某新建隧道近接下穿多層建筑基礎(chǔ)控制保護(hù)設(shè)計(jì)

蔡志偉 張浩 向昭

（中煤科工重慶設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，重慶 400042）

1 概述

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市交通建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大。在城市交通工程建設(shè)中，山地地形段可采用深路塹或隧道形式，因用地受限或需保護(hù)地表建、構(gòu)筑物的時(shí)候，往往采用隧道形式下穿既有建、構(gòu)筑物。為保護(hù)地表建、構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)，控制其沉降、變形，避免產(chǎn)生裂縫和結(jié)構(gòu)損傷，通常采用地基加固以保證基礎(chǔ)穩(wěn)定，下方隧道則采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”以減小圍巖擾動(dòng)，控制地表沉降。地基基礎(chǔ)加固可改善地基受力及變形性能，增大地基承載力，常見(jiàn)的地基基礎(chǔ)加固方法有注漿加固、錨桿靜力樁、加大基礎(chǔ)底面積等，其中注漿和加大基礎(chǔ)底面積的加固方法施工簡(jiǎn)單、所需設(shè)備少，在隧道近接下穿建筑物基礎(chǔ)的施工中優(yōu)勢(shì)明顯。本文從隧道近接下穿建筑物基礎(chǔ)段的隧道設(shè)計(jì)、建筑物地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)、施工工藝控制等方面進(jìn)行總結(jié)。

2 工程概況

某雙洞隧道位于瀘州市江陽(yáng)區(qū)，為雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h。其左洞（下行線） 長(zhǎng)463.37m，右洞（上行線）長(zhǎng)437.991m，除右洞洞身穿過(guò)極少砂巖層外，其余均穿過(guò)泥巖地層，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道左洞ZK0+415～ZK0+450 段、右洞K0+426～K0+440 段下穿既有忠山賓館建筑(5F/-1F、5F/-2F)，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁底標(biāo)高距下行線隧道襯砌結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高0～6.4m，距上行線隧道襯砌結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高4.31～10.97m，平面布置圖如圖1 所示。施工過(guò)程中，受廣營(yíng)路端洞口周邊房屋拆遷進(jìn)度影響，從連江路一端洞口單向掘進(jìn)，廣營(yíng)路端洞口頂部原計(jì)劃拆除的忠山賓館已確定無(wú)法拆遷，此時(shí)上行線已掘進(jìn)至K0+450(由小里程向大里程掘進(jìn))，全環(huán)二襯跟進(jìn)至約K0+442，仰拱跟進(jìn)至約K0+447，剩余待掘進(jìn)洞口段長(zhǎng)約30 米；下行線已掘進(jìn)至K0+420(由小里程向大里程掘進(jìn))，全環(huán)二襯跟進(jìn)至約K0+412，仰拱跟進(jìn)至約K0+417，剩余待掘進(jìn)洞口段約62 米，隧道剩余段需考慮對(duì)既有建筑物的保護(hù)。

圖1 項(xiàng)目總平面圖

3 隧道與建筑基礎(chǔ)關(guān)系及地質(zhì)情況

根據(jù)已搜集資料，并結(jié)合補(bǔ)充勘察，隧道下行線下穿忠山賓館段大部分位于基巖內(nèi)，局部位于填土內(nèi)，上覆填土厚4.0m～16.6m，基巖厚0～9.3m；上行線全部位于基巖內(nèi)，上覆填土厚約5.0m，基巖厚9.2～10.7m，圍巖等級(jí)均為Ⅴ級(jí)。忠山賓館的建筑基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，直徑為0.8m，孔徑為1.04m，單側(cè)護(hù)壁厚0.12m，部分為擴(kuò)孔樁。由于搜集資料不完整，結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)推測(cè)樁底標(biāo)高（為地坪標(biāo)高-0.1m-鋼筋籠長(zhǎng)度），根據(jù)推測(cè)標(biāo)高可知下行線隧道頂部樁基大部分位于原設(shè)計(jì)的初期支護(hù)錨桿范圍以外，部分樁基侵入原設(shè)計(jì)的初期支護(hù)范圍以內(nèi)，其中樁ZH22 已侵入原設(shè)計(jì)的開(kāi)挖線以內(nèi)，安全隱患較大；上行線隧道頂部樁基全部位于原設(shè)計(jì)的初期支護(hù)錨桿范圍以外，且下穿段已施工完畢。隧道與建筑基礎(chǔ)關(guān)系平面圖，如圖2 所示，下穿建筑段縱斷面，如圖3 和圖4 所示。場(chǎng)地位于陽(yáng)高寺背斜南端東翼，距背斜軸部約1.00km。第四系土層分布不均，基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖和泥巖，場(chǎng)區(qū)巖體較完整，巖層產(chǎn)狀為120°∠10°，受區(qū)域構(gòu)造的影響，主要發(fā)育兩組裂隙：LX1（258°∠76°，延伸長(zhǎng)度1.7～5.5m，縫寬1～3mm，裂面平直，裂隙間距1～5.0m，無(wú)充填或少量粘性土充填）和LX2（323°∠66°，延伸長(zhǎng)度0.5～8.0m，縫寬1～3mm，裂面平直，裂隙間距1～3.0m，無(wú)充填或少量粘性土充填）。

