建筑結(jié)構(gòu)上跨多重隧道結(jié)構(gòu)施工安全影響分析★

楊 明，鄭曉卿，張雨帆，陳禮明

(1.溫州市交通工程管理中心,浙江 溫州 325000; 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著城市建設(shè)用地逐漸緊張,房建工程建設(shè)與既有交通隧道相交的情況越來(lái)越多。房建基坑開(kāi)挖和后續(xù)結(jié)構(gòu)施工會(huì)改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài),破壞既有隧道原有的受力平衡[1],導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)位移和受力的變化。隧道結(jié)構(gòu)是變形控制極為嚴(yán)格的地下構(gòu)筑物,尤其軌道隧道結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)施工前必須進(jìn)行嚴(yán)格的安全影響評(píng)估,避免對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。

鑒于此,針對(duì)房建施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)安全影響評(píng)估國(guó)內(nèi)外有較多相關(guān)研究,在理論計(jì)算方面,魏綱[2]、郭鵬飛等[3]基于基坑開(kāi)挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道影響的工程案例統(tǒng)計(jì)分析,得到隧道最大隆起變形預(yù)測(cè)模型;張治國(guó)[4]、周澤林等[5]建立土體附加應(yīng)力對(duì)隧道影響的控制微分方程,進(jìn)而得到隧道縱向位移和內(nèi)力計(jì)算表達(dá)式。數(shù)值模擬方法在實(shí)際應(yīng)用研究中愈加廣泛,伍尚勇等[6]采用Midas/GTS數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,研究了廣州某臨近地鐵隧道雙側(cè)深基坑按不同順序開(kāi)挖對(duì)穿越期間已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響。袁靜等[7]以杭州某綜合體施工為背景,結(jié)合分層總和法、PLAXIS有限軟件對(duì)粉砂土地基降水和基坑開(kāi)挖對(duì)臨近隧道基礎(chǔ)沉降的疊加影響分析。高廣運(yùn)運(yùn)用FLAC-3D模擬上海某臨近地鐵隧道基坑施工,研究單側(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)隧道工程影響并提出應(yīng)對(duì)措施;徐長(zhǎng)節(jié)等[8]采用Abaqus有限元數(shù)值模擬與簡(jiǎn)化的規(guī)范角點(diǎn)法對(duì)比分析,評(píng)價(jià)隧道上方基坑開(kāi)挖和后續(xù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有公路隧道的影響。

針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)跨多重既有隧道結(jié)構(gòu)施工的工程案例與工程影響研究較少。因此,本文結(jié)合某上跨多重隧道的建筑結(jié)構(gòu)施工,基于地層-結(jié)構(gòu)法和荷載-結(jié)構(gòu)法,利用Midas-GTS有限元模擬施工過(guò)程,從位移量、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等多方面既有隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行安全影響評(píng)估,研究方法和結(jié)論可為類似工程提供參考。

1 工程背景與風(fēng)險(xiǎn)特性

1.1 工程概況

本房建項(xiàng)目為一棟地上4層、地下1層的社區(qū)管理綜合樓,采用鋼結(jié)構(gòu),建筑基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目位于某公路交通隧道正上方,某軌道交通線隧道的側(cè)上方,兩工程線路平面逐漸靠近至重疊,三者平面關(guān)系如圖1所示。建筑基礎(chǔ)直接作用于公路隧道中墻,公路隧道位于軌道隧道正上方,三者豎向上相重疊,剖面位置關(guān)系如圖2所示。公路隧道為雙向四車(chē)道城市隧道,明挖Ⅳ型隧道襯砌。軌道隧道為單洞雙線隧道,隧道斷面形式B型斷面,采用控制爆破CD法開(kāi)挖。

施工過(guò)程中,受基坑開(kāi)挖、結(jié)構(gòu)施作、場(chǎng)地回填等擾動(dòng),軌道區(qū)間隧道原有應(yīng)力平衡狀態(tài)重新調(diào)整,進(jìn)而產(chǎn)生影響。為保障隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)安全必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全影響評(píng)估。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)特性

根據(jù)CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[9],兩座隧道與外部作業(yè)水平凈距為0,施工作業(yè)區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)烈影響區(qū),接近程度屬于非常接近。依據(jù)規(guī)范項(xiàng)目影響等級(jí)判定表確定房建項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)公路與軌道隧道結(jié)構(gòu)影響程度為特級(jí)。項(xiàng)目主要風(fēng)險(xiǎn)有:

