淺埋地鐵隧道曲線段下穿施工對上方建筑物的影響

吳旭平 徐立明 李 楊 楊新安

(1.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司,311100,杭州; 2.浙江杭溫鐵路有限公司,311100,杭州; 3.云南省發(fā)展和改革委員會,650051,昆明; 4.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,201800,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

青島地鐵13號線嘉陵江路站—香江路站區(qū)間(以下簡稱“嘉香區(qū)間”)周邊環(huán)境復(fù)雜,鄰近的建(構(gòu))筑物年代久遠(yuǎn)。嘉香區(qū)間隧道埋深較淺,地層有明顯的“上軟下硬”特點(diǎn),并且部分地層含水量較大,開挖施工帶來的地層擾動、地下水滲流影響較大。在這種工程環(huán)境下開展隧道施工,極易對周邊既有建筑物帶來不利影響。

目前,國內(nèi)學(xué)者針對淺埋隧道下穿既有建筑物開展了豐富的研究分析工作。文獻(xiàn)[1]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的方法研究了PBA工法(洞樁法)對于淺埋車站穿越既有建筑物的可行性;文獻(xiàn)[2]利用工程類比,分析了各工序下開挖隧道對于既有隧道的影響;文獻(xiàn)[3]以淺埋黃土隧道為例,基于提出的改進(jìn)型開挖施工方法,通過數(shù)值計算驗(yàn)證了改進(jìn)方法的可行性;文獻(xiàn)[4]對下穿段采用的長大管棚進(jìn)行受力機(jī)制分析,建立了相應(yīng)的黃土與隧道數(shù)值模型,通過對比實(shí)測數(shù)據(jù),分析得到了長大管棚對于保護(hù)既有建筑物具有良好的效果。文獻(xiàn)[5]以青島地鐵3號線為例,對隧道穿越建筑物群所采用的超前小導(dǎo)管等措施進(jìn)行了計算模擬,將下穿施工時建筑物變形分為幾個階段,對于研究隧道下穿建筑物的變形規(guī)律有一定意義。文獻(xiàn)[6]以寧波市軌道交通4號線金達(dá)路站—錢湖大道站區(qū)間下穿高鐵橋梁為依托,建立了多種工況下的數(shù)值計算模型,從橫向豎向變形入手分析隧道施工對橋梁的影響。通過對上述文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),不同的地層、工法、建筑物與隧道結(jié)構(gòu)形式以及隧道穿越方式意味著隧道下穿建筑物問題具有明顯的工程特性,已有的研究成果難以復(fù)用。因此,本文針對嘉香區(qū)間曲線下穿既有建筑物工程,在對周邊建筑物情況調(diào)查以及所處地層特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計算結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析的方法,探究淺埋曲線隧道施工開挖對于既有建筑物的影響。

1 工程概況

嘉香區(qū)間從嘉陵江路站出發(fā),沿嘉陵江西路向東敷設(shè),拐入井岡山路,最終在香江路路口接入香江路站,其中在YCK5+088.600—YCK6+178.979里程內(nèi)下穿愛思恩梯重工有限公司一座二層廠房建筑(以下簡稱“重工廠房”)。嘉香區(qū)間線路走向如圖1所示。嘉香區(qū)間處于濱海堆積區(qū),隧道圍巖分級為Ⅴ—Ⅵ級,隧道區(qū)間埋深為9～20 m,線路曲線半徑R=500 m,雙線最大線間距約為14.0 m,最小線間距為13.5 m。隧道開挖寬度為14.68 m,凈高為11.60 m。嘉香區(qū)間隧道采用礦山法施工。

