雙線鐵路隧道側(cè)穿對既有建筑物的影響分析

賓勝林

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的急速增加與迅猛發(fā)展，新建地下工程與既有建(構(gòu))筑物近接施工工程大量出現(xiàn)，立體交疊工程日益增多。隧道工程近接施工中常常會(huì)改變既有建(構(gòu))筑物的受力狀態(tài)、降低結(jié)構(gòu)物安全度，因此新建隧道施工對既有建(構(gòu))筑物的影響研究是現(xiàn)階段工程界研究的熱點(diǎn)[1-2]。國內(nèi)外關(guān)于隧道等地下工程近接施工的研究已經(jīng)很多，取得了豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，包括近接施工力學(xué)機(jī)理以及對策措施等，然而由于地下工程的特殊性，使得沒有任何一種理論或治理措施能夠適應(yīng)地質(zhì)、水文、周邊附加荷載條件的復(fù)雜多變。因此，依托具體工程實(shí)際，建立適應(yīng)現(xiàn)有周邊條件的分析模型，研究近接施工對既有建(構(gòu))筑物的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義[3]。以東南山隧道側(cè)穿建平縣匯通物流園九層、二層兩處房屋建筑工程為背景，對新建隧道近接既有建(構(gòu))筑物的施工過程進(jìn)行了三維彈塑性數(shù)值分析[4-5]，驗(yàn)證了技術(shù)方案合理性，并提出保證隧道施工、既有建(構(gòu))筑物安全的建議。

1 工程背景

依托錦承線朝陽(不含)至葉柏壽(含)鐵路擴(kuò)能工程，該工程?hào)|南山鐵路隧道位于朝陽市建平縣小平房村與南溝新村之間，總體呈近東西向展布。該隧道起迄里程DK215+440～DK218+935，全長3495m，為單洞雙線隧道。隧道在里程DK218+500～DK218+710段側(cè)穿在建匯通物流園建筑物，隧道開挖方向?yàn)閺拇髽短?hào)向小樁號(hào)方向，側(cè)穿建筑物兩處，一處為在建二層樓建筑，一處為在建九層樓建筑，平面位置關(guān)系如圖1所示。隧道在臨近二層樓建筑段落，凈高10.11m，外輪廓頂部至地坪高度約31.13m，側(cè)穿段隧道按Ⅴ級圍巖設(shè)計(jì)，圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖；在臨近九層樓建筑段落，凈高10.02m，外輪廓頂部至地坪高度約31.87m，側(cè)穿段隧道按Ⅳ級圍巖設(shè)計(jì)，圍巖主要為弱風(fēng)化花崗片麻巖，縱向位置關(guān)系如圖2所示。

圖1 隧道側(cè)穿既有建筑物平面位置關(guān)系圖

圖2 隧道側(cè)穿既有建筑物縱向關(guān)系圖

2 數(shù)值模型及邊界條件

2.1 數(shù)值分析模型

東南山鐵路隧道側(cè)穿房屋兩處，臨近既有地表建筑物段落隧道周邊主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，鐵路隧道外輪廓頂部至地坪高度約為31m，隧道外輪廓距兩處房屋最近距離為31m(二層框架)和38m(九層房屋)。根據(jù)提供設(shè)計(jì)文件，按照既有房屋先期施工完成，下部鐵路隧道施工后期影響的原則進(jìn)行側(cè)穿隧道三維仿真分析。分析模型邊界位置對最終位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等結(jié)果影響明顯，根據(jù)圣維南原理，為減小模型邊界影響并綜合考慮模型的計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，模型地表按實(shí)際地形起伏狀態(tài)建模，底部按不影響應(yīng)力回彈原則取東南山鐵路隧道以下30m，模型縱向沿東南山鐵路隧道中軸線方向取198m，橫向取垂直于隧道中軸線方向184m，模型周邊約束均與實(shí)際情況基本相符。

2.2 施工分析模型

應(yīng)用有限元分析軟件，建立地層結(jié)構(gòu)三維彈塑性模型，地表附近土層采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，隧道圍巖巖層采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。東南山鐵路隧道在樁號(hào)DK218+506～DK218+640段落采用三臺(tái)階法施工，在樁號(hào)DK218+640～DK218+704段落采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工。計(jì)算模型中含有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、地表既有房屋結(jié)構(gòu)及周邊巖、土體，地層初始應(yīng)力為自重應(yīng)力，考慮隧道施工工法及掌子面開挖進(jìn)尺影響。為保證單元穩(wěn)定性，劃分土體單元為混合六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，錨桿采用植入式桁架單元，初期支護(hù)、二襯、臨時(shí)支護(hù)采用平面殼單元，既有地表建筑物梁、柱、樁采用梁單元，樓板采用板單元。按照分析模型精度，調(diào)整網(wǎng)格播種參數(shù)，內(nèi)密外疏共建立66547個(gè)單元，模型構(gòu)建情況如圖3、圖4所示。

