礦山法隧道近距側(cè)穿保護(hù)性建筑的數(shù)值影響分析及保護(hù)研究

蘇 軍,薛 暉,于學(xué)敏

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044； 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

隨著中國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，地鐵隧道穿越密集建筑物的機(jī)會(huì)和范圍越來越大，特別是穿越一些有特殊保護(hù)需要、敏感度高的構(gòu)筑物，控制施工沉降，保護(hù)地上構(gòu)筑物顯得尤為重要。例如具有重大歷史意義的歷史構(gòu)筑物，由于年久失修、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、敏感破壞，因此對(duì)地鐵隧道的穿越施工提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵隧道穿越常規(guī)地上構(gòu)筑物積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，主要通過剛性隔離和注漿加固兩種主要措施[1-12]，在某種意義上控制地層的擾動(dòng)以達(dá)到降低并預(yù)測(cè)隧道穿越對(duì)地上構(gòu)筑物造成的影響，主要的研究方法有簡(jiǎn)化解析法、數(shù)值模擬法及施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法[2]。但是當(dāng)前對(duì)地鐵隧道穿越年久失修、古老易壞的歷史構(gòu)筑物研究的資料比較少，對(duì)其施工環(huán)境影響控制要求更高，因此本文開展這一方面的研究。

1 工程概況

某地鐵施工時(shí)，先施做保護(hù)性建筑東側(cè)的礦山法隧道，該隧道為單洞單線馬蹄形隧道，區(qū)間距離保護(hù)性建筑水平距離約3.5 m，豎向距離約9.68 m。再施做保護(hù)性建筑西側(cè)的暗挖法換乘通道，通道為圓拱直墻圓底結(jié)構(gòu)，其距離建筑最近距離約1.9 m，豎向距離建筑基礎(chǔ)底約9 m，其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵結(jié)構(gòu)與建筑物的平面關(guān)系

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道開挖引起的沉降分析項(xiàng)目主要為建筑物橫、縱墻不均勻沉降(橫墻指承重墻所處方向)，包括整體及局部不均勻沉降中最大值[3]。據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，保護(hù)性建筑屬高度小于24 m的建筑，允許沉降控制值30 mm，差異沉降控制值10 mm，傾斜控制值0.4%。由于建筑為北京市級(jí)重點(diǎn)保護(hù)性建筑，變形指標(biāo)從嚴(yán)控制，允許沉降控制值10 mm，差異沉降控制值4 mm，傾斜控制值0.1%。

根據(jù)區(qū)間隧道所穿越的地上構(gòu)筑物工程地質(zhì)條件，隧道穿越建筑物橫向影響范圍重點(diǎn)考慮隧道軸線兩側(cè)各9 m區(qū)域。同時(shí)借鑒北京市地鐵隧道施工經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間隧道施工地表沉降橫向影響一般范圍為隧道中心線左右兩側(cè)各20 m的范圍[4]。重點(diǎn)保護(hù)性建筑正處于其影響范圍內(nèi)且是兩風(fēng)險(xiǎn)源近距離穿越，側(cè)穿對(duì)建筑物的影響較大，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，故建筑的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯得尤為重要。

3 加固前施工安全預(yù)測(cè)分析

為了便于與加固后效果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)加固前的施工安全進(jìn)行分析，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)右線隧道及左側(cè)通道雙側(cè)穿建筑的變形進(jìn)行預(yù)估，并為控制隧道開挖施工、加固措施提供指導(dǎo)意見。

3.1 建模說明

計(jì)算的最終工況取右線隧道及左側(cè)通道施工都貫通完成后的施工工況，分析步驟：

(1)土層固結(jié)沉降完成的初始狀態(tài)IS階段；

(2)右線隧道開挖過程CS1～CS31階段；

(3)左側(cè)換乘通道開挖過程CS32～CS62階段。

計(jì)算模擬時(shí)，右線隧道開挖完成后再進(jìn)行換乘通道開挖，開挖進(jìn)尺都為2 m，將隧道及通道的動(dòng)態(tài)開挖過程分別分為30個(gè)施工步，整體模型共分60個(gè)開挖步，土體開挖和結(jié)構(gòu)施作通過鈍化和激活單元實(shí)現(xiàn)，每個(gè)開挖步內(nèi)荷載通過開挖邊界荷載釋放系數(shù)分配，荷載應(yīng)力釋放系數(shù)為0.4、0.3、0.3。

