淺埋地鐵隧道曲線段下穿施工對上方建筑物的影響

吳旭平 徐立明 李 楊 楊新安

(1.浙江省交通投資集團有限公司,311100,杭州; 2.浙江杭溫鐵路有限公司,311100,杭州; 3.云南省發展和改革委員會,650051,昆明; 4.同濟大學交通運輸工程學院,201800,上海∥第一作者,工程師)

青島地鐵13號線嘉陵江路站—香江路站區間(以下簡稱“嘉香區間”)周邊環境復雜,鄰近的建(構)筑物年代久遠。嘉香區間隧道埋深較淺,地層有明顯的“上軟下硬”特點,并且部分地層含水量較大,開挖施工帶來的地層擾動、地下水滲流影響較大。在這種工程環境下開展隧道施工,極易對周邊既有建筑物帶來不利影響。

目前,國內學者針對淺埋隧道下穿既有建筑物開展了豐富的研究分析工作。文獻[1]通過數值模擬結合現場實測的方法研究了PBA工法(洞樁法)對于淺埋車站穿越既有建筑物的可行性;文獻[2]利用工程類比,分析了各工序下開挖隧道對于既有隧道的影響;文獻[3]以淺埋黃土隧道為例,基于提出的改進型開挖施工方法,通過數值計算驗證了改進方法的可行性;文獻[4]對下穿段采用的長大管棚進行受力機制分析,建立了相應的黃土與隧道數值模型,通過對比實測數據,分析得到了長大管棚對于保護既有建筑物具有良好的效果。文獻[5]以青島地鐵3號線為例,對隧道穿越建筑物群所采用的超前小導管等措施進行了計算模擬,將下穿施工時建筑物變形分為幾個階段,對于研究隧道下穿建筑物的變形規律有一定意義。文獻[6]以寧波市軌道交通4號線金達路站—錢湖大道站區間下穿高鐵橋梁為依托,建立了多種工況下的數值計算模型,從橫向豎向變形入手分析隧道施工對橋梁的影響。通過對上述文獻調研發現,不同的地層、工法、建筑物與隧道結構形式以及隧道穿越方式意味著隧道下穿建筑物問題具有明顯的工程特性,已有的研究成果難以復用。因此,本文針對嘉香區間曲線下穿既有建筑物工程,在對周邊建筑物情況調查以及所處地層特點分析的基礎上,利用數值計算結合現場實測數據分析的方法,探究淺埋曲線隧道施工開挖對于既有建筑物的影響。

1 工程概況

嘉香區間從嘉陵江路站出發,沿嘉陵江西路向東敷設,拐入井岡山路,最終在香江路路口接入香江路站,其中在YCK5+088.600—YCK6+178.979里程內下穿愛思恩梯重工有限公司一座二層廠房建筑(以下簡稱“重工廠房”)。嘉香區間線路走向如圖1所示。嘉香區間處于濱海堆積區,隧道圍巖分級為Ⅴ—Ⅵ級,隧道區間埋深為9～20 m,線路曲線半徑R=500 m,雙線最大線間距約為14.0 m,最小線間距為13.5 m。隧道開挖寬度為14.68 m,凈高為11.60 m。嘉香區間隧道采用礦山法施工。

圖1 嘉香區間線路走向

1.1 隧道穿越建筑物概況

嘉香區間穿越井岡山路兩側地上的居民樓和廠房等建(構)筑物,大部分為多層的磚混結構房屋,地上建(構)筑物基礎埋深不大,主要下穿、側穿的既有建筑物概況如表1所示。其中,隧道從重工廠房下方穿過,對其影響最大,故本文僅以重工廠房為例對隧道下穿施工的影響進行分析。重工廠房始建于1992年,尺寸為長100 m,寬75 m,地上部分共2層,每層樓高5 m,其基礎部分包括樁基、柱基及基礎梁。其中,樁基為結構柱下獨立樁,長度為10 m,截面尺寸為400 mm×600 mm。嘉香區間區間隧道與重工廠房的空間位置關系如圖2所示。由圖2可知:隧道頂部與重工廠房基礎最短距離僅為5 m,故廠房結構在施工過程中容易受到影響;隧道下穿區段為曲線段,故隧道施工對于重工廠房的影響更加復雜。為確保周邊建(構)筑物的安全,根據建筑物現狀,安全控制標準應更嚴格,現設定總沉降值控制值為20 mm,沉降速度控制值為1.5 mm/d,差異沉降值控制值為8 mm。由此,嘉香區間隧道采用預留核心土的臺階開挖法施工,且右線先行開挖施工,開挖前進30 m后左線跟進,以避免左右線同時開挖帶來較大的地層擾動。

