地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程影響分析

劉清名

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 前 言

最近幾年以來(lái)，我國(guó)很多城市都在建設(shè)地下軌道交通。由于城市建筑物密度較大，導(dǎo)致很多地鐵隧道與建筑物比較接近，該問(wèn)題已經(jīng)引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。近接建筑施工過(guò)程會(huì)對(duì)原本平衡的受力狀態(tài)造成不利影響。不同工程項(xiàng)目由于所處位置的地理環(huán)境、施工方法、工程大小不同，所以對(duì)建筑造成的影響程度也存在差異[2]。根據(jù)施工工程項(xiàng)目對(duì)近接建筑物影響程度的不同，可以對(duì)相關(guān)的影響區(qū)域進(jìn)行科學(xué)劃分，進(jìn)而判斷對(duì)不同區(qū)域建筑物的影響程度，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)劃。對(duì)近接工程影響分區(qū)進(jìn)行研究時(shí)涉及到的內(nèi)容主要包括分區(qū)影響因素、分區(qū)準(zhǔn)則以及輔助施工工程等[3]。本文以某城市地鐵線區(qū)間隧道近接建筑施工具體項(xiàng)目為例，對(duì)近接建筑施工工程影響分區(qū)開展分析與研究。

1 近接建筑施工工程影響分區(qū)模型及其劃分方法

1.1 影響分區(qū)模型概述

工程影響分區(qū)指的是在進(jìn)行正常隧道工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，基于相關(guān)準(zhǔn)則，其對(duì)近接建筑物影響程度大小的區(qū)域劃分方法。通?？梢詣澐殖蔀槿齻€(gè)區(qū)域，分別為無(wú)影響區(qū)域、弱影響區(qū)以及強(qiáng)影響區(qū)域。對(duì)于無(wú)影響區(qū)域不需要采取特殊的措施，按照常規(guī)施工措施進(jìn)行施工即可；對(duì)于弱影響區(qū)域通常也不需要采取特殊的輔助措施，但需要對(duì)施工過(guò)程加強(qiáng)控制，避免造成不利影響；對(duì)于強(qiáng)影響區(qū)域則需要考慮通過(guò)專門的輔助措施開展施工工作。

對(duì)于地鐵隧道項(xiàng)目而言，需要穿過(guò)的地層區(qū)域相對(duì)較長(zhǎng)，使得其地層條件變化情況顯著。為了方便計(jì)算，通常假設(shè)沿隧道所在區(qū)域的地質(zhì)具有相同的性質(zhì)。本研究在計(jì)算時(shí)將地層假設(shè)為連續(xù)的彈性體，并且通過(guò)摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，地面上的建筑物載荷均勻的分布在水平地面上。在充分結(jié)合工程實(shí)際情況以及近接施工工程影響分區(qū)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，地鐵區(qū)間隧道與建筑之間的關(guān)系進(jìn)行抽象處理，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 抽象模型

1.2 工程影響分區(qū)劃分方法

假設(shè)地面上沒(méi)有建筑物時(shí)，開挖隧道的安全系數(shù)用K0表示。地面上存在不同類型和高度的建筑物時(shí)開挖隧道的安全系數(shù)用Ki表示，將上述的兩個(gè)參數(shù)作對(duì)比，可以得到安全比值ɑ，其中ɑ=Ki/K0，通過(guò)安全比值ɑ可以確定地面建筑物對(duì)隧道開挖安全程度造成的影響。其中ɑ越大說(shuō)明影響程度越小，如果ɑ等于100%，則說(shuō)明地面建筑物不會(huì)對(duì)隧道開挖安全造成影響。隧道拱頂與建筑基底之間的距離H越小，那么隧道開挖導(dǎo)致的潛在破裂區(qū)域就會(huì)延伸到建筑物地基中，影響程度就越大。相反的，如果H很大，那么潛在破裂區(qū)域不會(huì)對(duì)建筑物地基造成影響，這些區(qū)域只會(huì)集中在隧道拱頂附近。結(jié)合實(shí)際情況，本研究將三個(gè)影響區(qū)的界限劃分方法規(guī)定如下：強(qiáng)弱影響區(qū)域之間的界限為安全系數(shù)K隨H的變化曲線的突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置區(qū)域；ɑ幾乎接近100%的區(qū)域?yàn)槿鯚o(wú)影響區(qū)域界限。

2 工程影響分區(qū)

2.1 分區(qū)方法

通過(guò)有限元軟件開展相關(guān)分析計(jì)算工作。計(jì)算時(shí)考慮到隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以按照平面問(wèn)題進(jìn)行處理。為確保模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，設(shè)置隧洞左右邊界以及下邊界的區(qū)域范圍全部超過(guò)隧洞尺寸的4倍以上。隧洞頂部區(qū)域的大小則根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。模擬仿真分析時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，節(jié)省模型分析計(jì)算的時(shí)間。忽略了一些因素的影響，比如爆破震動(dòng)的影響。但不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成顯著影響。