模型計(jì)算采用MIDAS-GTS4.0有限元計(jì)算軟件，建立三維實(shí)體模型。沿隧道及通道方向(南北向)取60 m，垂直于隧道及通道(東西向)取62.3 m，向上至地面，向下至卵石層底的范圍，取24.78 m。地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。整體有限元模型如圖2所示。

圖2 整體有限元模型

建筑高16 m，3層磚混結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑荷載設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值[5]，取磚混樓層每層等效均布荷載為20 kN/m2，為了便于建模將建筑等效成8 m高的實(shí)體，等效實(shí)體重度為20×3÷8=7.5 kN/m3，設(shè)置其中實(shí)體參數(shù)即可。右線隧道及換乘通道結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 右線隧道及換乘通道結(jié)構(gòu)尺寸

隧道及通道的初期支護(hù)均采用噴C25混凝土，二次襯砌均采用C30混凝土，襯砌及土層參數(shù)見表2、表3。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 土層參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

分析加固前地表及建筑地面沉降規(guī)律，地面最小位移沉降主要發(fā)生在通道及隧道的中間位置，為-4.331 94 mm；最大位移沉降發(fā)生在通道最后開挖處，為-2.822 60×10-2m。

選取建筑地面墻角處A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)(四點(diǎn)為底部承重磚墻的各個(gè)角點(diǎn)處)進(jìn)行施工過程整體沉降和差異沉降分析，各點(diǎn)沉降規(guī)律如圖3所示。

圖3 加固前4個(gè)角點(diǎn)不同施工階段豎向位移匯總

圖4表示加固前隧道及換乘通道襯砌最大主應(yīng)力情況，最大主應(yīng)力位置主要在左側(cè)換乘通道的開始洞口部位，為拉應(yīng)力δmax=+4.888 51 MPa，且大部分襯砌應(yīng)力值均大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定混凝土C30最大主拉應(yīng)力限值(混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)2.01 MPa[6]。

圖4 加固前通道及隧道襯砌最大主應(yīng)力云圖

考慮此建筑文物年代久遠(yuǎn)，其環(huán)境影響較敏感及文物保護(hù)的重要性，且初步施工模擬沉降量遠(yuǎn)大于10 mm，建議隧道及通道礦山法施工期間臨時(shí)疏散人員，并在地基范圍、隧道通道周圍實(shí)施加固處理措施，確保隧道施工過程中結(jié)構(gòu)安全。

4 處理方案

為了減少施工對(duì)地面建筑的影響，保證文物建筑的穩(wěn)定性，針對(duì)結(jié)構(gòu)物的受力特點(diǎn)及變形規(guī)律，采取對(duì)建筑物進(jìn)行維修、地基注漿加固、設(shè)置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固等措施。

4.1 建筑物的修繕補(bǔ)強(qiáng)及維修處理

建議在地鐵結(jié)構(gòu)施工前對(duì)該建筑進(jìn)行危險(xiǎn)構(gòu)件的修繕補(bǔ)強(qiáng)處理，在樓房外部采用框架鋼架加固，施工后對(duì)影響使用功能的構(gòu)件進(jìn)行維修處理[7]。

4.2 地面保護(hù)措施

擬采取地面打設(shè)隔離樁，樁為φ1 000 mm@1 200 mm，打設(shè)至隧道底板下1 m，以期在隧道、通道與建筑物之間形成一道隔離幕墻，起到隔離作用。同時(shí)預(yù)埋袖閥管進(jìn)行預(yù)注漿的措施(根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充跟蹤注漿)。

4.3 洞內(nèi)及洞周加強(qiáng)措施

4.3.1 右線隧道及左側(cè)通道的洞內(nèi)措施

根據(jù)以往類似地層經(jīng)驗(yàn)，本次暗挖法施工時(shí)區(qū)間隧道的支護(hù)參數(shù)建議值如表4所示。

表4 暗挖區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)推薦參數(shù)

4.3.2 右線隧道及左側(cè)通道的洞周土層加固措施

采用徑向二次注漿對(duì)拱頂土體進(jìn)行加固處理(圖5)。

5 加固后施工安全預(yù)測(cè)分析

利用有限元軟件，采用數(shù)值模擬的方法，研究相同加固措施條件下不同施工工序?qū)刂瞥两档挠绊懀沟玫乇沓两导敖ㄖY(jié)構(gòu)沉降值在控制范圍內(nèi)，進(jìn)一步指導(dǎo)施工。

5.1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)樁與墻的抗彎剛度等效原則，將隔離樁基換算成等厚度的隔離墻，計(jì)算如下:πD4/64=Lb3/12，由D=1 000 mm，L=1 200 mm，得厚度b=800 mm，取等效連續(xù)墻厚為800 mm，注漿加固層參數(shù)見表5。