圖1 嘉香區(qū)間線路走向

1.1 隧道穿越建筑物概況

嘉香區(qū)間穿越井岡山路兩側(cè)地上的居民樓和廠房等建(構(gòu))筑物,大部分為多層的磚混結(jié)構(gòu)房屋,地上建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深不大,主要下穿、側(cè)穿的既有建筑物概況如表1所示。其中,隧道從重工廠房下方穿過,對其影響最大,故本文僅以重工廠房為例對隧道下穿施工的影響進(jìn)行分析。重工廠房始建于1992年,尺寸為長100 m,寬75 m,地上部分共2層,每層樓高5 m,其基礎(chǔ)部分包括樁基、柱基及基礎(chǔ)梁。其中,樁基為結(jié)構(gòu)柱下獨(dú)立樁,長度為10 m,截面尺寸為400 mm×600 mm。嘉香區(qū)間區(qū)間隧道與重工廠房的空間位置關(guān)系如圖2所示。由圖2可知:隧道頂部與重工廠房基礎(chǔ)最短距離僅為5 m,故廠房結(jié)構(gòu)在施工過程中容易受到影響;隧道下穿區(qū)段為曲線段,故隧道施工對于重工廠房的影響更加復(fù)雜。為確保周邊建(構(gòu))筑物的安全,根據(jù)建筑物現(xiàn)狀,安全控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)更嚴(yán)格,現(xiàn)設(shè)定總沉降值控制值為20 mm,沉降速度控制值為1.5 mm/d,差異沉降值控制值為8 mm。由此,嘉香區(qū)間隧道采用預(yù)留核心土的臺階開挖法施工,且右線先行開挖施工,開挖前進(jìn)30 m后左線跟進(jìn),以避免左右線同時開挖帶來較大的地層擾動。

表1 隧道穿越建筑物概況

a) 重工廠房與隧道平面位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)情況

嘉香區(qū)間隧道下穿重工廠房區(qū)段(以下簡為“下穿區(qū)段”)處地層具有典型的“上軟下硬”特征。上部地層主要以較軟弱的填土及黏土為主,部分區(qū)段還分布了松散且黏聚力較低的的中、粗砂;下部地層以風(fēng)化程度較高的凝灰?guī)r及花崗巖為主。下穿區(qū)段所穿越主要地層的巖土特征及開挖穩(wěn)定狀態(tài)見表2。由于項(xiàng)目地處濱海堆積區(qū),靠近地表水體(海、河、水渠),故地層含水量較大,且第四系孔隙水及基巖裂隙水為主要的地下水來源。在隧道開挖過程中,將使周圍巖土體的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生很大變化,地應(yīng)力場與地下水滲流都發(fā)生較大的變化。施工過程中圍巖應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的位移,將造成較大范圍的巖土體變形。另外,在施工過程中若地下水控制措施不當(dāng),則可能導(dǎo)致地下水水位下降,引發(fā)路面沉降以及周邊建(構(gòu))筑物開裂,嚴(yán)重時可導(dǎo)致地面塌陷及樓房坍塌,甚至?xí)斐傻叵鹿芫€斷裂;若雨水管、污水管等管線發(fā)生斷裂,則會形成外部水源,造成巖土體強(qiáng)度降低,極易誘發(fā)掌子面失穩(wěn)及圍巖塌方等事故,對隧道施工產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

表2 隧道下穿區(qū)段處地層及巖土特征

若要評估隧道開挖可能帶來的地下水滲流及涌水影響,需以隧道所處地層的透水能力作為依據(jù)。本研究選取施工現(xiàn)場分布廣泛而典型的3種不同含水率的土樣,測定其滲透系數(shù)。由于測試土樣顆粒較大,孔隙多,故通過常水頭滲透裝置進(jìn)行測定。測得不同含水率下不同土樣的滲透系數(shù)如表3所示。

表3 不同含水率下不同土樣的滲透系數(shù)

由表3可知:3種土樣的含水率都較大;隨著含水率的增大,土樣的滲透系數(shù)也增大。由此可以推斷:隨著隧道的開挖,周邊圍巖地下水流失,地層含水率降低,透水能力也會逐漸減小,進(jìn)而圍巖的持水能力得以增強(qiáng);此時,無法及時排掉的地下水自重會增大隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力,給隧道施工安全帶來威脅;同時,地下水的流失會反作用于地層,給地層帶來進(jìn)一步的擾動,增大地層變形,對周邊既有建(構(gòu))筑物造成威脅。