1)開(kāi)挖卸荷將引起圍巖內(nèi)部的應(yīng)力調(diào)整和變形,隧道結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定的變形,故需結(jié)合地層結(jié)構(gòu)法對(duì)區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行驗(yàn)算。2)項(xiàng)目建成后,新建項(xiàng)目的基礎(chǔ)荷載可能傳遞至區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)上,從而改變作用在其上的既有荷載。因此,需要重新計(jì)算項(xiàng)目建成后區(qū)間結(jié)構(gòu)上承載能力與裂縫寬度。

2 既有隧道位移影響分析

2.1 模型構(gòu)建

為研究該工程基坑開(kāi)挖及后續(xù)建筑荷載施加對(duì)隧道位移的影響,選取地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,采用Midas-GTS有限元分析軟件建立二維工程模型。模擬剖面選取風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高最不利的剖面1-1,計(jì)算模型如圖3所示。

對(duì)填土、巖體采用Midas/GTS自帶的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,其余采用彈性模型。地層結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中,左、右側(cè)邊條法向約束,底部邊界固定。按照基坑開(kāi)挖、建筑加載、場(chǎng)地回填施工過(guò)程進(jìn)行模擬,具體分析步驟如下:

1)初始應(yīng)力計(jì)算,位移清零。2)軌道區(qū)間隧道施工,位移清零。3)公路隧道基坑開(kāi)挖。4)公路隧道結(jié)構(gòu)施工。5)公路隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)及頂部回填,位移清零。6)社區(qū)用房基坑開(kāi)挖。7)社區(qū)用房上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)荷載施加。8)地面恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.2 參數(shù)取值

土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)《某工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告》確定,具體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算過(guò)程中,在模擬公路隧道開(kāi)挖時(shí),考慮軌道區(qū)間隧道爆破施工引起的圍巖損傷,將巖土層的參數(shù)折減80%;在模擬上部基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí),主要考慮公路隧道施工時(shí)采用機(jī)械開(kāi)挖,圍巖損傷較小,再將巖土層參數(shù)折減90%。

表1 計(jì)算采用巖土力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 公路隧道結(jié)構(gòu)位移分析

施工引起隧道的豎向變形量總體大于橫向變形量,因此主要考慮豎向變形的影響。建筑結(jié)構(gòu)基坑施工將引起區(qū)間隧道周邊圍巖的整體上隆,公路隧道靠近施工場(chǎng)地一側(cè)的左側(cè)頂板跨中位置上隆量達(dá)到2.17 mm,如圖4所示。建筑結(jié)構(gòu)施工完成后,建筑結(jié)構(gòu)的荷載將抵消基礎(chǔ)開(kāi)挖施工引起的隆起變形,并引起圍巖沉降,公路隧道中墻及頂板左側(cè)沉降量較大,達(dá)到7.40 mm,如圖5所示。回填土體荷載將進(jìn)一步加大圍巖沉降變形,隧道沉降變形增加至7.43 mm,如圖6所示,此狀態(tài)為隧道結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)。而施工過(guò)程中橫向位移量最大為0.82 mm,遠(yuǎn)小于豎向位移量。

2.3.2 軌道隧道結(jié)構(gòu)位移分析

施工過(guò)程引起軌道隧道變形過(guò)程與公路隧道近似,位移量不同?；娱_(kāi)挖后,軌道隧道結(jié)構(gòu)靠近建筑結(jié)構(gòu)一側(cè)的左拱肩至左拱腳豎向上隆量最大,達(dá)到0.79 mm,如圖7所示。房建完成后,軌道隧道結(jié)構(gòu)變形由上隆變形轉(zhuǎn)為沉降,相同位置的最大沉降量為4.94 mm,如圖8所示。場(chǎng)地回填后軌道隧道進(jìn)一步沉降,最大沉降為5.06 mm,如圖9所示。施工過(guò)程中軌道隧道橫向位移量最大為1.12 mm,遠(yuǎn)小于豎向位移量。

項(xiàng)目實(shí)施對(duì)軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形影響較小,施工過(guò)程中仰拱的最大豎向變形約為3.45 mm,橫向變形約為0.72 mm。

