小凈距平行隧道下穿多層廠房沉降分析

小凈距平行隧道下穿多層廠房沉降分析

1小凈距隧道下穿多層民用建筑的研究進(jìn)展隨著城市用地的稀密性，城市環(huán)境中的隧道工程越來越多。城市環(huán)境下的小凈距隧道通常會發(fā)現(xiàn)貫穿現(xiàn)有建筑物的情況。如何保證隧道本身的施工安全，盡量減少對現(xiàn)有建筑物的影響是一個重要的研究主題。近年來,相繼有科研人員及學(xué)者對小凈距隧道的相關(guān)技術(shù)問題展開了研究,研究領(lǐng)域主要涉及爆破震動、施工技術(shù)及對既有建筑物的加固與控制等[1~6];同時對隧道下穿既有鐵路、公路、隧道及民用建筑造成的地表沉降、房屋傾斜等問題進(jìn)行了研究[7~9]。但上述研究多為單一隧道下穿施工,對于城市礦山法小凈距隧道下穿多層民用建筑的研究還相對較少。本文依托工程實例,研究一般礦山法小凈距平行隧道施工對地表沉降、基礎(chǔ)局部沉降及傾斜的影響等問題,找出隧道下穿施工對既有多層建筑的影響規(guī)律,為類似條件下隧道的設(shè)計、施工及既有建筑物保護(hù)等提供參考。2項目總結(jié)2.1地下洞頂和下穿段某市區(qū)小凈距隧道在YK0+690附近從多層樓房側(cè)下方穿過,右線隧道開挖邊線距離樓房基礎(chǔ)平面最小間距為6.0m,該樓房附近地表與隧道洞頂?shù)拇怪本嚯x為16.0m。樓房與隧道平面及橫斷面相對位置關(guān)系如圖1和圖2所示。該樓為一棟六層磚混結(jié)構(gòu)建筑,鋼筋混凝土條形基礎(chǔ),修建年代較長。由于隧道下穿地層巖性較差(圖3),下穿區(qū)段(YK0+670~YK0+730)隧道埋深相對較淺,因此隧道的開挖可能會對上方樓房產(chǎn)生不利影響。為評估隧道施工對地表沉降及樓房基礎(chǔ)的影響程度,對該隧道的施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。2.2隧道施工方法左線隧道采用多臺階核心土法施工,右線隧道采用CD法施工,如圖4和圖5所示。2.3初期支護(hù)方案(1)隧道(YK0+660~+710)Ⅴ級圍巖段(1)超前小導(dǎo)管采用φ42×3.5mm的熱軋無縫鋼管,長4.5m,環(huán)向間距40cm,縱向排距2.5m,與工字鋼架配合使用,從鋼架腹部穿過,與隧道軸線成5°~10°外插角。(2)初期支護(hù)采用全封閉式,25cm厚C25噴混凝土,內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)并以I18工字鋼架作為初期支護(hù)的加強措施,鋼架縱向間距50cm。洞周設(shè)置φ22砂漿錨桿,錨桿長3.5m,按梅花形布設(shè)。(2)隧道(YK0+710~+730)Ⅳ級圍巖段(1)超前錨桿預(yù)支護(hù),采用φ25中空錨桿,長3.5m,環(huán)向間距40cm,縱向排距2.25m,與工字鋼架配合使用,從鋼架腹部穿過,與隧道軸線成5°~10°外插角。(2)初期支護(hù)拱墻采用22cm厚C25噴混凝土,內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)并以I16工字鋼架作為初期支護(hù)的加強措施,鋼架縱向間距75cm。洞周設(shè)置φ22砂漿錨桿,錨桿長3.0m,按100cm×75cm梅花形布設(shè)。3小凈距平行隧道施工過程的數(shù)值模擬分析采用顯式有限差分程序FALC3D軟件對隧道施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析,重點研究小凈距平行隧道施工過程對地表及既有樓房基礎(chǔ)的影響規(guī)律。3.1初支支護(hù)及數(shù)值模型考慮到樓房基礎(chǔ)與隧道相對位置關(guān)系,縱向計算范圍取60m(對應(yīng)于右線隧道里程K0+670~K0+730);左側(cè)以左線隧道中線為基準(zhǔn),計算范圍取40m;右側(cè)以右線中線為基準(zhǔn),計算范圍取65m;上部延伸到地表;下部延伸到隧道仰拱以下30m。隧道左右有水平約束,下部有垂直約束,前方和后方均有垂直其面的約束。整體及支護(hù)模型具體見圖6和圖7。數(shù)值模型中,用8節(jié)點6面體實體單元模擬圍巖及基礎(chǔ),用殼單元模擬初期支護(hù)、臨時支護(hù)。隧道計算模型中實體單元總數(shù)為16635,總節(jié)點數(shù)為17204個;結(jié)構(gòu)單元總數(shù)為2000個,總節(jié)點數(shù)為1029個。