于鶴然,趙巧蘭,郭蘇銳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司城交院,北京 100055)

淺埋礦山法隧道施工對(duì)地表建筑物的影響研究

于鶴然,趙巧蘭,郭蘇銳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司城交院,北京 100055)

淺埋隧道施工對(duì)地表建筑物的影響,主要與隧道斷面和埋深、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、施工方法及隧道和建筑物的空間相對(duì)關(guān)系直接相關(guān)?；谳富莩请H鐵路松山湖隧道下穿建筑物區(qū)段工程,為預(yù)測(cè)淺埋隧道施工對(duì)地表建筑物的影響范圍以及影響程度,以隧道埋深、建筑物基礎(chǔ)類(lèi)型、隧道與建筑物空間關(guān)系等多種因素為可變參數(shù),建立大量力學(xué)模型,通過(guò)數(shù)值模擬分析,得到隧道圍巖變形規(guī)律,并以此為基礎(chǔ)分析隧道開(kāi)挖對(duì)地表建筑物變形的影響。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),建立劃分隧道對(duì)地表建筑物影響范圍的分區(qū)和控制標(biāo)準(zhǔn),提出相應(yīng)的影響范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式。

淺埋暗挖；近接施工；下穿建筑；數(shù)值模擬

國(guó)內(nèi)外關(guān)于隧道施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物影響研究較系統(tǒng)的是仇文革[1]關(guān)于地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策的研究、張頂立[2]關(guān)于隧道施工下鄰近建筑物的安全評(píng)估。目前，對(duì)影響區(qū)域的劃分，還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在隧道施工影響分區(qū)方面，王占生[3]提出在工程應(yīng)用中，一般把隧道施工對(duì)周?chē)挠绊懓捶秶鷦澐譃槭苡绊憛^(qū)域和不受影響區(qū)域，對(duì)不受影響區(qū)域的建筑物認(rèn)為受施工影響程度可忽略不計(jì)，而部分或全部位于受影響區(qū)域的建筑物則要進(jìn)行影響程度的判斷。施仲衡[4]等提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法劃分施工影響范圍，但對(duì)于地表建筑物所受影響程度的具體評(píng)估尚不夠清晰全面。基于莞惠城際鐵路松山湖隧道下穿建筑區(qū)段工程，利用數(shù)值模擬研究方法，對(duì)施工影響區(qū)進(jìn)行劃分判定并介紹相關(guān)控制措施。

1 工程概況

莞惠城際鐵路松山湖隧道礦山法段，采用雙洞單線隧道結(jié)構(gòu)形式，單洞隧道開(kāi)挖跨度最大為9.5 m，高度10.5 m，雙洞間凈距5.0～9.0 m。部分段落大量下穿工廠、民房等建筑物群，且大部分建筑物為埋深較淺的天然基礎(chǔ)及預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，隧道開(kāi)挖沉降對(duì)地表建筑物的安全造成影響。礦山法隧道主要穿越粉質(zhì)黏性土、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖、花崗巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，局部穿越砂層及斷裂層，隧道底部至地表范圍土層以強(qiáng)風(fēng)化、微風(fēng)化混合片麻巖為主。

2 建筑物結(jié)構(gòu)變位破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)

任何地面及地下結(jié)構(gòu)均有一定的強(qiáng)度，有一定的安全系數(shù)，即有一定抵抗地面位移和變形的能力，房屋的容許變形系指建構(gòu)筑物并不影響正常使用，為房屋所容許的數(shù)值。當(dāng)房屋遭到的變形不超過(guò)該房屋所能抵抗的最大變形時(shí)，房屋不表現(xiàn)出可以觀察到的損害。房屋的容許沉降是制定施工方法的前提，也是對(duì)房屋進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，因此結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，推薦采用以下綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)本隧道穿越工程中的建筑物的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)建筑物整體沉降：目前較普遍的一種看法是，整體沉降不會(huì)造成建筑物的破壞，對(duì)其穩(wěn)定性和使用條件也不會(huì)產(chǎn)生太大影響，如《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]確定200 mm為允許變形，但實(shí)際上在很多復(fù)雜工程中，整體沉降通常會(huì)大大加強(qiáng)隧道二襯結(jié)構(gòu)的荷載，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性不利。為了建筑物與隧道安全，結(jié)合以往類(lèi)似場(chǎng)地穿越工程的控制經(jīng)驗(yàn)，并考慮一定的施工不可預(yù)見(jiàn)因素及安全余量，建議本穿越工程中高層建筑物的整體沉降不得超過(guò)20 mm。

