下方經(jīng)過，避免破樁，建筑物與隧道位置關(guān)系模型見圖2。

隧道埋深與位置關(guān)系疊加考慮，得到工況見表2。

圖2 隧道與基礎(chǔ)間平面位置關(guān)系

工況編號1234567891011121314151617181920212223242526272829埋深/m1010101010101015151515151515202020202020202525252525252525距離/m05101520304005101520304005101520304005101520304050

3.3 施工順序模擬

每個工況中按照以下施工順序進行施工：(1)建筑物施作(圖3)，淺基礎(chǔ)埋深取2 m，樁基礎(chǔ)承臺埋深取1 m。建筑物按8層高度考慮，每層荷載15 kPa。(2)在小導(dǎo)管注漿超前支護下，下穿建筑物段采用臺階法開挖模擬。并施作相應(yīng)部分的系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿及噴射混凝土。不同步驟的模型見圖4、圖5。

圖3 地應(yīng)力平衡及建筑物施作

圖4 隧道上臺階開挖

圖5 隧道下臺階開挖及錨噴支護

3.4 計算說明

在實際施工作業(yè)中，在未進入下穿段前，施工方通常本著施工信息化原則，對地表沉降進行密切監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整支護參數(shù)及施工方法，進而將地表沉降數(shù)值控制在安全范圍內(nèi)，以此作為下穿段的安全保障。故本計算假定當(dāng)沒有建筑物的工況時，即在常規(guī)段施工時，用30 mm作為地表沉降控制值，通過調(diào)整預(yù)支護參數(shù)，使得地表沉降值逼近控制值。

3.5 計算結(jié)果分析

在基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)的情況下，根據(jù)不同埋深及不同的平面位置關(guān)系，共設(shè)置29種計算工況，限于篇幅本文只羅列隧道埋深20 m工況中部分計算結(jié)果。

當(dāng)隧道位于常規(guī)段掘進即上方?jīng)]有建筑物時，隧道拱頂最大沉降41.9 mm，地表最大沉降30.2 mm，即在未進入建筑物下穿段時，隧道掘進過程中地表沉降處于正常狀態(tài)，最大沉降值接近允許值；塑性區(qū)貫通至地表。地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見圖6、圖7。

當(dāng)建筑物位于隧道正上方及斜上方時(隧道軸線與建筑物中線相距0～10 m)，地層發(fā)生較大變形，計算無法收斂。建筑物沉陷無限增大，隧道周邊圍巖位移處于不可控狀態(tài)，需要增加施工輔助措施。破壞變形模式見圖8。

圖6 常規(guī)段隧道圍巖沉降云圖

圖7 常規(guī)段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

圖8 下穿段隧道圍巖及上部建筑破壞變形示意

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距20 m時，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見圖9、圖10。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降38.2 mm，建筑物最大沉降7.3 mm，最大傾斜0.4‰(以建筑物差異沉降計算得，下同)。建筑物基本處于安全狀態(tài)。

圖9 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖10 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距40 m時，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布見圖11、圖12。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降38.6 mm，建筑物最大沉降2.9 mm，最大傾斜0.13‰，綜合判斷隧道掘進對既有建筑物沒有影響。

圖11 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖12 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)建筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時，根據(jù)不同埋深及不同的平面位置關(guān)系，共設(shè)置22種計算工況，限于篇幅本文只羅列隧道埋深20 m工況中部分計算結(jié)果。

當(dāng)建筑物位于隧道正上方時(隧道軸線與建筑物中線相距0 m)，隧道開挖范圍緊貼樁底，地層發(fā)生較大變形，此時地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見圖13、圖14。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降65.2 mm，建筑物最大沉降58.9 mm。需要增加施工輔助措施。

圖13 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖14 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距15 m時，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布見圖15、圖16。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降36.4 mm，建筑物最大沉降22.8 mm，最大傾斜1.0‰。應(yīng)引起足夠重視。