計(jì)算采用巖土力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

2.4 結(jié)果分析

CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值應(yīng)符合:隧道的水平和豎向位移預(yù)警值小于10 mm,軌道橫向高差、軌向高差、軌間距均小于4 mm。

公路隧道結(jié)構(gòu)最大橫向位移約為0.6 mm,最大豎向位移約為7.43 mm;軌道隧道結(jié)構(gòu)的最大橫向位移約0.4 mm,最大豎向位移約5.06 mm,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的10 mm,擬建項(xiàng)目基坑開(kāi)挖與建筑加載不影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。

軌道隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)仰拱的最大豎向位移約3.45 mm,最大橫向位移約0.3 mm,因而引起的軌道橫向高差、軌向高差、軌間距均小于規(guī)范規(guī)定的4 mm,擬建項(xiàng)目的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)不影響軌道隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

3 既有隧道結(jié)構(gòu)承載安全分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)承載安全分析方法

采取荷載-結(jié)構(gòu)法求取襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力,荷載-結(jié)構(gòu)法是將巖體對(duì)結(jié)構(gòu)的圍巖壓力作用簡(jiǎn)化為荷載直接施加于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,通過(guò)計(jì)算所得的內(nèi)力進(jìn)行分析,從而達(dá)到檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全性的目的[10]。

利用Midas GTS NX計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)受力,模型建立過(guò)程中,地基巖土體對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)約束作用簡(jiǎn)化為僅受壓彈簧單元,其彈性抗力系數(shù)大小反映地基對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)約束作用的強(qiáng)弱;襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?其材料類型為鋼筋混凝土,其斷面寬度為二襯混凝土厚度,縱向長(zhǎng)度為1 m;松散巖土體對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用簡(jiǎn)化為豎向荷載與水平荷載,具體模型參數(shù)參考2.2節(jié)。

根據(jù)JTG 3370.1—2018公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[11]規(guī)定鋼筋混凝土按荷載基本組合求得的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不應(yīng)小于1.7,GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]規(guī)定鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件,按荷載基本組合求得的最大裂縫寬度ωmax不應(yīng)大于0.2 mm,計(jì)算隧道襯砌的安全系數(shù)與裂縫寬度分析隧道結(jié)構(gòu)安全。

3.2 公路隧道結(jié)構(gòu)承載安全分析

3.2.1 公路隧道結(jié)構(gòu)荷載

項(xiàng)目建設(shè)后,作用在公路隧道結(jié)構(gòu)上的荷載包括豎向圍巖壓力、側(cè)向圍巖壓力、建筑主基礎(chǔ)附加集中荷載。

結(jié)構(gòu)左側(cè)覆土高度1.9 m,右側(cè)覆土高度6.1 m,填土完成后隧道為超淺埋,作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載求取方法參照J(rèn)TG 3370.1—2018公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中超淺埋隧道荷載求值方法。結(jié)構(gòu)施工完成后,一排基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)落于公路隧道中墻上,如圖1所示,建筑荷載選取最右側(cè)最大基礎(chǔ)荷載,建筑基礎(chǔ)集中荷載為4 050 kN?？紤]建筑結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載和覆土荷載,不考慮縱向擴(kuò)散,作用在公路隧道總荷載如圖10所示。

3.2.2 公路隧道安全系數(shù)與裂縫寬度

荷載變化后,公路隧道結(jié)構(gòu)的彎矩和軸力分布如圖11所示,隧道右側(cè)頂板跨中和頂板中墻位置彎矩最大,達(dá)到1 067.9 kN·m和-1 378.1 kN·m。根據(jù)規(guī)范計(jì)算該位置處安全系數(shù)與裂縫寬度,計(jì)算結(jié)果如表2所示。公路隧道頂板中墻受影響較頂板跨中更為不利,頂板中墻的安全系數(shù)為2.45,裂縫寬度為0.18 mm,能夠滿足規(guī)范要求,因此建筑結(jié)構(gòu)施工不會(huì)影響公路隧道的結(jié)構(gòu)安全。

表2 公路隧道截面安全系數(shù)與裂縫寬度驗(yàn)算

3.3 軌道隧道結(jié)構(gòu)承載計(jì)算

3.3.1 軌道隧道結(jié)構(gòu)荷載

項(xiàng)目建設(shè)后,作用在軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)上的荷載包括:公路隧道基底傳遞的豎向荷載、側(cè)向荷載及公路隧道基底以下圍巖豎向荷載與側(cè)向壓力。