(2)建筑物傾斜：與均勻沉降相比，建筑物對(duì)不均勻沉降的敏感程度更大，常常發(fā)生傾斜或開(kāi)裂破壞。建筑物傾斜是通過(guò)沿縱墻方向基礎(chǔ)兩端的差異沉降體現(xiàn)出來(lái)的，且建筑物整體剛度越大，則結(jié)構(gòu)開(kāi)裂程度相對(duì)越輕。根據(jù)文獻(xiàn)[5]其限值為2‰，參照本工程建筑物特點(diǎn)及施工中多種不可預(yù)見(jiàn)因素影響，建議本穿越工程的控制限值為1‰。

3 隧道施工對(duì)建筑物的影響范圍研究

隧道施工影響范圍的確定較為復(fù)雜，隧道埋深和尺寸、開(kāi)挖方法及地層條件(圍巖級(jí)別)是主要決定因素，同時(shí)還要考慮其它結(jié)構(gòu)物的影響。通常情況是：隧道埋深越深，在地表產(chǎn)生的沉降值越小，但施工影響范圍相對(duì)較大(沉降槽寬度增大)。為了對(duì)隧道施工對(duì)環(huán)境的影響做出預(yù)測(cè)及規(guī)律總結(jié)，運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法，針對(duì)不同埋深、不同位置的單洞隧道施工對(duì)既有淺基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)建筑物的影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。

3.1 模型建立及計(jì)算參數(shù)

本章計(jì)算模型采用大型有限差分軟件FLAC3d進(jìn)行建模分析，選用可表征巖土體剪切破壞的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，該模型的屈服準(zhǔn)則的物理意義為，當(dāng)剪切面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之比最小時(shí)，巖土體發(fā)生屈服破壞[6]。巖土體、既有建筑物及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，并采用實(shí)體單元轉(zhuǎn)換為空單元(null)的方法實(shí)現(xiàn)隧道施工掘進(jìn)的模擬，空單元中的應(yīng)力會(huì)自動(dòng)的設(shè)定為零。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨桿采用cable單元，管樁采用beam單元。因重點(diǎn)研究隧道施工過(guò)程對(duì)地表既有建筑影響，模型只模擬開(kāi)挖及初期襯砌支護(hù)施做階段。據(jù)地勘報(bào)告，隧道圍巖多為軟土層或全、中風(fēng)化巖層，與《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖參數(shù)較為一致。圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 圍巖參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖單線淺埋隧道的定義(覆蓋厚度18～25 m)，本研究中隧道埋深設(shè)置取10～25 m，即取10、15、20、25 m四種埋深來(lái)建立模型。當(dāng)沒(méi)有建筑存在時(shí)不同埋深的模型如圖1所示。

圖1 不同隧道埋深計(jì)算模型

3.2 隧道與建筑物立面位置關(guān)系

場(chǎng)地內(nèi)建筑物基礎(chǔ)寬度大多為十幾至幾十米，本計(jì)算取20 m。以隧道與基礎(chǔ)的平面位置不同，隧道軸線與基礎(chǔ)中線距離分為8種：0、5、10、15、20、30、40、50 m。當(dāng)建筑基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時(shí)，樁徑0.5 m，實(shí)際樁間距1.2～1.5 m，計(jì)算中取1.0 m×2.0 m，場(chǎng)地內(nèi)實(shí)際樁長(zhǎng)15～30 m，計(jì)算取20 m。隧道從群樁范圍旁邊或者下方經(jīng)過(guò)，避免破樁，建筑物與隧道位置關(guān)系模型見(jiàn)圖2。