圖15 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖16 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距40 m時，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見圖17、圖18。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降39.7 mm，建筑物最大沉降2.6 mm，最大傾斜0.13‰，綜合判斷隧道掘進對既有建筑物沒有影響。建筑物處于安全狀態(tài)。

圖17 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖18 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

4 隧道施工對既有建筑物影響范圍判定

當(dāng)建筑物為淺埋天然基礎(chǔ)時，29種工況下受隧道施工影響的建筑物最大傾斜率計算結(jié)果見表3。其中“collapse”表示計算結(jié)果不收斂，圍巖發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

根據(jù)前文確定的建筑物最大容許沉降20 mm，在表3中超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍的數(shù)據(jù)(包括圍巖失穩(wěn)情況)用加粗標(biāo)出，表示建筑物位于隧道施工的強影響區(qū)內(nèi)，建筑物必須加固處理或者隧道施工必須采用相應(yīng)輔助措施，且施工時必須加密對該建筑物的監(jiān)控量測；本文采用最大容許沉降的1/4即5 mm作為有弱影響區(qū)的判定依據(jù)，當(dāng)最大沉降處在5～20 mm時，在表3中用下劃線標(biāo)出，認(rèn)為建筑物位于隧道施工的弱影響區(qū)，施工時須加密對該建筑物的監(jiān)控量測，并可根據(jù)實際工程中建筑物重要等級、基礎(chǔ)狀況及監(jiān)控數(shù)據(jù)確定是否進行加固或者施加輔助措施。當(dāng)最大沉降小于5 mm時，認(rèn)為隧道施工對該建筑物沒有影響，施工時對該建筑物進行常規(guī)監(jiān)控量測。

同樣根據(jù)前文確定的最大容許傾斜1‰，在表3中超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍的數(shù)據(jù)(包括圍巖失穩(wěn)情況)用加粗標(biāo)出，表示建筑物位于隧道施工的強影響區(qū)內(nèi)，采用最大容許斜率的1/5即0.2‰作為是否存在弱影響的判定依據(jù)，當(dāng)斜率處在0.2‰～1‰時，在表3中用下劃線標(biāo)出，認(rèn)為建筑物位于隧道施工的弱影響區(qū)，當(dāng)斜率小于0.2‰時，認(rèn)為隧道施工對該建筑物沒有影響。

表3 淺基礎(chǔ)建筑物最大變形

按埋深不同，強影響區(qū)分別為10～20 m，弱影響區(qū)15～40 m。

當(dāng)建筑物為樁基礎(chǔ)時，22種工況下建筑物沉降變形受隧道施工影響的計算結(jié)果見表4。

表4 樁基礎(chǔ)建筑物最大變形

按埋深不同，強影響區(qū)分別為0～15 m，一般影響區(qū)15～30 m。

將沉降和傾斜兩個判斷影響的標(biāo)準(zhǔn)作為綜合判別依據(jù)，對安全距離做出判斷，用內(nèi)插法得出容許值的建筑中心與隧道中線的平面距離，取其中較遠(yuǎn)的作為最終的安全距離，通過對比發(fā)現(xiàn)，弱影響區(qū)距離判定起控制作用的主要為建筑最大傾斜率，強影響區(qū)距離判定

起控制作用的主要為建筑最大沉降。

為了方便實際工程量測操作，取基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離作為判定對既有建筑物影響范圍(扣除基礎(chǔ)半幅寬度)，見表5。

對表5中淺基礎(chǔ)弱影響范圍數(shù)據(jù)進行回歸分析，可得弱影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗公式，決定系數(shù)R2=0.994 3。

表5 影響區(qū)范圍 m

(1)

式中D——對建筑物存在弱影響的范圍(基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離)，m；

h——隧道埋深，m。

對表5中淺基礎(chǔ)強影響范圍數(shù)據(jù)進行回歸分析，可得強影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗公式，決定系數(shù)R2=0.966 2。