表5 加固措施下注漿層、隔離樁的力學(xué)參數(shù)(均為實(shí)體單元)

圖5 加固斷面示意及加固后整體有限元模型(單位:mm)

5.2 施工階段模擬

由于建筑已經(jīng)進(jìn)行內(nèi)部修繕補(bǔ)強(qiáng)及維修處理，數(shù)值模擬中暫且將建筑構(gòu)筑物作為一個(gè)整體來考慮，忽略建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。考慮對(duì)地基進(jìn)行注漿加固、設(shè)置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固，因此在相應(yīng)的加固區(qū)部位分別設(shè)置不同參數(shù)來模擬注漿后的土層環(huán)境。即采用應(yīng)力釋放程度和等代層來模擬注漿，通過調(diào)整空洞周邊地層釋放荷載的大小反映注漿的影響，通過等代層參數(shù)反映漿液的性質(zhì)[8]。初始應(yīng)力狀態(tài)下為加固區(qū)域處于原始土層狀態(tài)，隨著實(shí)際工程施工的展開，分別激活相應(yīng)的加固部位地層參數(shù)來模擬注漿過程。分段、逐段地變化隔離墻區(qū)域內(nèi)的土體參數(shù)，來反映樁基的施工擾動(dòng)與樁基施工后的強(qiáng)度增長(zhǎng)。參照傳統(tǒng)水泥攪拌樁的施工擾動(dòng)影響和加固效果，樁基施工擾動(dòng)階段隔離樁區(qū)域的土層參數(shù)取為原來土層的1/3[2]。

分別使用2種方案進(jìn)行加固模擬，比較相同加固措施下不同開挖順序?qū)庸绦Ч挠绊懬闆r。

方案一：先開挖右線隧道，當(dāng)隧道施工完成后再開挖左側(cè)通道，計(jì)算的最終工況取右線隧道及左側(cè)通道都貫通完成后的施工工況，施工步共65步。

方案二：兩側(cè)同時(shí)開挖直至兩側(cè)隧道及通道同時(shí)貫通為止。開挖進(jìn)尺都為2 m，施工步共35步。

5.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

5.3.1相同加固措施在不同開挖順序下產(chǎn)生的加固效果對(duì)比分析

為了便于分析地表變形及建筑物沉降，在模型中分別選取3個(gè)剖面和6個(gè)點(diǎn)，如圖1所示。各個(gè)剖面分別經(jīng)過建筑的南北邊墻及中截面，即截面A-B，中截面E-F及截面C-D，而6個(gè)點(diǎn)(A、B、C、D、E、F)均位于建筑底部承重磚墻的各角點(diǎn)處。

(1)沉降分析

①建筑地面四角點(diǎn)(A、B、C、D)沉降對(duì)比(圖6)

圖6 建筑地面四角點(diǎn)(A、B、C、D)沉降對(duì)比

方案一先開挖右側(cè)隧道，接近隧道的兩角點(diǎn)B、C沉降較快，當(dāng)右側(cè)隧道開挖完成時(shí)，兩點(diǎn)沉降曲線曲率開始減小，隨著左側(cè)通道的開挖，曲線平緩，沉降趨于穩(wěn)定；然而A、D兩角點(diǎn)的沉降規(guī)律剛好和B、C相反，先開挖右側(cè)隧道，遠(yuǎn)離隧道的兩角點(diǎn)A、D沉降較慢，當(dāng)右側(cè)隧道開挖完成左側(cè)通道開始施工時(shí)，兩點(diǎn)沉降曲線曲率開始增大，隨著左側(cè)通道開挖的推進(jìn)，曲線加速下降，沉降不斷增大。

方案二兩側(cè)同時(shí)開挖推進(jìn)，4個(gè)角點(diǎn)的沉降曲線相似，隨著縱向開挖的推進(jìn)，新開挖面逐漸遠(yuǎn)離截面A-B而接近截面C-D，開挖對(duì)A、B兩角點(diǎn)的影響逐漸減弱，對(duì)C、D兩角點(diǎn)的影響逐漸加強(qiáng)，使得A、B兩角點(diǎn)的沉降曲線逐漸趨于平緩穩(wěn)定，C、D兩角點(diǎn)的沉降加速下降，曲線曲率增大，達(dá)到最大沉降值。

比較兩方案可知，橫向同一截面上的2個(gè)點(diǎn)其沉降值基本是一致的，在隧道、通道側(cè)穿時(shí)由于A、B下方及時(shí)注漿加固洞周，故受側(cè)穿沉降影響較小，C、D由于不能及時(shí)在其下方注漿加固，沉降積累時(shí)間長(zhǎng)，受隧道及通道側(cè)穿沉降影響較大。

