建筑結構上跨多重隧道結構施工安全影響分析★

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

隨著城市建設用地逐漸緊張,房建工程建設與既有交通隧道相交的情況越來越多。房建基坑開挖和后續結構施工會改變圍巖的應力狀態,破壞既有隧道原有的受力平衡[1],導致既有隧道結構位移和受力的變化。隧道結構是變形控制極為嚴格的地下構筑物,尤其軌道隧道結構。建筑結構施工前必須進行嚴格的安全影響評估,避免對既有隧道結構與運營造成安全隱患。

鑒于此,針對房建施工對既有隧道結構安全影響評估國內外有較多相關研究,在理論計算方面,魏綱[2]、郭鵬飛等[3]基于基坑開挖對下臥盾構隧道影響的工程案例統計分析,得到隧道最大隆起變形預測模型;張治國[4]、周澤林等[5]建立土體附加應力對隧道影響的控制微分方程,進而得到隧道縱向位移和內力計算表達式。數值模擬方法在實際應用研究中愈加廣泛,伍尚勇等[6]采用Midas/GTS數值模擬與實測數據對比分析,研究了廣州某臨近地鐵隧道雙側深基坑按不同順序開挖對穿越期間已運營地鐵隧道影響。袁靜等[7]以杭州某綜合體施工為背景,結合分層總和法、PLAXIS有限軟件對粉砂土地基降水和基坑開挖對臨近隧道基礎沉降的疊加影響分析。高廣運運用FLAC-3D模擬上海某臨近地鐵隧道基坑施工,研究單側基坑開挖對隧道工程影響并提出應對措施;徐長節等[8]采用Abaqus有限元數值模擬與簡化的規范角點法對比分析,評價隧道上方基坑開挖和后續結構施工對既有公路隧道的影響。

針對建筑結構跨多重既有隧道結構施工的工程案例與工程影響研究較少。因此,本文結合某上跨多重隧道的建筑結構施工,基于地層-結構法和荷載-結構法,利用Midas-GTS有限元模擬施工過程,從位移量、結構安全系數等多方面既有隧道結構安全進行安全影響評估,研究方法和結論可為類似工程提供參考。

1 工程背景與風險特性

1.1 工程概況

本房建項目為一棟地上4層、地下1層的社區管理綜合樓,采用鋼結構,建筑基礎采用獨立基礎和樁基礎。

本項目位于某公路交通隧道正上方,某軌道交通線隧道的側上方,兩工程線路平面逐漸靠近至重疊,三者平面關系如圖1所示。建筑基礎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,剖面位置關系如圖2所示。公路隧道為雙向四車道城市隧道,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法開挖。

施工過程中,受基坑開挖、結構施作、場地回填等擾動,軌道區間隧道原有應力平衡狀態重新調整,進而產生影響。為保障隧道結構與運營安全必須進行結構安全影響評估。

1.2 風險特性

根據CJJ/T 202—2013城市軌道交通結構安全保護技術規范[9],兩座隧道與外部作業水平凈距為0,施工作業區域屬于強烈影響區,接近程度屬于非常接近。依據規范項目影響等級判定表確定房建項目的實施對公路與軌道隧道結構影響程度為特級。項目主要風險有:

1)開挖卸荷將引起圍巖內部的應力調整和變形,隧道結構也產生一定的變形,故需結合地層結構法對區間結構的變形進行驗算。2)項目建成后,新建項目的基礎荷載可能傳遞至區間隧道結構上,從而改變作用在其上的既有荷載。因此,需要重新計算項目建成后區間結構上承載能力與裂縫寬度。

2 既有隧道位移影響分析

2.1 模型構建

為研究該工程基坑開挖及后續建筑荷載施加對隧道位移的影響,選取地層-結構模型進行分析,采用Midas-GTS有限元分析軟件建立二維工程模型。模擬剖面選取風險等級最高最不利的剖面1-1,計算模型如圖3所示。

對填土、巖體采用Midas/GTS自帶的Mohr-Coulomb本構模型,其余采用彈性模型。地層結構計算過程中,左、右側邊條法向約束,底部邊界固定。按照基坑開挖、建筑加載、場地回填施工過程進行模擬,具體分析步驟如下:

1)初始應力計算,位移清零。2)軌道區間隧道施工,位移清零。3)公路隧道基坑開挖。4)公路隧道結構施工。5)公路隧道結構兩側及頂部回填,位移清零。6)社區用房基坑開挖。7)社區用房上部結構基礎荷載施加。8)地面恢復至設計標高。

2.2 參數取值

土體力學參數根據《某工程地質詳細勘察報告》確定,具體力學參數見表1。計算過程中,在模擬公路隧道開挖時,考慮軌道區間隧道爆破施工引起的圍巖損傷,將巖土層的參數折減80%;在模擬上部基礎開挖時,主要考慮公路隧道施工時采用機械開挖,圍巖損傷較小,再將巖土層參數折減90%。

表1 計算采用巖土力學參數

2.3 計算結果

2.3.1 公路隧道結構位移分析

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。建筑結構基坑施工將引起區間隧道周邊圍巖的整體上隆,公路隧道靠近施工場地一側的左側頂板跨中位置上隆量達到2.17 mm,如圖4所示。建筑結構施工完成后,建筑結構的荷載將抵消基礎開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沉降量較大,達到7.40 mm,如圖5所示。回填土體荷載將進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,此狀態為隧道結構最不利狀態。而施工過程中橫向位移量最大為0.82 mm,遠小于豎向位移量。

2.3.2 軌道隧道結構位移分析

施工過程引起軌道隧道變形過程與公路隧道近似,位移量不同。基坑開挖后,軌道隧道結構靠近建筑結構一側的左拱肩至左拱腳豎向上隆量最大,達到0.79 mm,如圖7所示。房建完成后,軌道隧道結構變形由上隆變形轉為沉降,相同位置的最大沉降量為4.94 mm,如圖8所示。場地回填后軌道隧道進一步沉降,最大沉降為5.06 mm,如圖9所示。施工過程中軌道隧道橫向位移量最大為1.12 mm,遠小于豎向位移量。

項目實施對軌道區間結構的變形影響較小,施工過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。

計算采用巖土力學參數(見表1)。

2.4 結果分析

CJJ/T 202—2013城市軌道交通結構安全保護技術規范規定城市軌道交通結構安全控制指標值應符合:隧道的水平和豎向位移預警值小于10 mm,軌道橫向高差、軌向高差、軌間距均小于4 mm。

公路隧道結構最大橫向位移約為0.6 mm,最大豎向位移約為7.43 mm;軌道隧道結構的最大橫向位移約0.4 mm,最大豎向位移約5.06 mm,均遠遠小于規范規定的10 mm,擬建項目基坑開挖與建筑加載不影響隧道結構的安全。

軌道隧道區間結構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、軌間距均小于規范規定的4 mm,擬建項目的建設與運營不影響軌道隧道的安全運營。

3 既有隧道結構承載安全分析

3.1 隧道結構承載安全分析方法

采取荷載-結構法求取襯砌結構內力,荷載-結構法是將巖體對結構的圍巖壓力作用簡化為荷載直接施加于結構上進行內力計算,通過計算所得的內力進行分析,從而達到檢驗結構安全性的目的[10]。

利用Midas GTS NX計算軟件計算結構受力,模型建立過程中,地基巖土體對襯砌結構約束作用簡化為僅受壓彈簧單元,其彈性抗力系數大小反映地基對襯砌結構約束作用的強弱;襯砌結構簡化為梁單元,其材料類型為鋼筋混凝土,其斷面寬度為二襯混凝土厚度,縱向長度為1 m;松散巖土體對襯砌結構的作用簡化為豎向荷載與水平荷載,具體模型參數參考2.2節。

根據JTG 3370.1—2018公路隧道設計規范[11]規定鋼筋混凝土按荷載基本組合求得的結構安全系數不應小于1.7,GB 50010—2010混凝土結構設計規范[12]規定鋼筋混凝土襯砌結構構件,按荷載基本組合求得的最大裂縫寬度ωmax不應大于0.2 mm,計算隧道襯砌的安全系數與裂縫寬度分析隧道結構安全。