利用Midas GTS NX計(jì)算軟件計(jì)算公路隧道的圍巖抗力,公路隧道圍巖抗力分布如圖12所示。然后根據(jù)圍巖抗力提取地基反力,地基反力如圖13所示,取3個(gè)峰值段的平均值作為公路隧道基底傳遞荷載。

將公路隧道地基反力作為荷載作用在軌道區(qū)間隧道上,公路隧道基底荷載傳遞示意圖如圖14所示,傳遞至軌道隧道的荷載q1=113.9 kN/m,q2=58.3 kN/m,q3=146.6 kN/m。同時(shí)考慮作用在區(qū)間隧道覆土荷載,作用在軌道區(qū)間的總荷載分布圖如圖15所示。

3.3.2 軌道隧道安全系數(shù)與裂縫寬度

房建施工作用下軌道隧道襯砌的彎矩與軸力分布圖如圖16所示,在建筑完工后荷載作用下,拱頂位置彎矩和軸力最大,拱肩次之。因此針對(duì)拱頂和拱肩計(jì)算其截面安全系數(shù)和裂縫寬度,結(jié)果如表3所示,隧道拱頂?shù)陌踩禂?shù)為3.00,裂縫寬度為0.11 mm,大于拱肩位置。隧道的截面安全系數(shù)與裂縫寬度均滿足規(guī)范要求,因此新建建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)影響既有軌道隧道安全。

表3 公路隧道截面安全系數(shù)與裂縫寬度驗(yàn)算

4 施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

為了保證在房建項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中既有隧道結(jié)構(gòu)安全,對(duì)房建項(xiàng)目附近100 m的隧道進(jìn)行沉降與收斂監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)公路隧道頂板跨中與頂板中墻部位,以及軌道隧道拱頂和拱肩部位。

實(shí)測(cè)位移量與計(jì)算位移量較為接近。實(shí)測(cè)公路隧道在基坑開(kāi)挖、附屬結(jié)構(gòu)加載、場(chǎng)地回填三個(gè)階段的豎向位移量最大值分別為1.56 mm,5.23 mm,5.87 mm,均在計(jì)算值2.17 mm,7.40 mm,7.43 mm的安全范圍內(nèi)。軌道隧道實(shí)測(cè)值分別為0.4 mm,3.85 mm,4.23 mm均在計(jì)算值0.79 mm,4.94 mm,5.06 mm安全范圍內(nèi)。

施工過(guò)程中在公路隧道頂板跨中部位發(fā)現(xiàn)一條寬度約0.11 mm,長(zhǎng)度約2.8 cm裂縫,并未繼續(xù)發(fā)育,符合相關(guān)規(guī)范(見(jiàn)表3)。整體而言,評(píng)估結(jié)果與實(shí)際施工結(jié)果一致。

5 結(jié)論

本文依托建筑結(jié)構(gòu)跨多重既有隧道結(jié)構(gòu)施工項(xiàng)目,結(jié)合地層-結(jié)構(gòu)法和荷載-結(jié)構(gòu)法分析了建筑結(jié)構(gòu)施工對(duì)疊加的兩種隧道的位移、受力等影響,并評(píng)估了施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響。得到以下結(jié)論:

1)基坑開(kāi)挖導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生隆起變形,建筑結(jié)構(gòu)施工及場(chǎng)地回填導(dǎo)致既有隧道沉降變形,靠近施工場(chǎng)地一側(cè)隧道位移量最大。施工荷載作用下公路隧道的頂板跨中及頂板中墻、軌道隧道的拱頂及拱肩的軸力和彎矩較大。

2)公路隧道和軌道隧道的最大豎向位移分別為7.43 mm,5.06 mm,均小于CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的10 mm。

3)軌道隧道結(jié)構(gòu)仰拱的最大豎向位移約3.45 mm,最大橫向位移約0.72 mm,引起的軌道橫向高差、軌向高差、軌間距均小于CJJ/T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范規(guī)定的4 mm。

4)公路隧道和軌道隧道的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別為2.45,3.0,最大裂縫寬度分別為0.11 mm,0.18 mm,滿足規(guī)范要求。

5)施工過(guò)程中對(duì)影響區(qū)域的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)均小于計(jì)算結(jié)果,建筑結(jié)構(gòu)施工對(duì)既有隧道安全未造成影響。