②A-B截面各點(diǎn)沉降分布對(duì)比(圖7)

圖7 A-B截面點(diǎn)沉降分布對(duì)比

兩方案起始階段由于建筑物兩側(cè)樁基的施工擾動(dòng)，樁基施工處的地層出現(xiàn)較小的不同程度沉降，最大沉降為0.334 mm，發(fā)生在兩側(cè)的施工樁位處。

方案一右側(cè)隧道開挖步1開始直至右側(cè)隧道開挖完成，右側(cè)隧道附近的地表沉降逐漸增大，右隔離樁左側(cè)建筑及附近地表沉降要小于遠(yuǎn)離右隔離樁周往隧道一側(cè)的地表沉降；同理在左側(cè)通道開挖步1開始直至左側(cè)通道開挖完成，左側(cè)通道附近的地表沉降逐漸增大，然而，左隔離樁右側(cè)建筑處及附近地表沉降要小于遠(yuǎn)離左隔離樁周往通道一側(cè)的地表沉降；因此，在左、右隔離樁的共同作用下，使得兩樁之間的重點(diǎn)保護(hù)性建筑處于被隔離保護(hù)狀態(tài)，隧道及通道開挖對(duì)建筑產(chǎn)生的影響被大大的減弱了，故隔離樁隔離作用明顯。

方案一先右側(cè)隧道施工后左側(cè)通道施工，使得建筑地面沉降先右側(cè)沉降明顯后左側(cè)沉降明顯，最后趨于穩(wěn)定，施工過程中建筑的左右側(cè)沉降差較大；而方案二是右側(cè)隧道和左側(cè)通道同時(shí)施工，使得建筑截面A-B上地面沉降左右兩側(cè)沉降規(guī)律基本相同直至趨于穩(wěn)定，施工過程中建筑截面A-B上的左右側(cè)沉降差較小。但是兩方案中截面A-B上各點(diǎn)的最終沉降值基本一致，只是沉降路徑不同而已。

③中截面E-F點(diǎn)沉降分布對(duì)比(圖8)

圖8 中截面E-F點(diǎn)沉降分布對(duì)比

方案一在右側(cè)隧道開挖過程中中截面E-F整體逐漸隆起，直至右側(cè)隧道施工完成后隆起最大值一度達(dá)到1.64 mm，但是截面各點(diǎn)差異沉降不大；隨著左側(cè)通道進(jìn)行開挖，中截面E-F逐漸沉降，但是左隔離樁往通道一側(cè)沉降幅度較大，由于左隔離樁的隔離保護(hù)作用，左隔離樁往建筑一側(cè)的地表沉降變化幅度小，基本是整體同時(shí)沉降，差異沉降較小，最終左隔離樁右側(cè)的中截面點(diǎn)最大沉降值為0.51 mm，可見左隔離樁的隔離保護(hù)作用很明顯。

方案二在同時(shí)開挖過程中建筑沒有出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隨著開挖的推進(jìn)，建筑沉降平緩，由于左右隔離樁的隔離作用，建筑的沉降幅度相對(duì)于左隔離樁左側(cè)、右隔離樁右側(cè)地面點(diǎn)要小得多，但是最大沉降值達(dá)到2.11 mm，比方案一建筑最大沉降0.52 mm要大得多，可見方案一對(duì)建筑中截面的影響較小。兩方案通道一側(cè)的地面點(diǎn)最終沉降值基本一致，最大值為4.232 mm，但是隧道一側(cè)地面點(diǎn)的最終沉降值差異較大，方案一隧道中線處隆起0.239 mm，方案二隧道中線處沉降3.316 mm，可見同時(shí)開挖對(duì)中截面與隧道中線交叉處產(chǎn)生較大沉降影響。

通過對(duì)比可知，方案一先開挖右側(cè)隧道后開挖左側(cè)通道，能夠極大地降低建筑物中截面E-F的沉降量，起到保護(hù)建筑文物的作用。

④D-C截面各點(diǎn)沉降分布對(duì)比(圖9)