表1 隧道穿越建筑物概況

a) 重工廠房與隧道平面位置關系

1.2 地質情況

嘉香區間隧道下穿重工廠房區段(以下簡為“下穿區段”)處地層具有典型的“上軟下硬”特征。上部地層主要以較軟弱的填土及黏土為主,部分區段還分布了松散且黏聚力較低的的中、粗砂;下部地層以風化程度較高的凝灰巖及花崗巖為主。下穿區段所穿越主要地層的巖土特征及開挖穩定狀態見表2。由于項目地處濱海堆積區,靠近地表水體(海、河、水渠),故地層含水量較大,且第四系孔隙水及基巖裂隙水為主要的地下水來源。在隧道開挖過程中,將使周圍巖土體的應力環境發生很大變化,地應力場與地下水滲流都發生較大的變化。施工過程中圍巖應力釋放后產生的位移,將造成較大范圍的巖土體變形。另外,在施工過程中若地下水控制措施不當,則可能導致地下水水位下降,引發路面沉降以及周邊建(構)筑物開裂,嚴重時可導致地面塌陷及樓房坍塌,甚至會造成地下管線斷裂;若雨水管、污水管等管線發生斷裂,則會形成外部水源,造成巖土體強度降低,極易誘發掌子面失穩及圍巖塌方等事故,對隧道施工產生嚴重危害。

表2 隧道下穿區段處地層及巖土特征

若要評估隧道開挖可能帶來的地下水滲流及涌水影響,需以隧道所處地層的透水能力作為依據。本研究選取施工現場分布廣泛而典型的3種不同含水率的土樣,測定其滲透系數。由于測試土樣顆粒較大,孔隙多,故通過常水頭滲透裝置進行測定。測得不同含水率下不同土樣的滲透系數如表3所示。

表3 不同含水率下不同土樣的滲透系數

由表3可知:3種土樣的含水率都較大;隨著含水率的增大,土樣的滲透系數也增大。由此可以推斷:隨著隧道的開挖,周邊圍巖地下水流失,地層含水率降低,透水能力也會逐漸減小,進而圍巖的持水能力得以增強;此時,無法及時排掉的地下水自重會增大隧道支護結構受力,給隧道施工安全帶來威脅;同時,地下水的流失會反作用于地層,給地層帶來進一步的擾動,增大地層變形,對周邊既有建(構)筑物造成威脅。

1.3 工程特點

由工程環境及地質條件分析可知,下穿區段工程具有以下特點:

1) 由于隧道埋深較淺,距離建筑物基礎較近,且下穿區段正好為線路曲線段,故隧道下穿開挖給廠房等建筑物帶來的影響更加復雜,尤其是其引起的變形在空間上分布明顯不具備對稱性。

2) 建筑物年代久遠,結構老舊,抗變形能力差,故隧道施工的沉降控制標準更嚴格。

3) 穿越的地層含水量較大,滲透能力強,開挖容易導致較大的地下水滲流,造成更大的地層擾動。

2 數值模擬與實際監測

2.1 數值模型的構建與測點布置

本文利用FLAC3D軟件,選取下穿區段(里程為YCK5+088.600—YCK6+178.979)建立數值模型,進行數值計算。數值模型中:下穿區段的線路半徑為500 m,隧道埋深為20 m,素填土層厚度為6 m,黏土層厚度為16 m,最下層為風化花崗巖;地層本構模型采用摩爾庫倫模型;地下水位為4 m。為消除邊界效應,數值模型尺寸為220 m(x向)×165 m(y向)× 50 m(z向)。其中重工廠房長100 m,寬75 m,樁基礎長度為10 m,樓高10 m。下穿區段模型如圖3 a)所示。采用BEAM單元對廠房結構柱及樁基礎結構進行模擬。隧道采用預留核心土的臺階開挖法,每次開挖循環進尺為5 m,預留核心土長度為5 m,右線進洞達30 m后左線隧洞跟進開挖。總共模擬50個循環進尺工況。

