小凈距隧道下穿既有建筑物穩(wěn)定性研究

習淑娟，黃　琳

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術學院交通系，石家莊　050041；2.石家莊鐵道大學研究生學院，石家莊　050043)

小凈距隧道下穿既有建筑物穩(wěn)定性研究

習淑娟1，黃琳2

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術學院交通系，石家莊050041；2.石家莊鐵道大學研究生學院，石家莊050043)

摘要：近接施工引起的結構穩(wěn)定性一直是城市地下工程關注的熱點問題。以合肥小凈距隧道穿越利海大廈辦公樓工程實踐為依托，建立三維數(shù)值力學模型，研究建筑物樁基變形特性、小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布和襯砌力學響應。研究結果表明：上臺階開挖引起樁基沉降占整個斷面通過后總沉降量較大比例，上臺階施工過程控制尤為重要；接近隧道入口的樁基沉降量最大，從外向內(nèi)逐漸減??；隧道通過20 m后，樁基沉降基本穩(wěn)定。小凈距隧道圍巖塑性區(qū)主要集中在邊墻、中隔墻和拱腳，建議設置中隔墻對拉錨桿和拱腳鎖腳錨桿；先行洞洞周變形大于后行洞，先行洞隧道拱肩、中夾巖柱側邊墻二次襯砌安全系數(shù)最小，應作為施工階段重點監(jiān)測部位。研究成果對復雜環(huán)境城市地下工程設計、施工提供參考和借鑒。

關鍵詞：小凈距隧道；下穿；既有建筑物；樁基；襯砌受力

1概述

隨著城市地下工程的發(fā)展，隧道下穿既有建筑物越來越多，不可避免地引起建筑物基礎的沉降，給房屋安全帶來潛在風險[1]。特別是小凈距隧道的施工，先行洞和后行洞相互影響，如果設計不合理，有可能引起建筑物基礎沉降過大，造成結構的損傷，甚至坍塌。針對此問題，國內(nèi)外進行了相關的研究，取得一定的研究成果[2-3]。

張頂立[4]以北京地區(qū)淺埋暗挖法下穿既有隧道為依托，通過現(xiàn)場實測，研究了既有隧道變形特征，并提出一個簡便、快捷預測方法。王春希[5]采用不同工法及不同加固范圍的計算分析比較，確定暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施。張明聚[6]采用數(shù)值模擬，分析了盾構施工中的左右洞先后掘進對鄰近建筑物群影響。賀少輝[7]結合武廣高速鐵路尖峰頂隧道下穿地表高壓輸電線塔，采用以流固耦合數(shù)值計算，分析地層變形的關鍵影響因素。陳浩[8]以北京地鐵9號線軍事博物館車站下穿既有地鐵1號線工程實踐，研究了既有結構變形規(guī)律，針對既有結構變形提出有效的控制措施。王明年[9]以客運專線隧道下穿立交橋工程為例，研究近接樁基施工位移控制技術，提出隧道兩側設置隔離樁加固方案。彭立敏[10]以深圳地鐵隧道下穿住宅小區(qū)建筑群為依托，認為穿越角度對建筑物變形影響較大，但是結構受力影響較小。

參考國內(nèi)外文獻[11-12]，對城市近接地下工程的施工，大部分是針對單洞隧道下穿建筑物進行研究。數(shù)值分析方面，大部分是集中在二維數(shù)值模擬，按照實際工序進行三維小凈距隧道下穿既有建筑物研究相對較少。鑒于此，結合合肥小凈距隧道穿越利海大廈辦公樓工程實踐，研究小凈距隧道下穿既有建筑物穩(wěn)定性，進而指導工程實踐，具有重要理論意義和科學價值。

2工程概況

利海大廈辦公樓11F，獨立樁基底部距離隧道初期支護拱頂18.5 m，兩者相互影響較大，樁基按平面圖設6×10個(按線性排布)，既有建筑物樁基與小凈距隧道平面關系如圖1所示。其中，相鄰隧道凈距7.28 m，遠小于《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70-2004)中4.3.2節(jié)對小凈距隧道的規(guī)定，Ⅳ級圍巖小凈距要求為2.5B=23 m(B為隧道跨度9.2 m)。

圖1　既有建筑物樁基與小凈距隧道平面關系

利海大廈屬于辦公類用樓，在結構荷載取值的時候按辦公樓類取用。恒載取值：樓板的厚度為0.2 m，裝修厚度取0.05 m，梁、柱、隔墻按經(jīng)驗等效換算為板厚(0.2 m)，板的重度按26 kN/m3取值，故標準恒載SGK=0.45×26=11.7 kN/m2。