3.2計算參數(shù)根據(jù)隧道地質(zhì)勘察報告及《JTGD70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范》對圍巖及不同標(biāo)號混凝土的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值,詳見表1。3.3準(zhǔn)準(zhǔn)值的選取根據(jù)《GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定,民用建筑樓面均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值及其組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值系數(shù)等取值應(yīng)按表2的規(guī)定采用。地基基礎(chǔ)上除應(yīng)考慮樓面荷載外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重。本次計算,根據(jù)結(jié)構(gòu)類型,將結(jié)構(gòu)自重考慮為作用在基礎(chǔ)上的均布荷載,根據(jù)規(guī)范換算后的總荷載(結(jié)構(gòu)自重+樓面活荷載)為72.8kPa。4評估標(biāo)準(zhǔn)4.1基礎(chǔ)傾斜和傾斜根據(jù)《GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》,對由于隧道施工而引起的地表建筑物基礎(chǔ)下沉或局部傾斜應(yīng)小于表3和表4的規(guī)定。4.2隧道防護(hù)結(jié)構(gòu)初期支護(hù)及臨時支護(hù)素混凝土的安全系數(shù)根據(jù)《JTGD70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范》,采用表5中最小安全系數(shù)進(jìn)行評價。5研究斷面間距分布在分析計算結(jié)果時,以右線隧道距離樓房最近點為中心,兩側(cè)各取2個研究斷面,共計5個研究斷面,各斷面間距6.0m,如圖8所示。通過分析這些斷面處地層沉降及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況綜合評價地表沉降及隧道支護(hù)安全性。5.1研究斷面持續(xù)深化在研究斷面3中,隧道與既有樓房基礎(chǔ)凈距最小,因此重點對研究斷面3結(jié)果進(jìn)行分析。左右線隧道均施工完畢后,研究斷面3及全部圍巖位移計算結(jié)果見圖9和圖10。隧道施工完成后研究斷面3拱頂下沉最大值為37.5mm,樓房附近地表最大下沉量為20mm。當(dāng)隧道向大里程方向施工時,右線隧道縱向穿越地層由全風(fēng)化花崗巖逐漸過渡到強風(fēng)化花崗巖,左線隧道縱向穿越地層由強風(fēng)化花崗巖逐漸過渡到弱風(fēng)化花崗巖,因此從研究斷面1至研究斷面5隧道開挖引起的地表沉降逐漸減小。由各個研究斷面位移等值線圖可知,隧道左線施工后對地表沉降的影響較小,因此樓房附近地面沉降主要由右線隧道開挖控制。5.2右線隧道開挖對土體的影響左右線隧道均施工完畢后,研究斷面3圍巖內(nèi)塑性區(qū)計算結(jié)果見圖11。由圖11可知,右線隧道開挖對上方土體的影響較大,研究斷面右線隧道上方土體塑性區(qū)擴(kuò)展到了地表,據(jù)此推斷右線隧道施工過程中,其上方對應(yīng)地表可能會出現(xiàn)地表裂縫。因此在右線隧道施工過程中,應(yīng)在K0+670~K0+730區(qū)段地表設(shè)置監(jiān)測點并進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。5.3隧道最小制作安全系數(shù)研究斷面3支護(hù)內(nèi)力計算結(jié)果見圖12和圖13,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵斷面安全系數(shù)見表6。左線隧道支護(hù)安全系數(shù)普遍較高,此處僅分析右線隧道初期支護(hù)受力情況。右線隧道最小安全系數(shù)為1.7(中隔墻),受拉應(yīng)力控制。對比表5和表6可知,該小凈距隧道下穿段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)能滿足施工安全的需要。5.4沉降成果及初步分析由前面的分析可知,隧道右線開挖過程中會對地表沉降產(chǎn)生影響。為了評估隧道施工對附近樓房基礎(chǔ)的影響程度,在樓房基礎(chǔ)周邊布置了相應(yīng)的測點,具體布置情況如圖14所示。在隧道下穿施工過程中,樓房基礎(chǔ)沿長邊與短邊兩個方向上各個測點沉降隨施工過程的變化情況如圖15和圖16所示。