1.3 工程特點(diǎn)

由工程環(huán)境及地質(zhì)條件分析可知,下穿區(qū)段工程具有以下特點(diǎn):

1) 由于隧道埋深較淺,距離建筑物基礎(chǔ)較近,且下穿區(qū)段正好為線路曲線段,故隧道下穿開挖給廠房等建筑物帶來的影響更加復(fù)雜,尤其是其引起的變形在空間上分布明顯不具備對稱性。

2) 建筑物年代久遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)老舊,抗變形能力差,故隧道施工的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格。

3) 穿越的地層含水量較大,滲透能力強(qiáng),開挖容易導(dǎo)致較大的地下水滲流,造成更大的地層擾動。

2 數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建與測點(diǎn)布置

本文利用FLAC3D軟件,選取下穿區(qū)段(里程為YCK5+088.600—YCK6+178.979)建立數(shù)值模型,進(jìn)行數(shù)值計算。數(shù)值模型中:下穿區(qū)段的線路半徑為500 m,隧道埋深為20 m,素填土層厚度為6 m,黏土層厚度為16 m,最下層為風(fēng)化花崗巖;地層本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型;地下水位為4 m。為消除邊界效應(yīng),數(shù)值模型尺寸為220 m(x向)×165 m(y向)× 50 m(z向)。其中重工廠房長100 m,寬75 m,樁基礎(chǔ)長度為10 m,樓高10 m。下穿區(qū)段模型如圖3 a)所示。采用BEAM單元對廠房結(jié)構(gòu)柱及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。隧道采用預(yù)留核心土的臺階開挖法,每次開挖循環(huán)進(jìn)尺為5 m,預(yù)留核心土長度為5 m,右線進(jìn)洞達(dá)30 m后左線隧洞跟進(jìn)開挖。總共模擬50個循環(huán)進(jìn)尺工況。

a) 數(shù)值模型

為實(shí)時監(jiān)控廠房結(jié)構(gòu)安全,在實(shí)際施工過程中,于廠房靠近隧道開挖面一側(cè)的一樓樓板布置了10個z向變形監(jiān)測點(diǎn),且每個監(jiān)測點(diǎn)的絕對距離大約為10 m。實(shí)際測點(diǎn)位置布置見圖3 b)。此外,還在施工豎井與廠房之間的地面設(shè)置了地面變形測點(diǎn)。為驗(yàn)證模擬效果,在數(shù)值模型雙洞之間的樁上設(shè)置10個z向變形監(jiān)測點(diǎn)。

數(shù)值模型中,各層土體為各向同性的透水模型,并將地下水位以下的地層視為完全飽和土體。計算原理采用Biot三維固結(jié)原理,土體顆粒視為不可壓縮,Biot系數(shù)為1。此外,隧道初噴混凝土及建筑物結(jié)構(gòu)材質(zhì)等其他結(jié)構(gòu)材質(zhì)均視作不可透水。

2.2 數(shù)值模型的材料參數(shù)

地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)建模參數(shù)分別如表4及表5所示。

表4 地層材料參數(shù)

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3 隧道施工對廠房結(jié)構(gòu)的影響

本文將結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果,分析下穿區(qū)段施工對廠房結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 對廠房樓板的影響

在下穿區(qū)段開挖通過后的26 d內(nèi),通過 10個z向測點(diǎn)獲取重工廠房的實(shí)際變形數(shù)據(jù)。實(shí)際監(jiān)測得到的廠房變形數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可直觀地看出,經(jīng)歷一段時間后,重工廠房變形基本達(dá)到穩(wěn)定。各測點(diǎn)按最終變形量由大到小排序?yàn)?測點(diǎn)3、測點(diǎn)2、測點(diǎn)10、測點(diǎn)4、測點(diǎn)1、測點(diǎn)7、測點(diǎn)8、測點(diǎn)9、測點(diǎn)6、測點(diǎn)5。其中,最大變形量監(jiān)測值達(dá)到7.46 mm。在測點(diǎn)5、6處還出現(xiàn)了樓板隆起現(xiàn)象。這說明在隧道開挖過程中,廠房的樓板出現(xiàn)了較大的不均勻變形,甚至有可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。