活荷載取值按《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2001)中4.1民用建筑樓面均布活荷載取值為2.5 kN/m2，即標準活荷載取值SOK=2.5 kN/m2。

荷載設計值：

S=SGK×1.35+SOK×1.4=19.25kN/m2

計算取荷載設計值為20.20kN/m2。

按《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2002)取樁周圍承載面積內(nèi)荷載進行計算。

2.1計算模型

利海大廈采用獨立樁基，采用三維快速朗格拉日差分法軟件FLAC3D，模型橫斷面方向為100m，隧道軸線方向80m，隧道中心到底部邊界選取25m，上邊界取值地表。初期支護、二次襯砌、樁基和圍巖均采用六面體實體單元，節(jié)點153 038個，單元146 152個。三維計算模型前、后、左、右及下邊界均為法向位移約束，樁基頂部施加豎向建筑物等效荷載，上表面(除樁以外)為自由邊際，模擬地表實際情況，三維計算模型見圖2。

圖2　三維計算模型

2.2開挖順序

上下臺階法施工，臺階距離10 m，隧道開挖支護順序如圖3所示。

圖3　小凈距隧道施工過程

按照實際施工工藝，該段小凈距隧道采用上下臺階法，右洞先行，待先行洞二次襯砌澆筑完成并達到強度后，方能開挖后行洞(左洞)。

2.3計算參數(shù)

隧道圍巖巖性以中風化砂質(zhì)泥巖為主，呈塊狀結構，圍巖級別為Ⅳ級，總體穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)勘察報告以及隧道設計規(guī)范，圍巖、支護結構計算物理力學參數(shù)如表1所示，采用摩爾庫倫本構模型。

表1　計算物理力學參數(shù)

圖6　隧道入口端樁基沉降比較

3隧道圍巖與樁基穩(wěn)定性

3.1隧道拱頂位移與掌子面開挖關系

上下臺階法施工，臺階距離10 m，施工過程中，先行洞、后行洞拱頂位移隨臺階法掘進變化曲線如圖4所示。

圖4　拱頂位移與上下臺階開挖距離關系曲線

從圖4看出，拱頂位移隨開挖距離的增大而增大，當上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，拱頂位移增大緩慢趨向平衡。后行洞(左洞)施工對先行洞(右洞)的二次擾動，先行洞拱頂位移比后行洞大，從變形角度看，先行洞洞周變形應該作為監(jiān)測的重點。

3.2隧道圍巖塑性區(qū)分布特征

臺階法施工完成后，小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖5所示。

圖5　圍巖塑性區(qū)分布特征

從圖5看出，圍巖塑性區(qū)主要分布在邊墻和拱腳位置，而且隨著開挖進行變化很小，其中，小凈距隧道中隔墻部分塑性區(qū)較大，接近貫通，施工過程中建議設置對拉錨桿。隧道拱腳處產(chǎn)生較大塑性區(qū)，此處建議設置鎖腳錨桿，提高拱腳穩(wěn)定性。

3.3樁基與掌子面開挖沉降規(guī)律

上下臺階法施工過程中，與隧道進口最近的橫向第一排樁基(101號樁、131號樁、151號樁，具體位置見圖1)變形過程曲線如圖6所示。

從圖6看出，隨著掌子面的掘進，右洞開挖對樁基影響較左洞要小，從開挖2～16 m段對樁基的影響較小，16～30 m段樁基位移變化明顯，而30 m以后的開挖對樁基影響較小。樁基位移隨開挖距離的增大而增大，當上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，樁位移增大緩慢趨向平衡，建筑物樁基總體穩(wěn)定。

圖7　沿隧道軸線縱向樁基沉降比較

上下臺階法施工過程中，沿隧道軸向樁體(具體位置見圖1)變形曲線如圖7所示。從圖7明顯看出，樁基沉降隨開挖距離的增大而增大，開挖上臺階2～16 m段對樁基影響較小，16～30 m段樁位移變化明顯，當上臺階開挖完畢，下臺階開挖距離增大，拱頂位移增大緩慢趨向平衡。另外，距離洞口位置越遠，樁基沉降越小。

圖8　同一水平位置橫向樁基沉降比較

上下臺階法施工過程中，沿隧道橫向樁基(位置見圖1)變形曲線如圖8所示。

從圖8看出，樁基沉降與樁和隧道的空間位置有關，右洞開挖過程中，先行洞上方樁沉降值>兩洞中間上方樁沉降值>后行洞上方樁沉降值。后行洞開挖過程中，后行洞上方樁沉降速度>兩洞中間上方樁沉降速度>先行洞上方樁沉降速度。

