雙線鐵路隧道側(cè)穿對(duì)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(yáng)市 110166)

0 引言

隨著我國(guó)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(duì)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(guó)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(duì)策措施等，然而由于地下工程的特殊性，使得沒(méi)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(duì)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(duì)新建隧道近接既有建(構(gòu))筑物的施工過(guò)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(yáng)(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(yáng)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(zhǎng)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(kāi)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(jí)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(jí)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(jí)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(duì)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(kāi)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?jiǎn)卧瑯前宀捎冒鍐卧０凑辗治瞿Ｐ途龋{(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(kāi)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(kāi)挖對(duì)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(jí)圍巖，襯砌斷面如圖5所示。襯砌支護(hù)參數(shù)為Ⅴ級(jí)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(jí)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(jí)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(zhǎng)3.5m，縱向間距為2榀拱架，搭接長(zhǎng)度不小于1m。在拱部120°范圍內(nèi)施做，Ⅴ級(jí)圍巖環(huán)向間距30cm，共計(jì)40根，Ⅳ級(jí)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(kāi)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(kāi)挖、臨時(shí)支護(hù)裝拆、初支、仰拱及二襯施工，通過(guò)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(kāi)挖過(guò)程中，既有地表建筑物的沉降情況。通過(guò)對(duì)最終位移量及過(guò)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(guò)對(duì)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(guò)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(duì)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(kāi)挖對(duì)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(duì)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(kāi)挖工法，都會(huì)影響地表的沉降曲線。通過(guò)既有建筑物在地表沉降曲線的位置可以判斷隧道施工對(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)既有建筑物影響逐漸減弱，沉降時(shí)程曲線斜率大表明對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響加劇、斜率小表明對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響程度減小。選取各建筑物最大位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)計(jì)算模型開(kāi)挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)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(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，繪制沉降監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

圖12 九層建筑物最大位移監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)地表沉降曲線分析可知，隧道近接施工對(duì)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(kāi)挖對(duì)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(kāi)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(kāi)挖對(duì)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(guò)對(duì)建筑物最大位移監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)既有二層建筑影響相對(duì)較大；九層建筑物最大位移監(jiān)測(cè)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(duì)既有九層建筑影響相對(duì)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(yǔ)

(1)針對(duì)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(duì)既有地表建筑物沉降影響相對(duì)較大，本段落內(nèi)宜嚴(yán)格控制施工工法，開(kāi)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。