(2)

式中D′——對建筑物存在強影響的范圍(基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離)，m。

對表5中樁基礎(chǔ)弱影響區(qū)數(shù)據(jù)進行回歸分析，可得弱影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗公式，決定系數(shù)R2=0.971。

(3)

對表5中樁基礎(chǔ)強影響區(qū)數(shù)據(jù)進行回歸分析，可得強影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗公式。

(4)

式中h——隧道埋深，m,h≥20 m。

式(1)～式(4)與樣本點擬合情況見圖19、圖20。

圖19 隧道施工對淺基礎(chǔ)建筑影響范圍分析

圖20 隧道施工對樁基礎(chǔ)建筑影響范圍分析

5 結(jié)論

(1)本研究利用數(shù)值分析研究方法，通過對不同埋深、與建筑物遠(yuǎn)近不同的多種工況進行數(shù)值模擬，分別以建筑物容許沉降及容許安全距離作為綜合判定標(biāo)準(zhǔn)，對施工的影響范圍做出了劃定，得出不同埋深隧道強、弱影響范圍的經(jīng)驗公式，可作為莞惠地區(qū)類似工程參考依據(jù)。

(2)在對建筑物所處的影響程度范圍確定后，建議：當(dāng)建筑物位于隧道施工的強影響區(qū)內(nèi)，建筑物必須加固處理或者隧道施工必須采用相應(yīng)輔助措施，且施工時必須加密對該建筑物的監(jiān)控量測；當(dāng)建筑物位于隧道施工的一般影響區(qū)，施工時須加密對該建筑物的監(jiān)控量測，并可根據(jù)實際工程中建筑物重要等級、基礎(chǔ)狀況及監(jiān)控數(shù)據(jù)確定是否進行加固或者施加輔助措施；當(dāng)建筑物處于弱影響區(qū)，施工時對該建筑物進行常規(guī)監(jiān)控量測。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對策研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

[2]張頂立，黃俊.深圳地鐵淺埋暗挖隧道地層變形分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33 (5)： 578-583.

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[4]施仲衡,張彌，等.地下鐵道設(shè)計與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006：378-381.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6]Itasca Consulting Group, Inc.. Fast Language Analysis of continua in three-dimensions, version 3.0, user’s manual. Itasca Consulting Group, Inc.,2005.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[8]王占生.盾構(gòu)近距穿越樁基的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2003.

[9]田世文,杜新飛,張柏.北京地鐵10號線盾構(gòu)下穿既有建筑物的控制措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(12):148-151.

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Study on Influences of Shallow Tunnel Construction on Ground Buildings

YU He-ran, ZHAO Qiao-lan, GUO Su-rui

(Design and Research Institute of Urban Rail Transit, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

The influences of excavating shallow tunnel exert on ground buildings are directly related to tunnel cross section, buried depth, mechanical properties of surrounding rock, construction methods and relative position between the tunnel and buildings. Based on Songshan Lake tunnel on Guan～Hui intercity railway which underpasses building areas, this paper establishes a large number of mechanical models with such variable parameters as tunnel buried depth, building foundation types, relative position and other factors to forecast the scope and degree of influences of shallow tunnel construction on surface buildings. By numerical modeling analysis, deformation rules of surrounding rock are obtained, and on this basis, influences of tunnel excavation on surface buildings deformation are analyzed. With reference to engineering experiences, partition and control standards are created in terms of the influences of the tunnel on ground buildings and corresponding judgment empirical formulas are proposed.

Shallow bury and covered excavation; Approaching construction; Underpass buildings; Numerical simulation

2014-12-04；

2015-02-17

廣東省交通運輸廳科技項目(科技-2012-02-032)

于鶴然(1983—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于西南交通橋梁

與隧道專業(yè)，工學(xué)博士，E-mail：heranyu@163.com。

1004-2954(2015)08-0144-06

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.031