樁基沉降量總體不大，當樁基沉降穩(wěn)定后樁基的最大沉降量為6.612 mm。縱向上看，隨著隧道開挖，掌子面后方樁基沉降慢慢趨于穩(wěn)定，而前方的樁沉降還再繼續(xù)增大，在掌子面后方20 m樁基沉降基本不再增加。

由《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007—2002)中建筑物地基變形允許值的規(guī)定可知，一般高層建筑的平均允許沉降量為120 mm，相鄰樁間相對沉降量允許值為0.002L，L為相鄰樁中心距，L最長距離約5 m，故相對沉降量允許值為10 mm，對于本次計算的各樁沉降量及各相鄰樁之間相對沉降量都滿足該規(guī)定。

4襯砌結構內(nèi)力分析

隧道施工結束后，取建筑物中間截面，小凈距隧道二次襯砌結構彎矩、軸力和安全系數(shù)如圖9所示。

圖9　小凈距隧道襯砌結構受力特征

從圖9可知，先行洞(右洞)內(nèi)力較后行洞(左洞)更為不利，后行洞安全系數(shù)較大。整個支護結構內(nèi)力不大，襯砌結構穩(wěn)定。由于小凈距隧道先行洞和后行洞先后施工相互影響，以及中夾巖柱薄弱環(huán)節(jié)，導致先行洞拱肩、中夾巖柱邊墻部分襯砌結構安全系數(shù)最小，應該作為施工期間重點監(jiān)測部位。

5結論

建立三維數(shù)值力學模型，模擬小凈距隧道下穿既有建筑物的施工過程，研究了建筑物樁基變形特征、小凈距隧道圍巖塑性區(qū)分布和襯砌結構穩(wěn)定性，得出如下主要結論。

(1)在同一隧道施工過程中，上臺階開挖引起樁基沉降占整個斷面通過后總沉降量較大比例，因此，為減小樁變形，上臺階施工過程控制尤為重要。

(2)沿隧道軸線，兩洞垂直上方的樁基沉降最大值為6.6 mm，滿足規(guī)范要求。接近隧道入口的樁基影響最大，從外向內(nèi)逐漸減小。在隧道通過20 m后，樁基沉降基本穩(wěn)定。

(3)小凈距隧道圍巖塑性區(qū)主要集中在邊墻，中隔墻塑性區(qū)較大，接近貫通，施工過程中建議設置中隔墻對拉錨桿。隧道拱腳處產(chǎn)生較大塑性區(qū)，此處建議設置鎖腳錨桿，提高拱腳穩(wěn)定性。

(4)先行洞變形大于后行洞，先行洞穩(wěn)定性應該作為施工監(jiān)測的重點。小凈距隧道近接施工的相互影響，以及中夾巖柱薄弱環(huán)節(jié)，導致先行洞拱肩、中夾巖柱邊墻部分二次襯砌安全系數(shù)最小，應該作為施工期間重點監(jiān)測部位。

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Study on Stability of Small Clear Distance Tunnel Underpassing Existing Building

XI Shu-juan1， HUANG Lin2

(1.Department of Transportation Engineering， Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050041，

China; 2.Graduate School， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract：The stability of approaching construction has been a focus in the field of urban underground engineering. Based on a small clear distance tunnel underpassing office building of Lihai mansion in Hefei， three-dimensional numerical model is established to investigate deformation characteristics of building pile foundation， distribution of surrounding rock plastic zone of small clear distance tunnel， and mechanical response of lining. The results show that most of the settlement of pile foundation takes place during upper bench excavation and the control of upper bench excavation is of special importance. The settlement of pile foundation at the entry of tunnel dominates and decreases from extroversion to introversion. When the working face of tunnel advances 20 m the settlement of pile foundation tends to be stable. As the plastic zone of small clear distance tunnel concentrates at side-wall， mid-partition wall and arch-footing， it is suggested that tensile-type bolts should be installed at mid-partition wall and locking anchor adopted at arch-footing. The deformation of first-excavation hole is more than that of subsequent hole. The safety factors of lining at spandrel and side wall close to mid-partition wall are the minimum， where special monitoring should be addressed. The research results can supply to the design and construction of urban underground engineering in complicated environment.

Key words：Small clear distance tunnel; Underpassing; Existing building; Pile foundation; Stress of lining

中圖分類號：U45

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.026

文章編號：1004-2954(2015)06-0117-05

作者簡介：習淑娟(1976—)，女，講師，工學碩士，E-mail：huanglinmail01@163.com。

基金項目：國家自然科學基金(51078318)

收稿日期：2014-07-29； 修回日期：2014-09-17