圖3 隧道側(cè)穿既有建筑物模型

圖4 既有九層、二層建筑物模型

2.3 計(jì)算模型參數(shù)

2.3.1地層參數(shù)

根據(jù)東南山隧道地質(zhì)勘察報(bào)告及相關(guān)段落地質(zhì)縱斷面圖內(nèi)容，隧道洞身主要為弱風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖，周邊區(qū)域地層主要為素填土、全風(fēng)化花崗片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖。由于隧道洞身主要為弱、強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖，為保證隧道中施工安全和順利開挖，隧道洞內(nèi)采用Φ42單層小導(dǎo)管超前支護(hù)，以降低下部鐵路隧道開挖對既有地表建筑物的影響，模型中各巖、土體及小導(dǎo)管注漿加固區(qū)的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3.2設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

根據(jù)東南山鐵路隧道設(shè)計(jì)資料，臨近既有建筑物側(cè)穿段落主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，襯砌斷面如圖5所示。襯砌支護(hù)參數(shù)為Ⅴ級圍巖雙線復(fù)合式襯砌，初支采用厚度230mm C25噴射混凝土，I16鋼拱架，排距1.0m，二襯采用厚度400mm C35鋼筋混凝土，配筋為雙層Φ18@200；Ⅳ級圍巖雙線復(fù)合式襯砌，初支采用厚度220mm C25噴射混凝土，I14鋼拱架，排距1.2m，二襯采用厚度400mm C35鋼筋混凝土，配筋為雙層Φ16@250；Ⅳ級圍巖雙線加強(qiáng)段復(fù)合式襯砌，初支采用厚度220mm C25噴射混凝土，I14鋼拱架，排距1.0m，二襯采用厚度400mm C35鋼筋混凝土，配筋為雙層Φ16@200。

圖5 隧道襯砌斷面圖

為了限制隧道拱頂變形，減小地表沉降，采用小導(dǎo)管超前支護(hù)，超前支護(hù)如圖6所示。采用Φ42×3.5小導(dǎo)管，長3.5m，縱向間距為2榀拱架，搭接長度不小于1m。在拱部120°范圍內(nèi)施做，Ⅴ級圍巖環(huán)向間距30cm，共計(jì)40根，Ⅳ級圍巖環(huán)向間距40cm，共計(jì)30根，小導(dǎo)管以5°～10°的外插角打入圍巖。

圖6 隧道超前支護(hù)縱向布置圖

3 施工開挖模擬

受隧道施工影響的地表物流園建筑物在隧道施工前已修建完成，模型先期生成并完成固結(jié)。隨后進(jìn)行隧道掌子面巖體開挖、臨時(shí)支護(hù)裝拆、初支、仰拱及二襯施工，通過單元鈍化、激活功能實(shí)現(xiàn)，模擬隧道施工步驟。東南山鐵路隧道施工方向?yàn)閺拇髽短?hào)向小樁號(hào)方向，在樁號(hào)DK218+640～DK218+704段落采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，在樁號(hào)DK218+506～DK218+640段落釆用三臺(tái)階法施工，主要施工步驟如圖7所示。

圖7 隧道施工模擬有限元模型圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)各施工步的位移結(jié)果提取，得到了東南山鐵路側(cè)穿隧道開挖過程中，既有地表建筑物的沉降情況。通過對最終位移量及過程中位移變化情況進(jìn)行分析，確定隧道施工工法的可行性和地表建筑物結(jié)構(gòu)的安全性。

4.1 既有地表建筑物沉降分析

通過對最終施工步沉降云圖分析，如圖8、圖9所示，東南山鐵路隧道貫通過程中，二層框架建筑物最終沉降為0.35mm，最大差異沉降為1.1×10-5(沉降差/兩點(diǎn)距離)；九層建筑物最終沉降為0.23mm，最大差異沉降為6.7×10-6。既有建筑物沉降及差異沉降相對較小。