由圖15可知,在右線左導(dǎo)洞開挖到1號測點對應(yīng)斷面前,樓房基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生超前沉降,其中1號測點超前沉降值最大,為4.5mm。此后右線左導(dǎo)洞穿過樓房基礎(chǔ)最近點,由沉降曲線可知,沿基礎(chǔ)長邊方向各個測點沉降速率先增大后減小,至最后趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后基礎(chǔ)1號測點最終沉降16.5mm。隧道開挖各個階段各測點沉降速率平緩,左線隧道繼續(xù)開挖沒有造成基礎(chǔ)沉降加速,樓房基礎(chǔ)沉降由右線隧道開挖控制。由圖16可知,相對長邊方向而言,在隧道右線開挖至樓房最近點前,1~5號測點均有不同程度的超前沉降,其中2號測點超前沉降4.2mm,5號測點超前沉降3.1mm,其它測點超前沉降在3~5mm之間。(2)階段沉降比例從計算結(jié)果可知,隧道開挖造成的地表沉降可以分為三個階段:超前沉降、初期支護(hù)封閉(與樓房基礎(chǔ)最近斷面)前沉降及初期支護(hù)封閉后的后期沉降。本次計算對各個監(jiān)測點分段沉降所占比例進(jìn)行了統(tǒng)計,基礎(chǔ)長邊和短邊方向各兩個測點分階段沉降比例如圖17~圖20所示。由圖19和圖20可知,各測點的分階段沉降中,超前沉降所占比例為13%~17%,初期支護(hù)封閉后沉降所占比例為22%~24%,初期支護(hù)封閉前沉降所占比例為60%~63%。該結(jié)果表明,地表沉降絕大部分發(fā)生在初期支護(hù)全斷面封閉前,因此初期支護(hù)封閉時間是控制總體沉降量的關(guān)鍵因素。(3)基礎(chǔ)變形評價隧道開挖將導(dǎo)致地表下沉,從而導(dǎo)致樓房基礎(chǔ)局部發(fā)生沉降和傾斜。左右線隧道全部通過樓房基礎(chǔ)后,樓房基礎(chǔ)最終沉降情況如圖21所示。對于磚混結(jié)構(gòu)樓房,基礎(chǔ)變形由局部沉降和局部傾斜控制,根據(jù)《GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》計算方法,樓房基礎(chǔ)在兩個方向的沉降及傾斜計算結(jié)果如表7所示。由表7可知,隧道右線下穿樓房附近地層引起的樓房基礎(chǔ)局部傾斜,在基礎(chǔ)短邊方向較為顯著?；A(chǔ)局部沉降最大值為1.23mm,相鄰基礎(chǔ)間距按3m計算時,折合0.0004L,基礎(chǔ)局部傾斜值為0.00042。對比表7與表3和表4可知,基礎(chǔ)局部沉降及局部傾斜均小于《GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的允許值,因此隧道施工后樓房基礎(chǔ)局部傾斜及局部沉降滿足規(guī)范要求。6結(jié)論6.1隧道工程中沉降的影響(1)隧道施工后,右線隧道對應(yīng)地表一定范圍將會產(chǎn)生一定程度的地表沉降,而左線隧道施工對地表沉降的影響不大。(2)隧道施工到樓房最近點前,樓房基礎(chǔ)發(fā)生的超前沉降占總沉降的13%~17%,研究斷面封閉前基礎(chǔ)沉降占總沉降的60%~63%,而研究斷面初期支護(hù)全斷面封閉后發(fā)生的沉降僅占總沉降的13%~18%。(3)當(dāng)隧道左右線均穿過距離樓房最近點并施工完畢后,樓房基礎(chǔ)區(qū)域地表最大沉降值為16.5mm,基礎(chǔ)局部沉降為0.0004L,因此局部沉降小于規(guī)范允許值。(4)隧道施工導(dǎo)致樓房基礎(chǔ)產(chǎn)生的局部傾斜值為0.00042,該值小于規(guī)范允許值,因此只要施工方法得當(dāng)并加強監(jiān)控量測,隧道施工對樓房的影響可控制在允許范圍內(nèi)。(5)右線隧道最不利受力位置為臨時中隔壁,中隔壁中部最小安全系數(shù)為1.7,且受拉應(yīng)力控制;左線隧道初期支護(hù)均受壓,結(jié)構(gòu)最不利受力點為左線隧道拱頂,最小安全系數(shù)為13.2,受壓應(yīng)力控制。綜上所述,盡管該小凈距平行隧道施工會對樓房基礎(chǔ)產(chǎn)生一定程度的影響,但是只要嚴(yán)格規(guī)范施工,并做好地表監(jiān)控量測,則隧道施工對樓房基礎(chǔ)的影響可控制在允許范圍內(nèi)。6.2地表沉降監(jiān)測(1)由數(shù)值計算結(jié)果可知,右線隧道施工導(dǎo)致隧道拱頂上方圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展至右線隧道地表附近,因此隧道施工可能會導(dǎo)