3.2 公路隧道結構承載安全分析

3.2.1 公路隧道結構荷載

項目建設后,作用在公路隧道結構上的荷載包括豎向圍巖壓力、側向圍巖壓力、建筑主基礎附加集中荷載。

結構左側覆土高度1.9 m,右側覆土高度6.1 m,填土完成后隧道為超淺埋,作用于襯砌結構上的荷載求取方法參照JTG 3370.1—2018公路隧道設計規范中超淺埋隧道荷載求值方法。結構施工完成后,一排基礎結構落于公路隧道中墻上,如圖1所示,建筑荷載選取最右側最大基礎荷載,建筑基礎集中荷載為4 050 kN。考慮建筑結構傳遞下來的荷載和覆土荷載,不考慮縱向擴散,作用在公路隧道總荷載如圖10所示。

3.2.2 公路隧道安全系數與裂縫寬度

荷載變化后,公路隧道結構的彎矩和軸力分布如圖11所示,隧道右側頂板跨中和頂板中墻位置彎矩最大,達到1 067.9 kN·m和-1 378.1 kN·m。根據規范計算該位置處安全系數與裂縫寬度,計算結果如表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為2.45,裂縫寬度為0.18 mm,能夠滿足規范要求,因此建筑結構施工不會影響公路隧道的結構安全。

表2 公路隧道截面安全系數與裂縫寬度驗算

3.3 軌道隧道結構承載計算

3.3.1 軌道隧道結構荷載

項目建設后,作用在軌道區間結構上的荷載包括:公路隧道基底傳遞的豎向荷載、側向荷載及公路隧道基底以下圍巖豎向荷載與側向壓力。

利用Midas GTS NX計算軟件計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。然后根據圍巖抗力提取地基反力,地基反力如圖13所示,取3個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。同時考慮作用在區間隧道覆土荷載,作用在軌道區間的總荷載分布圖如圖15所示。

3.3.2 軌道隧道安全系數與裂縫寬度

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。因此針對拱頂和拱肩計算其截面安全系數和裂縫寬度,結果如表3所示,隧道拱頂的安全系數為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與裂縫寬度均滿足規范要求,因此新建建筑結構不會影響既有軌道隧道安全。

表3 公路隧道截面安全系數與裂縫寬度驗算

4 施工現場監測對比

為了保證在房建項目實施過程中既有隧道結構安全,對房建項目附近100 m的隧道進行沉降與收斂監測、裂縫監測。重點監測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。

實測位移量與計算位移量較為接近。實測公路隧道在基坑開挖、附屬結構加載、場地回填三個階段的豎向位移量最大值分別為1.56 mm,5.23 mm,5.87 mm,均在計算值2.17 mm,7.40 mm,7.43 mm的安全范圍內。軌道隧道實測值分別為0.4 mm,3.85 mm,4.23 mm均在計算值0.79 mm,4.94 mm,5.06 mm安全范圍內。

施工過程中在公路隧道頂板跨中部位發現一條寬度約0.11 mm,長度約2.8 cm裂縫,并未繼續發育,符合相關規范(見表3)。整體而言,評估結果與實際施工結果一致。

5 結論

本文依托建筑結構跨多重既有隧道結構施工項目,結合地層-結構法和荷載-結構法分析了建筑結構施工對疊加的兩種隧道的位移、受力等影響,并評估了施工對既有隧道結構安全性的影響。得到以下結論:

1)基坑開挖導致既有隧道產生隆起變形,建筑結構施工及場地回填導致既有隧道沉降變形,靠近施工場地一側隧道位移量最大。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城市軌道交通結構安全保護技術規范規定的10 mm。

3)軌道隧道結構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城市軌道交通結構安全保護技術規范規定的4 mm。

4)公路隧道和軌道隧道的結構安全系數分別為2.45,3.0,最大裂縫寬度分別為0.11 mm,0.18 mm,滿足規范要求。

5)施工過程中對影響區域的監測結構均小于計算結果,建筑結構施工對既有隧道安全未造成影響。