隧道埋深與位置關(guān)系疊加考慮，得到工況見(jiàn)表2。

圖2 隧道與基礎(chǔ)間平面位置關(guān)系

工況編號(hào)1234567891011121314151617181920212223242526272829埋深/m1010101010101015151515151515202020202020202525252525252525距離/m05101520304005101520304005101520304005101520304050

3.3 施工順序模擬

每個(gè)工況中按照以下施工順序進(jìn)行施工：(1)建筑物施作(圖3)，淺基礎(chǔ)埋深取2 m，樁基礎(chǔ)承臺(tái)埋深取1 m。建筑物按8層高度考慮，每層荷載15 kPa。(2)在小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)下，下穿建筑物段采用臺(tái)階法開(kāi)挖模擬。并施作相應(yīng)部分的系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿及噴射混凝土。不同步驟的模型見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 地應(yīng)力平衡及建筑物施作

圖4 隧道上臺(tái)階開(kāi)挖

圖5 隧道下臺(tái)階開(kāi)挖及錨噴支護(hù)

3.4 計(jì)算說(shuō)明

在實(shí)際施工作業(yè)中，在未進(jìn)入下穿段前，施工方通常本著施工信息化原則，對(duì)地表沉降進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及施工方法，進(jìn)而將地表沉降數(shù)值控制在安全范圍內(nèi)，以此作為下穿段的安全保障。故本計(jì)算假定當(dāng)沒(méi)有建筑物的工況時(shí)，即在常規(guī)段施工時(shí)，用30 mm作為地表沉降控制值，通過(guò)調(diào)整預(yù)支護(hù)參數(shù)，使得地表沉降值逼近控制值。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析

在基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)的情況下，根據(jù)不同埋深及不同的平面位置關(guān)系，共設(shè)置29種計(jì)算工況，限于篇幅本文只羅列隧道埋深20 m工況中部分計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)隧道位于常規(guī)段掘進(jìn)即上方?jīng)]有建筑物時(shí)，隧道拱頂最大沉降41.9 mm，地表最大沉降30.2 mm，即在未進(jìn)入建筑物下穿段時(shí)，隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降處于正常狀態(tài)，最大沉降值接近允許值；塑性區(qū)貫通至地表。地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見(jiàn)圖6、圖7。

當(dāng)建筑物位于隧道正上方及斜上方時(shí)(隧道軸線與建筑物中線相距0～10 m)，地層發(fā)生較大變形，計(jì)算無(wú)法收斂。建筑物沉陷無(wú)限增大，隧道周邊圍巖位移處于不可控狀態(tài)，需要增加施工輔助措施。破壞變形模式見(jiàn)圖8。

圖6 常規(guī)段隧道圍巖沉降云圖

圖7 常規(guī)段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

圖8 下穿段隧道圍巖及上部建筑破壞變形示意

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距20 m時(shí)，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見(jiàn)圖9、圖10。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降38.2 mm，建筑物最大沉降7.3 mm，最大傾斜0.4‰(以建筑物差異沉降計(jì)算得，下同)。建筑物基本處于安全狀態(tài)。

圖9 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖10 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距40 m時(shí)，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布見(jiàn)圖11、圖12。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降38.6 mm，建筑物最大沉降2.9 mm，最大傾斜0.13‰，綜合判斷隧道掘進(jìn)對(duì)既有建筑物沒(méi)有影響。

圖11 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖12 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)建筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)時(shí)，根據(jù)不同埋深及不同的平面位置關(guān)系，共設(shè)置22種計(jì)算工況，限于篇幅本文只羅列隧道埋深20 m工況中部分計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)建筑物位于隧道正上方時(shí)(隧道軸線與建筑物中線相距0 m)，隧道開(kāi)挖范圍緊貼樁底，地層發(fā)生較大變形，此時(shí)地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見(jiàn)圖13、圖14。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降65.2 mm，建筑物最大沉降58.9 mm。需要增加施工輔助措施。