圖9 D-C截面點(diǎn)沉降分布對(duì)比

方案一D-C截面在右側(cè)隧道開挖過程中，往隧道方向距離左隔離樁越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的沉降幅度則越大，當(dāng)右側(cè)隧道開挖完成時(shí)隧道中線處達(dá)到最大沉降值，為-3.456 mm，此時(shí)D-C截面建筑處差異沉降較大。而這一過程中左隔離樁左側(cè)的地面沉降幅度較小，沉降緩慢，受到右側(cè)隧道開挖的影響較小；當(dāng)左側(cè)通道逐漸開挖時(shí)，左隔離樁左側(cè)的地面沉降迅速加大，通道開挖完成時(shí)在通道中線處達(dá)到最大沉降值，為5.504 mm。此時(shí)兩隔離樁之間的建筑沉降最大值為3.66 mm，滿足安全控制要求。

方案二兩側(cè)的隧道及通道同時(shí)開挖，且D-C截面在整個(gè)開挖過程中由于不能及時(shí)在其下方注漿加固，沉降積累時(shí)間長(zhǎng)，最終沉降值大，故在D-C截面上通道中線處達(dá)到最大沉降值，為5.449 mm，與方案一的沉降值基本一致。但方案二D-C界面建筑處上各點(diǎn)整體沉降規(guī)律基本一致，建筑沉降平緩，差異沉降較小。兩方案D-C截面的最終沉降規(guī)律基本一致，只是發(fā)展路徑不同而已。

(2)應(yīng)力分析

分別在隧道及通道二襯上取6個(gè)點(diǎn)1，2，3，4，5，6點(diǎn)(圖4)(兩點(diǎn)間距6個(gè)進(jìn)尺l=2×6=12 m)，隨施工步的進(jìn)行其最大主拉應(yīng)力如表6、表7所示。

距離起始開挖面越近，二襯承受的最大主拉應(yīng)力越大，且每一進(jìn)尺二襯是隨著開挖步的進(jìn)行其應(yīng)力值呈不斷增大趨勢(shì)。在前6個(gè)開挖進(jìn)尺范圍內(nèi)的隧道及通道二襯混凝土應(yīng)力值超過C30標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力限值2.01 MPa，因此在這里需要加強(qiáng)注漿或者增加配筋保證強(qiáng)度；而往后開挖進(jìn)尺部分的二襯混凝土最大主拉應(yīng)力基本小于2.01 MPa，滿足安全控制要求。

表6 方案一隧道及通道二襯施工過程最大主拉應(yīng)力 MPa

表7 方案二隧道及通道二襯施工過程最大主拉應(yīng)力 MPa

5.3.2 加固前與加固后沉降情況對(duì)比分析

表6及表7表示加固后襯砌最大主拉應(yīng)力規(guī)律，最大主拉應(yīng)力位置主要在隧道的開始洞口部位(即隧道1位置)，最大拉應(yīng)力為δmax=2.534 MPa，大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定混凝土C30最大主拉應(yīng)力限值(混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)2.01 MPa，但是除了隧道的開始洞口部位(即隧道1位置)外，隧道及通道各部分主拉應(yīng)力均小于C30最大主拉應(yīng)力限制值2.01 MPa，因此，在隧道開挖1至6進(jìn)尺(約12 m)范圍內(nèi)宜提高襯砌混凝土強(qiáng)度、需要加強(qiáng)注漿或者增加配筋保證強(qiáng)度，避免襯砌混凝土破壞，基本上滿足應(yīng)力控制要求。

6 結(jié)語及建議

(1)與暗挖施工相關(guān)的許多輔助加固工藝已經(jīng)很成熟，對(duì)建筑物進(jìn)行維修、地基注漿加固、設(shè)置隔離樁及隧道通道周圍土層注漿加固等措施，評(píng)估分析實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，特別是建筑兩側(cè)隔離樁隔離作用明顯，可以在類似的暗挖側(cè)穿既有重點(diǎn)保護(hù)性建筑物工程中推廣應(yīng)用。

(2)方案一采用先右線隧道開挖后左側(cè)通道開挖和方案二采用兩側(cè)同時(shí)施工，兩種施工工序都使建筑最終沉降值基本相同，但是方案二比方案一明顯減小了建筑A-B，E-F，D-C截面及四角點(diǎn)之間的差異沉降，起到保護(hù)重點(diǎn)建筑的作用，因此優(yōu)先選擇方案二；同時(shí)兩方案對(duì)建筑影響的最終沉降值基本相同，要注意的是遠(yuǎn)離起始開挖面的建筑一側(cè)截面受到的沉降積累時(shí)間長(zhǎng)，沉降大，施工時(shí)注意及時(shí)監(jiān)控。

(3)另外，建議在施工中建立地表沉降及建筑物變形等結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)掌握施工過程中的動(dòng)態(tài)變化，合理安排，調(diào)整施工工藝和修改設(shè)計(jì)參數(shù)，確保施工安全。

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