圖4 實(shí)際測點(diǎn)監(jiān)測的廠房變形情況

為了進(jìn)一步探究廠房樓板空間位置上的變形規(guī)律,選取各測點(diǎn)第26 d的實(shí)際變形數(shù)據(jù)和數(shù)值計算結(jié)果,以各測點(diǎn)距測點(diǎn)1的距離為橫軸,繪制測點(diǎn)位置處的變形結(jié)果如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)位置處的變形結(jié)果對比

由圖5可見:數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合,說明模擬效果較好。但是數(shù)值計算得到的同一位置的樓板變形量相對實(shí)際較大,而且數(shù)值計算得到的隆起量并不明顯。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),廠房東北角附近的測點(diǎn) 2、3處的樓板變形較大,廠房東邊位置的測點(diǎn)5、6、7、8處的樓板變形較小。該變形分布特點(diǎn)上與隧道走向基本一致,即在靠近隧道開挖范圍內(nèi)的廠房結(jié)構(gòu),受到隧道開挖地層擾動的影響較大,故相應(yīng)變形量較大。

在開挖過程中,隧道開挖位置對廠房變形的影響也存在著明顯的差異。本文選取3個典型進(jìn)度節(jié)點(diǎn)分析廠房結(jié)構(gòu)變形。圖6為典型進(jìn)度節(jié)點(diǎn)的廠房結(jié)構(gòu)變形云圖。其中,進(jìn)度節(jié)點(diǎn)1為隧道開挖至廠房區(qū)域前方,進(jìn)度節(jié)點(diǎn)2為隧道開挖至廠房,進(jìn)度節(jié)點(diǎn)3為隧道完全通過廠房區(qū)域。

a) 進(jìn)度節(jié)點(diǎn)1的開挖情況

由圖6 a)可知,隧道未開挖到廠房區(qū)域時,雖然隧道掌子面與廠房間足有50 m的水平距離,但地層擾動已發(fā)展到了廠房所處的區(qū)域,此時的最大變形量不足1 mm,且最大變形正好出現(xiàn)在隧道前進(jìn)方向上。由圖6 b)可知,隨著隧道開挖至廠房區(qū)域,廠房整體變形量有所增加,且最大變形量已達(dá)2.32 mm,變形較大的區(qū)域逐漸擴(kuò)展到整個迎著隧道前進(jìn)方向的廠房東面。由圖6 c)可知,隧道雙洞全部通過廠房區(qū)域后,廠房最大變形量達(dá)7.33 mm,且最大變形出現(xiàn)在廠房的東北角,與實(shí)際監(jiān)測到的最大變形出現(xiàn)位置一致。此外,整個廠房東側(cè)和西側(cè)的變形差異較大。

3.2 對廠房樁基礎(chǔ)的影響

在數(shù)值模型中,在位于左右隧洞中間的3根樁上布設(shè)了3個虛擬測點(diǎn)(圖7中的測點(diǎn)1#、2#及3#),其中測點(diǎn)1#布設(shè)在雙洞之間的樁中心上,測點(diǎn)2#位于先掘進(jìn)洞正上方的樁中心上,測點(diǎn)3#位于靠近后掘洞上方的樁中心上。提取出開挖過程中各測點(diǎn)的x向水平應(yīng)力、以及測點(diǎn)1#在x向及y向的變形數(shù)據(jù),繪制出隨隧道開挖進(jìn)尺的變化曲線。如圖8及圖9所示。