圖13 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖14 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距15 m時(shí)，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布見(jiàn)圖15、圖16。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降36.4 mm，建筑物最大沉降22.8 mm，最大傾斜1.0‰。應(yīng)引起足夠重視。

圖15 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖16 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

當(dāng)隧道軸線與建筑物中線相距40 m時(shí)，地層沉降云圖及隧道周邊塑性區(qū)分布分別見(jiàn)圖17、圖18。此工況隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降39.7 mm，建筑物最大沉降2.6 mm，最大傾斜0.13‰，綜合判斷隧道掘進(jìn)對(duì)既有建筑物沒(méi)有影響。建筑物處于安全狀態(tài)。

圖17 下穿段隧道圍巖沉降云圖

圖18 下穿段隧道圍巖塑性區(qū)分布云圖

4 隧道施工對(duì)既有建筑物影響范圍判定

當(dāng)建筑物為淺埋天然基礎(chǔ)時(shí)，29種工況下受隧道施工影響的建筑物最大傾斜率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。其中“collapse”表示計(jì)算結(jié)果不收斂，圍巖發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

根據(jù)前文確定的建筑物最大容許沉降20 mm，在表3中超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍的數(shù)據(jù)(包括圍巖失穩(wěn)情況)用加粗標(biāo)出，表示建筑物位于隧道施工的強(qiáng)影響區(qū)內(nèi)，建筑物必須加固處理或者隧道施工必須采用相應(yīng)輔助措施，且施工時(shí)必須加密對(duì)該建筑物的監(jiān)控量測(cè)；本文采用最大容許沉降的1/4即5 mm作為有弱影響區(qū)的判定依據(jù)，當(dāng)最大沉降處在5～20 mm時(shí)，在表3中用下劃線標(biāo)出，認(rèn)為建筑物位于隧道施工的弱影響區(qū)，施工時(shí)須加密對(duì)該建筑物的監(jiān)控量測(cè)，并可根據(jù)實(shí)際工程中建筑物重要等級(jí)、基礎(chǔ)狀況及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)確定是否進(jìn)行加固或者施加輔助措施。當(dāng)最大沉降小于5 mm時(shí)，認(rèn)為隧道施工對(duì)該建筑物沒(méi)有影響，施工時(shí)對(duì)該建筑物進(jìn)行常規(guī)監(jiān)控量測(cè)。

同樣根據(jù)前文確定的最大容許傾斜1‰，在表3中超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍的數(shù)據(jù)(包括圍巖失穩(wěn)情況)用加粗標(biāo)出，表示建筑物位于隧道施工的強(qiáng)影響區(qū)內(nèi)，采用最大容許斜率的1/5即0.2‰作為是否存在弱影響的判定依據(jù)，當(dāng)斜率處在0.2‰～1‰時(shí)，在表3中用下劃線標(biāo)出，認(rèn)為建筑物位于隧道施工的弱影響區(qū)，當(dāng)斜率小于0.2‰時(shí)，認(rèn)為隧道施工對(duì)該建筑物沒(méi)有影響。

表3 淺基礎(chǔ)建筑物最大變形

按埋深不同，強(qiáng)影響區(qū)分別為10～20 m，弱影響區(qū)15～40 m。

當(dāng)建筑物為樁基礎(chǔ)時(shí)，22種工況下建筑物沉降變形受隧道施工影響的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 樁基礎(chǔ)建筑物最大變形

按埋深不同，強(qiáng)影響區(qū)分別為0～15 m，一般影響區(qū)15～30 m。

將沉降和傾斜兩個(gè)判斷影響的標(biāo)準(zhǔn)作為綜合判別依據(jù)，對(duì)安全距離做出判斷，用內(nèi)插法得出容許值的建筑中心與隧道中線的平面距離，取其中較遠(yuǎn)的作為最終的安全距離，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，弱影響區(qū)距離判定起控制作用的主要為建筑最大傾斜率，強(qiáng)影響區(qū)距離判定