圖2 隧道與建筑基礎(chǔ)關(guān)系平面圖

圖4 隧道右洞（上行線）下穿建筑段縱斷面圖

圖5 忠山賓館基礎(chǔ)處理筏板基礎(chǔ)布置圖

圖6 忠山賓館基礎(chǔ)處理鉆孔灌注樁布置圖

4 隧道及地基基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)及施工方案

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70）判定隧道穿越忠山賓館建筑物段為淺埋段，為確保隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮上部建筑物荷載的影響。

隧道下穿建筑物段為加強(qiáng)段，小凈距隧道中夾巖側(cè)采用D25 中空注漿錨桿，長(zhǎng)5m@=30cm*100cm，其余拱墻采用D25中空注漿錨桿，長(zhǎng)L=3.5m@=30cm*100cm，型鋼采用I20b 雙層鋼拱架，輔以φ108 超前自進(jìn)式洞身管棚，長(zhǎng)10m，環(huán)距40cm；該段嚴(yán)禁爆破，并嚴(yán)格要求每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺控制在0.3m 內(nèi)。由于忠山賓館建筑部分樁基礎(chǔ)已侵入隧道開(kāi)挖線，為減小二者間的不利影響，設(shè)計(jì)采用基礎(chǔ)置換方案，即隧道開(kāi)挖前，在忠山賓館（5F/-2F）建筑物下增加筏板基礎(chǔ)，其厚為1.0m，以之取代原有的樁基礎(chǔ)，避免隧道開(kāi)挖使得樁基礎(chǔ)失效而影響建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。忠山賓館基礎(chǔ)處理筏板基礎(chǔ)布置圖，如圖5 所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，上行線隧道洞頂范圍填土覆蓋層較薄，圍巖條件較好，距忠山賓館較遠(yuǎn)，且暗挖段大部分已實(shí)施，故以對(duì)下行線未施工區(qū)段進(jìn)行注漿為主，同時(shí)結(jié)合工程區(qū)中等風(fēng)化基巖面呈近半漏斗狀分布的特征，對(duì)上行線部分區(qū)域也進(jìn)行注漿，以固結(jié)頂部覆土，增大其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少隧道施工與頂部建筑物相互間的影響。結(jié)合忠山賓館地下層布局特點(diǎn)，避免注漿對(duì)忠山賓館-2F 地下室造成損害，注漿頂標(biāo)高較忠山賓館（5F/-2F）建筑物底板標(biāo)高（H=284.3m）低1.0m，取283.3m（即為筏板基礎(chǔ)底標(biāo)高），注漿孔底標(biāo)高以中等風(fēng)化線控制，要求注漿后地基承載力不小于300kPa。忠山賓館基礎(chǔ)處理鉆孔灌注樁布置圖，如圖6 所示。

建筑基礎(chǔ)加固施工前先對(duì)原結(jié)構(gòu)盡量卸載，并對(duì)結(jié)構(gòu)做好可靠有效的支撐。拆除原梁板時(shí)保留原梁板鋼筋至錨固長(zhǎng)度，采用植筋加固新增鋼筋，植筋前先查清原有柱/基礎(chǔ)/梁的鋼筋位置，然后選定鋼筋間隙進(jìn)行鉆孔植筋。新增加的梁與原結(jié)構(gòu)梁相連時(shí)，先將原梁端部混凝土鑿掉，鋼筋要保持完整。隧道開(kāi)挖采用機(jī)械開(kāi)挖，以減小對(duì)圍巖和頂部房屋建筑的影響。先施工上行線隧道，待上行線隧道二襯達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再實(shí)施下行線隧道，下行線隧道二襯應(yīng)緊跟施作，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。隧道施工時(shí)將洞頂房屋人員及重要財(cái)產(chǎn)搬離，待隧道施工完成，且進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)一定時(shí)期后，再重新投入使用。

5 數(shù)值模型計(jì)算分析

5.1 參數(shù)選取與模型建立

采用勘察報(bào)告中巖土參數(shù)，中風(fēng)化泥巖γ=25.5kN/m3，φ=210，c=210kPa，E=1000MPa，μ=0.32；中風(fēng)化砂巖γ=25kN/m3，φ=310，c=1300kPa，E=1414.23MPa，μ=0.28；中等風(fēng)化填土γ=20kN/m3，φ=280，c=50kPa，E=80MPa，μ=0.4；注漿填土γ=21kN/m3，φ=250，c=200kPa，E=1000MPa，μ=0.35?？紤]施工擾動(dòng)的影響，對(duì)巖土體參數(shù)按0.7 倍進(jìn)行折減。