a) 數值模型

為實時監控廠房結構安全,在實際施工過程中,于廠房靠近隧道開挖面一側的一樓樓板布置了10個z向變形監測點,且每個監測點的絕對距離大約為10 m。實際測點位置布置見圖3 b)。此外,還在施工豎井與廠房之間的地面設置了地面變形測點。為驗證模擬效果,在數值模型雙洞之間的樁上設置10個z向變形監測點。

數值模型中,各層土體為各向同性的透水模型,并將地下水位以下的地層視為完全飽和土體。計算原理采用Biot三維固結原理,土體顆粒視為不可壓縮,Biot系數為1。此外,隧道初噴混凝土及建筑物結構材質等其他結構材質均視作不可透水。

2.2 數值模型的材料參數

地層及支護結構建模參數分別如表4及表5所示。

表4 地層材料參數

表5 支護結構材料參數

3 隧道施工對廠房結構的影響

本文將結合數值計算結果與實際監測結果,分析下穿區段施工對廠房結構的影響。

3.1 對廠房樓板的影響

在下穿區段開挖通過后的26 d內,通過 10個z向測點獲取重工廠房的實際變形數據。實際監測得到的廠房變形數據如圖4所示。由圖4可直觀地看出,經歷一段時間后,重工廠房變形基本達到穩定。各測點按最終變形量由大到小排序為:測點3、測點2、測點10、測點4、測點1、測點7、測點8、測點9、測點6、測點5。其中,最大變形量監測值達到7.46 mm。在測點5、6處還出現了樓板隆起現象。這說明在隧道開挖過程中,廠房的樓板出現了較大的不均勻變形,甚至有可能出現扭轉。

圖4 實際測點監測的廠房變形情況

為了進一步探究廠房樓板空間位置上的變形規律,選取各測點第26 d的實際變形數據和數值計算結果,以各測點距測點1的距離為橫軸,繪制測點位置處的變形結果如圖5所示。

圖5 測點位置處的變形結果對比

由圖5可見:數值計算結果與實測結果基本吻合,說明模擬效果較好。但是數值計算得到的同一位置的樓板變形量相對實際較大,而且數值計算得到的隆起量并不明顯。進一步分析可以發現,廠房東北角附近的測點 2、3處的樓板變形較大,廠房東邊位置的測點5、6、7、8處的樓板變形較小。該變形分布特點上與隧道走向基本一致,即在靠近隧道開挖范圍內的廠房結構,受到隧道開挖地層擾動的影響較大,故相應變形量較大。

在開挖過程中,隧道開挖位置對廠房變形的影響也存在著明顯的差異。本文選取3個典型進度節點分析廠房結構變形。圖6為典型進度節點的廠房結構變形云圖。其中,進度節點1為隧道開挖至廠房區域前方,進度節點2為隧道開挖至廠房,進度節點3為隧道完全通過廠房區域。

a) 進度節點1的開挖情況

由圖6 a)可知,隧道未開挖到廠房區域時,雖然隧道掌子面與廠房間足有50 m的水平距離,但地層擾動已發展到了廠房所處的區域,此時的最大變形量不足1 mm,且最大變形正好出現在隧道前進方向上。由圖6 b)可知,隨著隧道開挖至廠房區域,廠房整體變形量有所增加,且最大變形量已達2.32 mm,變形較大的區域逐漸擴展到整個迎著隧道前進方向的廠房東面。由圖6 c)可知,隧道雙洞全部通過廠房區域后,廠房最大變形量達7.33 mm,且最大變形出現在廠房的東北角,與實際監測到的最大變形出現位置一致。此外,整個廠房東側和西側的變形差異較大。