本文所述的地鐵工程項(xiàng)目沿線地層變化幅度比較大。從上至下依次為土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，對(duì)應(yīng)的厚度分別在2～15 m、2～13 m和2～25 m。仿真分析時(shí)假設(shè)所有的隧道圍巖具有相同的屬性，全部按照中風(fēng)化花崗巖的屬性進(jìn)行設(shè)置，具體屬性參數(shù)如下：彈性模量和泊松比分別為5GPa和0.25，密度為24.5 kN/m3，粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為0.6 MPa和35°。

以某建筑物正好位于隧道上方為例進(jìn)行仿真計(jì)算。建筑物的重量載荷以及基地的寬度分別為265 kPa和12 m，隧道高度以及跨度分別為6.5 m和6 m。計(jì)算了拱頂距離建筑基底的距離H的大小對(duì)隧道圍巖安全系數(shù)和潛在破裂區(qū)域的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)H不超過(guò)6 m時(shí)，隨著H值的不斷增大，安全系數(shù)以較快的速度增長(zhǎng)。與此同時(shí)，潛在破裂區(qū)域延伸到了建筑基底區(qū)域。也就是說(shuō)隧道施工會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生顯著的影響，建筑處在施工工程的強(qiáng)影響區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)H為6 m時(shí)，圍巖安全系數(shù)出現(xiàn)突變。也就是說(shuō)H為6 m是強(qiáng)弱影響區(qū)域的分界。H超過(guò)6 m后，隧道圍巖安全系數(shù)隨著H的增大，其增大幅度非常小。當(dāng)H為18 m時(shí)，潛在破裂區(qū)域僅出現(xiàn)在隧洞附近區(qū)域，建筑基底附近的區(qū)域不存在任何問(wèn)題。

隨著H的不斷增大，安全比值ɑ也隨之逐漸增大。當(dāng)安全比值ɑ在75%左右時(shí)，隧道開挖造成的潛在破裂區(qū)域正好不會(huì)對(duì)建筑基底造成影響。進(jìn)一步對(duì)其他工況進(jìn)行模擬分析得到了同樣的規(guī)律?；诖耍梢詫踩戎胆坏扔?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的H值來(lái)劃分弱無(wú)影響區(qū)域?；谏鲜龅氖┕すこ逃绊懛謪^(qū)方法，本研究最終得到的強(qiáng)弱影響區(qū)域分界值為6 m，弱無(wú)影響區(qū)域的分界值為18 m。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

以隧道寬度6 m和建筑物載荷265 kPa分別作為基礎(chǔ)寬度D0和基礎(chǔ)載荷P0。分析了建筑載荷P/P0、隧道跨度D/D0、水平距離L/D0、基底寬度B/D0四個(gè)影響因子對(duì)施工工程影響分區(qū)的影響。取P/P0為0.4、1、2、4，D/D0分別為1、2、3，L/D0分別為-1/2、1/2、3/2、7/2，B/D0分別為1、2、6?；谝陨瞎r條件建立模擬仿真模型進(jìn)行分析計(jì)算，提取相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行研究和分析。以下詳細(xì)介紹四個(gè)影響因子對(duì)對(duì)施工工程影響分區(qū)的影響規(guī)律。

1)P/P0逐漸增加的時(shí)候，施工工程影響分區(qū)分界值總體上呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢(shì)，但是增大速度表現(xiàn)出兩頭大中間小的規(guī)律。說(shuō)明地面上建筑的載荷大小會(huì)對(duì)工程影響分區(qū)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的影響。具體而言，當(dāng)P/P0為0.4時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為0.5D和1.5D；當(dāng)P/P0為1和2時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為1D和3D；當(dāng)P/P0為4時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為1.5D和5D。

2)D/D0逐漸增大時(shí)，施工工程影響分區(qū)分界值逐漸降低，表明隧道跨度大小會(huì)對(duì)工程影響分區(qū)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的影響。當(dāng)D/D0為1時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為1D和3D；當(dāng)D/D0為2時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為0.75D和1.75D；當(dāng)D/D0為3時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為0.5D和1.33D。

3)當(dāng)L/D0在-1/2～1/2范圍變化時(shí)，對(duì)施工工程影響分區(qū)分界值沒(méi)有任何影響。而當(dāng)L/D0超過(guò)1/2且不斷增加時(shí)施工工程影響分區(qū)分界值逐漸降低。當(dāng)L/D0為-1/2和1/2時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為1D和3D；當(dāng)L/D0為3/2時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界分別為0和1D；當(dāng)L/D0為7/2時(shí)，強(qiáng)弱分界和弱無(wú)分界全部為0。