該段隧道近接下穿建筑物基礎(chǔ)，采用地層結(jié)構(gòu)法，用MIDAS-GTS 有限元分析軟件模擬多個(gè)施工步作用下的影響程度。模型采用三維實(shí)體單元；隧道初期支護(hù)及二次襯砌采用二維板單元，建筑物結(jié)構(gòu)使用三維單元。為了確保計(jì)算精度，沿隧道縱向取90m，橫向取120m，從地表向下最高處取63m，最低處為50m，其模型如圖7 所示。巖土體采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，巖體采用D-P 準(zhǔn)則。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，下行線隧道的超前支護(hù)和初期支護(hù)進(jìn)尺控制在0.3m，二襯緊跟施作，一個(gè)施工步開(kāi)挖1.5m；下行線一個(gè)施工步開(kāi)挖0.9m，模型一共設(shè)置67 個(gè)計(jì)算步。每個(gè)開(kāi)挖段的初期支護(hù)和施加二襯階段，圍巖應(yīng)力分別釋放20%和80%。

圖7 有限元模型

圖8 豎向位移云圖

圖9 下行線修建完成后筏板基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)位移云圖

圖10 初支及二襯的豎向位移云圖

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果的豎向位移云圖，如圖8 所示。隨隧道的開(kāi)挖施工，建筑物筏板基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向位移和傾斜，最大豎向位移是在施工完成以后，其值為-1.15mm，最大傾斜發(fā)生在下行線隧道開(kāi)挖43 和下行線隧道開(kāi)挖44 兩步，其值為0.000029，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007 第5.3.4 條多層建筑（H≤24.0m）整體傾斜不能大于0.004 的要求。隧道修建完成后，筏板基礎(chǔ)及樁基礎(chǔ)的位移云圖，如圖9 所示。修建完成后，筏板基礎(chǔ)的第一主應(yīng)力值最大為+72.18kPa，最小為-138.55kPa，第三主應(yīng)力值最大為-144.09kPa，最小為-1.11MPa；樁基礎(chǔ)的第一主應(yīng)力值最大為+3.98MPa，最小為-1.22MPa，第三主應(yīng)力值最大為-0.54kPa，最小為-14.22MPa，均滿足材料抗壓、抗拉強(qiáng)度。隧道初支及二襯的豎向位移云圖，如圖10 所示。隧道拱頂最大位移值出現(xiàn)在建筑物正下方，其值為-2.50mm，仰拱最大位移值為+5.02mm，隧道二襯結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力值最大為+2.16MPa，最小為+1.71kPa；第三主應(yīng)力值最大為-50.19kPa，最小為-11.52MPa，滿足規(guī)范及材料性能要求。

6 控制保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

隧道開(kāi)挖對(duì)上部鄰近建筑基礎(chǔ)的控制保護(hù)設(shè)計(jì)，主要包含隧道圍巖結(jié)構(gòu)和支護(hù)的加強(qiáng)、隧道施工工藝控制及建筑地基基礎(chǔ)加固三個(gè)方面。針對(duì)隧道近接下穿建筑物基礎(chǔ)的情況，主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

6.1 嚴(yán)格控制開(kāi)挖方式及開(kāi)挖進(jìn)尺，減小施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，充分利用圍巖的自承載能力及空間效應(yīng)，短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)對(duì)于地表建筑物沉降的控制能起到顯著的效果。

6.2 針對(duì)土層及破碎巖層，采用注漿強(qiáng)化圍巖整體性和穩(wěn)定性，可改善圍巖力學(xué)性能，有效防止坍塌。

6.3 若開(kāi)挖隧道無(wú)法避免破壞上部建筑基礎(chǔ)，在隧道開(kāi)挖前，先增設(shè)筏板基礎(chǔ)或其他方式加大基礎(chǔ)底面積，再破除原基礎(chǔ)，可有效控制上部建筑的沉降和變形。

7 結(jié)論及建議

7.1 根據(jù)三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際情況，在增設(shè)筏板基礎(chǔ)并注漿后，建筑物下方的隧道拱頂雖出現(xiàn)了最大豎向位移，但在控制范圍內(nèi)，房屋在隧道實(shí)施后產(chǎn)生的沉降和變形均較小，隧道的實(shí)施對(duì)上方建筑物的結(jié)構(gòu)安全影響較小。

7.2 模型中模擬了隧道開(kāi)挖的施工步，嚴(yán)格采用短進(jìn)尺開(kāi)挖，對(duì)隧道拱頂上部建筑物的基礎(chǔ)變形可以起到較好的控制作用。

7.3 在滿足承載力要求的情況下，將與隧道沖突的建筑深基礎(chǔ)替換為淺基礎(chǔ)的方案切實(shí)可行，施工效率高，未出現(xiàn)施工困難的情況。

7.4 在類(lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，因數(shù)值模型中巖土體均簡(jiǎn)化考慮為均質(zhì)材料，且未考慮施工過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)，偏不安全，隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，考慮足夠的安全儲(chǔ)備。