圖8 九層建筑沉降云圖

圖9 二層建筑沉降云圖

4.2 新建隧道開挖對既有建筑物沉降影響分析

新建鐵路隧道側(cè)穿會(huì)導(dǎo)致既有地表建筑物發(fā)生沉降，房屋結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，影響結(jié)構(gòu)受力，其影響是“時(shí)空”影響的綜合，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1)空間影響：空間影響即為新建鐵路側(cè)穿對地表沉降的影響范圍，影響范圍主要體現(xiàn)在垂直于隧道軸線方向。不同的地層巖性、隧道埋深、地表建筑物結(jié)構(gòu)型式、隧道開挖工法，都會(huì)影響地表的沉降曲線。通過既有建筑物在地表沉降曲線的位置可以判斷隧道施工對其的影響程度，曲線斜率越大表明臨近位置差異沉降越明顯，本模型貫通時(shí)地表沉降曲線如圖10所示。

圖10 隧道貫通時(shí)地表沉降曲線

(2)時(shí)間影響：時(shí)間影響即為既有建筑物在什么時(shí)間階段內(nèi)受到影響，時(shí)間影響主要體現(xiàn)在各隧道開挖步的地表位移變化上。隨著新建隧道接近既有建筑物影響區(qū)域，其對建筑物的沉降影響逐漸增大，而隨著新建隧道跨越既有建筑物后遠(yuǎn)離影響區(qū)域，對既有建筑物影響逐漸減弱，沉降時(shí)程曲線斜率大表明對地表監(jiān)測點(diǎn)影響加劇、斜率小表明對地表監(jiān)測點(diǎn)影響程度減小。選取各建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)，通過對計(jì)算模型開挖過程中監(jiān)測點(diǎn)地表沉降值進(jìn)行結(jié)果提取，得到模型在影響區(qū)域前后貫通過程中各監(jiān)測點(diǎn)的沉降值，繪制沉降監(jiān)測點(diǎn)各施工步沉降時(shí)程曲線，提取結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 二層建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖12 九層建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

5 結(jié)論

根據(jù)隧道貫通時(shí)地表沉降曲線、監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線，得到如下結(jié)論：

(1)通過對地表沉降曲線分析可知，隧道近接施工對隧道中軸線正上方沉降影響最為明顯，最大沉降量為2.176mm，沿垂直隧道中軸線方向，距離隧道中軸線越遠(yuǎn)，隧道開挖對其影響越小。隧道軸線正上方及地表沉降曲線反彎點(diǎn)范圍內(nèi)為隧道開挖的主要影響區(qū)域，根據(jù)本模型地表沉降曲線，本工程主要影響區(qū)域?yàn)樗淼乐休S線兩側(cè)27m范圍內(nèi)。既有地表建筑物距離隧道最小距離約31m，因此考慮隧道開挖對地表沉降影響，既有地表建筑物不在主要影響區(qū)域內(nèi)。

(2)通過對建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線分析可知，二層建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線反彎點(diǎn)范圍為施工步18～42步之間，綜合考慮范圍疊加及施工步轉(zhuǎn)化為掌子面行進(jìn)距離，確定隧道掌子面施工至樁號(hào)DK219+604～DK219+673之間時(shí)對既有二層建筑影響相對較大；九層建筑物最大位移監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線反彎點(diǎn)范圍為施工步46～68步之間，綜合考慮范圍疊加及施工步轉(zhuǎn)化為掌子面行進(jìn)距離，確定隧道掌子面施工至樁號(hào)DK219+517～DK219+625之間時(shí)對既有九層建筑影響相對較大。

(3)綜合考慮相關(guān)規(guī)范要求及以往工程經(jīng)驗(yàn)，臨近建(構(gòu))筑物沉降控制值宜為10～30mm，變化速率控制值宜為1～3mm/d，差異沉降控制值宜為0.001L～0.002L(L為相鄰基礎(chǔ)的中心距離)。新建鐵路隧道側(cè)穿既有建筑物，二層框架建筑物最終沉降為0.35mm，最大差異沉降為1.1×10-5(沉降差/兩點(diǎn)距離)，九層建筑物最終沉降為0.23mm，最大差異沉降為6.7×10-6，均滿足建筑物安全要求。

6 結(jié)語

(1)針對本項(xiàng)目，新建隧道側(cè)穿既有建筑物段落采用三臺(tái)階預(yù)留核心土及三臺(tái)階工法施工、小導(dǎo)管超前加固，能夠滿足既有建筑物安全要求，既有建筑物受隧道施工影響可控。

(2)隧道掌子面施工至樁號(hào)DK219+517～DK219+673之間時(shí)對既有地表建筑物沉降影響相對較大，本段落內(nèi)宜嚴(yán)格控制施工工法，開挖進(jìn)尺，加強(qiáng)超前支護(hù)和襯砌支護(hù)參數(shù)，本段落外可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低支護(hù)措施。