起控制作用的主要為建筑最大沉降。

為了方便實(shí)際工程量測(cè)操作，取基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離作為判定對(duì)既有建筑物影響范圍(扣除基礎(chǔ)半幅寬度)，見(jiàn)表5。

對(duì)表5中淺基礎(chǔ)弱影響范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得弱影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式，決定系數(shù)R2=0.994 3。

表5 影響區(qū)范圍 m

(1)

式中D——對(duì)建筑物存在弱影響的范圍(基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離)，m；

h——隧道埋深，m。

對(duì)表5中淺基礎(chǔ)強(qiáng)影響范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得強(qiáng)影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式，決定系數(shù)R2=0.966 2。

(2)

式中D′——對(duì)建筑物存在強(qiáng)影響的范圍(基礎(chǔ)外沿與隧道中線的平面距離)，m。

對(duì)表5中樁基礎(chǔ)弱影響區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得弱影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式，決定系數(shù)R2=0.971。

(3)

對(duì)表5中樁基礎(chǔ)強(qiáng)影響區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得強(qiáng)影響區(qū)范圍判定經(jīng)驗(yàn)公式。

(4)

式中h——隧道埋深，m,h≥20 m。

式(1)～式(4)與樣本點(diǎn)擬合情況見(jiàn)圖19、圖20。

圖19 隧道施工對(duì)淺基礎(chǔ)建筑影響范圍分析

圖20 隧道施工對(duì)樁基礎(chǔ)建筑影響范圍分析

5 結(jié)論

(1)本研究利用數(shù)值分析研究方法，通過(guò)對(duì)不同埋深、與建筑物遠(yuǎn)近不同的多種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分別以建筑物容許沉降及容許安全距離作為綜合判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)施工的影響范圍做出了劃定，得出不同埋深隧道強(qiáng)、弱影響范圍的經(jīng)驗(yàn)公式，可作為莞惠地區(qū)類(lèi)似工程參考依據(jù)。

(2)在對(duì)建筑物所處的影響程度范圍確定后，建議：當(dāng)建筑物位于隧道施工的強(qiáng)影響區(qū)內(nèi)，建筑物必須加固處理或者隧道施工必須采用相應(yīng)輔助措施，且施工時(shí)必須加密對(duì)該建筑物的監(jiān)控量測(cè)；當(dāng)建筑物位于隧道施工的一般影響區(qū)，施工時(shí)須加密對(duì)該建筑物的監(jiān)控量測(cè)，并可根據(jù)實(shí)際工程中建筑物重要等級(jí)、基礎(chǔ)狀況及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)確定是否進(jìn)行加固或者施加輔助措施；當(dāng)建筑物處于弱影響區(qū)，施工時(shí)對(duì)該建筑物進(jìn)行常規(guī)監(jiān)控量測(cè)。

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Study on Influences of Shallow Tunnel Construction on Ground Buildings

YU He-ran, ZHAO Qiao-lan, GUO Su-rui

(Design and Research Institute of Urban Rail Transit, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

The influences of excavating shallow tunnel exert on ground buildings are directly related to tunnel cross section, buried depth, mechanical properties of surrounding rock, construction methods and relative position between the tunnel and buildings. Based on Songshan Lake tunnel on Guan～Hui intercity railway which underpasses building areas, this paper establishes a large number of mechanical models with such variable parameters as tunnel buried depth, building foundation types, relative position and other factors to forecast the scope and degree of influences of shallow tunnel construction on surface buildings. By numerical modeling analysis, deformation rules of surrounding rock are obtained, and on this basis, influences of tunnel excavation on surface buildings deformation are analyzed. With reference to engineering experiences, partition and control standards are created in terms of the influences of the tunnel on ground buildings and corresponding judgment empirical formulas are proposed.

Shallow bury and covered excavation; Approaching construction; Underpass buildings; Numerical simulation

2014-12-04；

2015-02-17

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2012-02-032)

于鶴然(1983—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于西南交通橋梁

與隧道專(zhuān)業(yè)，工學(xué)博士，E-mail：heranyu@163.com。

1004-2954(2015)08-0144-06

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.031