4)無(wú)論B/D0取多少，強(qiáng)弱影響區(qū)分界值始終保持不變，為1D。而當(dāng)B/D0為1時(shí)，弱無(wú)影響區(qū)分界值為2D；當(dāng)B/D0為2和6時(shí)，弱無(wú)影響區(qū)分界值均為3D。

3 地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程實(shí)例

3.1 工程概況

某城市地鐵線穿過(guò)城市中心，需穿過(guò)高層辦公建筑的區(qū)域?qū)儆陔p洞單線隧道。隧道斷面尺寸分別為高度6.5 m、跨度6 m。隧道附近的建筑A投入使用已經(jīng)20年，主樓總共17層，其中地下2層、地上15層，裙樓總共4層，其中地下1層，地上3層。整個(gè)建筑的長(zhǎng)度和寬度分別約為66 m和15.5 m，基底的埋深約為10 m左右。隧道行走方向與建筑中軸之間的夾角為45°，隧道頂板與基底之間的距離H在15～17 m范圍內(nèi)，其中巖石覆蓋厚度約為7～10 m。附近一座建筑B投入使用已經(jīng)10年，該建筑總共29層，其中地下4層，地上25層，基底埋深在15 m左右，隧道頂板與基底之間的距離H在12 m左右，其中巖石覆蓋厚度為1～4 m。

隧洞穿越的這部分建筑區(qū)域表面覆蓋有厚度為9～15 m的土層，土層下面為花崗巖且顆粒比較粗大，局部地方還存在有脈巖。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的厚度在5～7.8 m，部分花崗巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)圍巖級(jí)別屬于Ⅴ級(jí)。中風(fēng)化花崗巖覆蓋厚度在9.8～12 m范圍內(nèi)，屬于比較容易破碎的軟巖，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)花崗巖級(jí)別屬于Ⅲ級(jí)。

3.2 工程影響區(qū)域劃分

在計(jì)算建筑物載荷時(shí)按照層數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其中地下每層根據(jù)40 kPa計(jì)算，地上每層根據(jù)15 kPa計(jì)算。根據(jù)以上計(jì)算方法，可以計(jì)算得到兩個(gè)建筑的載荷分別為305 kPa和535 kPa。假設(shè)隧道正好從兩個(gè)建筑中間穿過(guò)，根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果可以知道，兩棟建筑物的強(qiáng)弱影響區(qū)域分界值以及弱無(wú)影響區(qū)域分界值分別是6 m和18 m。根據(jù)兩棟建筑基底與隧道頂板之間的距離H可以得出結(jié)論：建筑A處在弱影響區(qū)域，建筑B處在強(qiáng)影響區(qū)域。

3.3 工程影響區(qū)域劃分結(jié)果的實(shí)踐驗(yàn)證

本文所述的地鐵隧道工程項(xiàng)目已經(jīng)完成施工并交付使用。在隧道施工過(guò)程中，為了確保施工安全，對(duì)隧道圍巖以及附近建筑物的沉降情況進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的監(jiān)測(cè)。根據(jù)當(dāng)前階段執(zhí)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，在隧道開挖過(guò)程中，如果能夠?qū)⑺淼莱两盗靠刂圃?6 mm以內(nèi)，并且變形速率控制在每天2 mm，就認(rèn)為是滿足要求的。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)全方位的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)隧道開挖過(guò)程中建筑A的最大沉降量大約為5 mm，最快的沉降速度為每天1.35 mm，完全能夠滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)要求。建筑A屬于弱影響區(qū)域，所以在施工過(guò)程中沒(méi)有采取任何措施，施工過(guò)程沒(méi)有對(duì)建筑A產(chǎn)生較大的影響。對(duì)于建筑B，經(jīng)過(guò)本文的計(jì)算分析可知，屬于強(qiáng)影響區(qū)域范圍，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)建筑B的基礎(chǔ)最大沉降量達(dá)到了20 mm，已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。為了對(duì)建筑B的變形進(jìn)行控制，在隧道開挖過(guò)程中，在建筑周邊以及隧道拱頂?shù)葏^(qū)域進(jìn)行了注漿處理，以達(dá)到加固的目的。通過(guò)輔助施工措施有效避免了建筑B的繼續(xù)沉降，確保了安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元仿真軟件分析的地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程影響分區(qū)結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期效果，與實(shí)際情況非常吻合。

本文詳細(xì)闡述了地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程影響分區(qū)相關(guān)理論和方法。將本文提出的施工工程影響分區(qū)方法應(yīng)用到某地鐵隧道施工工程項(xiàng)目中，取得了較好的應(yīng)用效果，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況非常吻合。

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