圖8 不同開挖進(jìn)尺下測點(diǎn)處的水平應(yīng)力

圖9 不同開挖進(jìn)尺下測點(diǎn)1#的x向位移

由圖8可知:在進(jìn)度節(jié)點(diǎn)2處,即隧道即將到達(dá)廠房區(qū)域時,3根樁受到的水平應(yīng)力最大,接近27.80 kPa,之后,隨著雙線并行開挖,3根樁受到的x向水平應(yīng)力均有所回升,最后逐漸穩(wěn)定在27.65～27.75 kPa范圍內(nèi),并且測點(diǎn)1#(其樁位于雙洞之間)的水平應(yīng)力最大。當(dāng)開挖進(jìn)尺達(dá)到30 m時,測點(diǎn)1#的水平應(yīng)力實(shí)際監(jiān)測值有突變,據(jù)推測是后洞掘進(jìn)造成的。對比圖9發(fā)現(xiàn),測點(diǎn)1#的x向位移與所受應(yīng)力變化一致,x向位移最大達(dá)到1.2 mm左右。據(jù)推測,之所以隨著左洞的開挖,x向位移最大值有所減小,是因?yàn)樽蠖撮_挖造成地層擾動,此時雙洞之間的圍巖相互擠壓,位于此范圍內(nèi)的樁受到的左右兩側(cè)水平地應(yīng)力相互抵消了一部分,進(jìn)而最終受到的x向上的水平地應(yīng)力變小,變形也減小。這說明雙洞非同步開挖能有效減小對地層的擾動,進(jìn)而減小對既有建筑物樁基礎(chǔ)的影響。

在y向,即隧道開挖前進(jìn)的方向,樁體持續(xù)受到的地應(yīng)力方向保持不變,所以y向位移逐步增加,相應(yīng)變形增大。

3.3 隧道開挖順序?qū)λ矶垂绊斪冃蔚挠绊?/h3>

為了科學(xué)地展示開挖順序?qū)ψ笥宜矶醋冃蔚挠绊?對于y=5、10、15、20、25 m處斷面,繪制出掌子面推進(jìn)距離為25、20、15、10、5 m時各斷面左右洞的拱頂位移情況,如圖10所示。

a) 左洞

由圖10中曲線形態(tài)可以明顯看出:在不同開挖步序中,曲線的形態(tài)有明顯的變化,左右洞的曲線形態(tài)也有明顯區(qū)別。這說明,左右洞單獨(dú)開挖階段的變形與雙洞同時開挖階段的變形存在著明顯差異。觀察圖10 a)發(fā)現(xiàn):左洞單獨(dú)開挖5.0 m時,隨著掌子面發(fā)推進(jìn),隧洞拱頂變形變化速率較大;當(dāng)進(jìn)入左右洞同時開挖的階段后,隧洞拱頂變形隨掌子面推進(jìn)變化的速率反而減小。觀察圖10 b)發(fā)現(xiàn):在雙洞同時開挖階段,右洞拱頂變形隨掌子面推進(jìn)的變化速率較小;進(jìn)入單獨(dú)開挖階段,右洞拱頂變形隨掌子面推進(jìn)的變化速率明顯減小。

4 結(jié)論

1) 嘉香區(qū)間下穿區(qū)段所處地層透水能力較強(qiáng),且隨著含水量的增大,滲透系數(shù)變大。隧道開挖后圍巖中地下水滲流,使得圍巖含水率降低,圍巖持水能力增強(qiáng),使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到額外的地下水重力作用,從而增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。

2) 由于重工廠房位于線路曲線下穿段上方,故在隧道開挖過程中,廠房不同位置的變形有著明顯的空間差異性。整體上,廠房東側(cè)的結(jié)構(gòu)變形量較大,部分位置的樓板還出現(xiàn)向上的變形。

3) 在隧道開挖通過廠房前后,廠房結(jié)構(gòu)受到的影響有巨大差異;實(shí)際施工采用右洞先行開挖,左洞后行的開挖方案,在一定程度上減小了對地層的擾動。尤其對于位于雙洞之間的廠房樁基礎(chǔ),由于雙洞開挖對中間圍巖的擠壓相互抵消,故處該位置附近的樁基礎(chǔ)水平變形有所減小。

4) 前后洞錯開開挖的工序,使得隧洞開挖過程中的變形呈現(xiàn)不同的特征。洞同時開挖時,隧洞拱頂處變形速率較小,單獨(dú)開挖時隧洞拱頂處變形速率反而較大。