3.2 對廠房樁基礎的影響

在數值模型中,在位于左右隧洞中間的3根樁上布設了3個虛擬測點(圖7中的測點1#、2#及3#),其中測點1#布設在雙洞之間的樁中心上,測點2#位于先掘進洞正上方的樁中心上,測點3#位于靠近后掘洞上方的樁中心上。提取出開挖過程中各測點的x向水平應力、以及測點1#在x向及y向的變形數據,繪制出隨隧道開挖進尺的變化曲線。如圖8及圖9所示。

圖8 不同開挖進尺下測點處的水平應力

圖9 不同開挖進尺下測點1#的x向位移

由圖8可知:在進度節點2處,即隧道即將到達廠房區域時,3根樁受到的水平應力最大,接近27.80 kPa,之后,隨著雙線并行開挖,3根樁受到的x向水平應力均有所回升,最后逐漸穩定在27.65～27.75 kPa范圍內,并且測點1#(其樁位于雙洞之間)的水平應力最大。當開挖進尺達到30 m時,測點1#的水平應力實際監測值有突變,據推測是后洞掘進造成的。對比圖9發現,測點1#的x向位移與所受應力變化一致,x向位移最大達到1.2 mm左右。據推測,之所以隨著左洞的開挖,x向位移最大值有所減小,是因為左洞開挖造成地層擾動,此時雙洞之間的圍巖相互擠壓,位于此范圍內的樁受到的左右兩側水平地應力相互抵消了一部分,進而最終受到的x向上的水平地應力變小,變形也減小。這說明雙洞非同步開挖能有效減小對地層的擾動,進而減小對既有建筑物樁基礎的影響。

在y向,即隧道開挖前進的方向,樁體持續受到的地應力方向保持不變,所以y向位移逐步增加,相應變形增大。

3.3 隧道開挖順序對隧洞拱頂變形的影響

為了科學地展示開挖順序對左右隧洞變形的影響,對于y=5、10、15、20、25 m處斷面,繪制出掌子面推進距離為25、20、15、10、5 m時各斷面左右洞的拱頂位移情況,如圖10所示。

a) 左洞

由圖10中曲線形態可以明顯看出:在不同開挖步序中,曲線的形態有明顯的變化,左右洞的曲線形態也有明顯區別。這說明,左右洞單獨開挖階段的變形與雙洞同時開挖階段的變形存在著明顯差異。觀察圖10 a)發現:左洞單獨開挖5.0 m時,隨著掌子面發推進,隧洞拱頂變形變化速率較大;當進入左右洞同時開挖的階段后,隧洞拱頂變形隨掌子面推進變化的速率反而減小。觀察圖10 b)發現:在雙洞同時開挖階段,右洞拱頂變形隨掌子面推進的變化速率較小;進入單獨開挖階段,右洞拱頂變形隨掌子面推進的變化速率明顯減小。

4 結論

1) 嘉香區間下穿區段所處地層透水能力較強,且隨著含水量的增大,滲透系數變大。隧道開挖后圍巖中地下水滲流,使得圍巖含水率降低,圍巖持水能力增強,使支護結構受到額外的地下水重力作用,從而增大了支護結構的受力。

2) 由于重工廠房位于線路曲線下穿段上方,故在隧道開挖過程中,廠房不同位置的變形有著明顯的空間差異性。整體上,廠房東側的結構變形量較大,部分位置的樓板還出現向上的變形。

3) 在隧道開挖通過廠房前后,廠房結構受到的影響有巨大差異;實際施工采用右洞先行開挖,左洞后行的開挖方案,在一定程度上減小了對地層的擾動。尤其對于位于雙洞之間的廠房樁基礎,由于雙洞開挖對中間圍巖的擠壓相互抵消,故處該位置附近的樁基礎水平變形有所減小。

4) 前后洞錯開開挖的工序,使得隧洞開挖過程中的變形呈現不同的特征。洞同時開挖時,隧洞拱頂處變形速率較小,單獨開挖時隧洞拱頂處變形速率反而較大。