地鐵隧道暗挖施工對既有建筑樁基的影響分析

程邦富， 張有桔， 汪光裕

(安徽省交通規劃設計總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

某市軌道交通6號線區間隧道K19+147～K19+164段右線右側約9 m為現狀安置房5#樓。根據資料顯示,該建筑為地上11層,無地下室,采用樁基礎,樁底標高為279～288 m。建筑物基礎與區間隧道頂板間中等風化巖石厚約12.5 m,根據三角關系,隧道位于該建筑物的應力擴散角內,隧道開挖對建筑物樁基影響大。該段區間隧道覆土深度約21.54 m,樁基底距隧道頂部最小距離為7.49 m,隧道位于砂質泥巖中,臨近建筑物范圍采用非爆開挖施工,隧道結構型式為單線單洞馬蹄形斷面。建筑物樁基礎與隧道相對位置剖面圖如圖1所示。

圖1 區間隧道與安置房樁基礎剖面位置示意圖

由于區間隧道距離現狀安置房較近,房屋結構對沉降、傾斜變形控制要求較高,故該段區間隧道施工的重點難點是如何將區間隧道暗挖施工對既有建筑物樁基的影響降至最低。

依據新奧法原理,對該段區間隧道洞身結構進行設計,采用初支+二襯的復合式襯砌。初期支護包含:架立型鋼鋼架、超前注漿錨桿、掛鋼筋網+噴射混凝土等,二次襯砌為現澆鋼筋混凝土結構,EVA防水板+無紡土工布構成隧道防水體系,設置于初期支護和二次襯砌之間,有效防水。該段區間隧道洞身結構參數見表1。

表1 支護參數一覽表

經研究確定隧道采用CD法施工,隧道施工開挖順序為:超前注漿支護——導洞開挖及支護——主洞開挖并及時支護——仰拱封閉——臨時支護拆除——施作二次襯砌。并在合理位置布設監測點,區間隧道開挖施工過程中應及時進行監控量測、數據整理,及時反饋隧道變形、圍巖應力等監測信息,用于指導區間隧道施工。

2 計算模型

分析模型以某市軌道交通6號線臨近現狀安置房5#樓的區間隧道為研究對象,隧道高度為8.38 m,跨度為11.16 m。本項目分析模型建立時綜合考慮“邊界效應”的原則及開挖的影響范圍,計算模型大小確定為:X方向(寬度)上,由隧道中心線向兩邊分別延伸至4倍隧道跨度;Y方向(高度)上,隧道頂板覆土取隧道的實際埋深,隧道底部往下延伸至4倍隧道高度,模型各邊界施加相應方向的約束。每個樁基荷載按2.5MPa考慮。既有建筑物的樁基及隧道二次襯砌本構模型按照基于彈性理論分析的彈性模型考慮,隧道洞周的圍巖按照基于彈塑性理論分析的摩爾-庫侖模型考慮。

隧道開挖過程分析模擬為:① 初始地應力→② 樁基開挖→③ 灌入樁基混凝土→④ 樁基加載→⑤ 開挖隧道左半部分→⑥ 左半部分錨噴及施作臨時鋼拱架→⑦ 開挖隧道右半部分→⑧ 右半部分錨噴及拆除臨時鋼拱架→⑨ 邊墻及仰拱二次襯砌施作。

由于本次計算主要考慮區間隧道暗挖施工時圍巖變形及對既有建筑物樁基的影響,故在步序④完成后對整體位移清零,再進行隧道開挖模擬。建立模型如圖2所示。

圖2 模型整體示意圖

3 計算結果分析

3.1 隧道洞周的圍巖變形分析

有限元模型計算分析時,結合施工步序安排及現場實際情況,選取隧道施工過程中(單側開挖完成)、隧道施工的最終狀態(二襯完成后)兩個開挖步的計算結果進行研究,同時為便于研究隧道施工對臨近樁基的影響,選取目標面位置處隧道拱頂和拱底特征點進行分析,監測特征點的位移隨隧道開挖的變化規律。隧道洞周的圍巖變形及特征點位移變化規律如圖3～圖5所示。

圖3 隧道施工過程中圍巖豎向變形云圖

圖4 隧道二襯施作后圍巖豎向變形云圖

圖5 隧道拱頂、拱底監測點豎向位移變化曲線圖

從洞周的圍巖變形及特征點位移變化結果可得出:隧道洞周圍巖的豎向位移隨著隧道分步開挖的進行逐漸增大,且其影響范圍具有同樣規律,即逐漸擴大;從隧道開挖的最終狀態來看,隧道拱頂特征點的最大沉降值約為2.92 mm,拱底特征點的最大隆起值約為3.74 mm。隧道開挖后及時支護,能有效保證圍巖的穩定性,隧道開挖施工過程中應及時進行監控量測、數據整理,并及時反饋隧道變形、圍巖應力等監測信息,用于指導區間隧道施工,確保隧道處于穩定狀態。

3.2 既有建筑物樁基的影響分析

現狀安置房5#樓采用樁基礎,設計樁入土深度為15.40～15.66 m,嵌入基巖1.6 m左右,初始地應力計算時樁受力情況如圖6所示。

圖6 初始應力狀態樁豎向位移云圖

該段隧道開挖必然對現狀安置房5#樓的樁基產生影響,為了研究既有建筑物的傾斜變形規律,建模時預先在樁基礎底部設置了3個監測點,分別為圖7中的A、B、C監測點,從隧道開挖至二襯施作后,各監測點累計變形情況如下:A點下沉0.748 mm,B點下沉0.453 mm,C點下沉0.296 mm。

圖7 基礎監測點布置圖

AB邊傾斜角為:

BC邊傾斜角為:

綜上所述,在隧道開挖過程中現狀安置房5#樓的傾斜值滿足相關要求。

3.3 現狀安置房5#樓的處理措施

為減小隧道施工對既有建筑物樁基的影響,施工過程中,采取如下措施對現狀安置房5#樓進行保護:

(1) 嚴格采用非爆破施工。

(2) 提高隧道洞周的支護參數,加強支護。

(3) 小循環開挖,減小影響范圍,并及時支護,盡早封閉圍巖。

(4)及時對初期支護及二襯背后進行注漿。

(5)勤量測,信息及時反饋,以便指導施工。

4 結 論

本文針對某市軌道交通6號線區間隧道穿越現狀安置房5#樓工程,采用有限元軟件建立仿真模型,進行模擬分析,研究了該區間隧道暗挖施工引起的周圍土體位移以及建筑物樁基礎位移情況。結果表明:隧道暗挖施工采取的CD工法能夠有效降低對既有建筑物樁基礎的影響,施工過程中嚴格按照技術要求施工,并輔以相關處理措施,即可把風險控制在標準范圍之內,暗挖施工對既有建筑物樁基礎的影響是很小的。