小净距平行隧道下穿多层厂房沉降分析

小净距平行隧道下穿多层厂房沉降分析

1小净距隧道下穿多层民用建筑的研究进展随着城市用地的稀密性，城市环境中的隧道工程越来越多。城市环境下的小净距隧道通常会发现贯穿现有建筑物的情况。如何保证隧道本身的施工安全，尽量减少对现有建筑物的影响是一个重要的研究主题。近年来,相继有科研人员及学者对小净距隧道的相关技术问题展开了研究,研究领域主要涉及爆破震动、施工技术及对既有建筑物的加固与控制等[1~6];同时对隧道下穿既有铁路、公路、隧道及民用建筑造成的地表沉降、房屋倾斜等问题进行了研究[7~9]。但上述研究多为单一隧道下穿施工,对于城市矿山法小净距隧道下穿多层民用建筑的研究还相对较少。本文依托工程实例,研究一般矿山法小净距平行隧道施工对地表沉降、基础局部沉降及倾斜的影响等问题,找出隧道下穿施工对既有多层建筑的影响规律,为类似条件下隧道的设计、施工及既有建筑物保护等提供参考。2项目总结2.1地下洞顶和下穿段某市区小净距隧道在YK0+690附近从多层楼房侧下方穿过,右线隧道开挖边线距离楼房基础平面最小间距为6.0m,该楼房附近地表与隧道洞顶的垂直距离为16.0m。楼房与隧道平面及横断面相对位置关系如图1和图2所示。该楼为一栋六层砖混结构建筑,钢筋混凝土条形基础,修建年代较长。由于隧道下穿地层岩性较差(图3),下穿区段(YK0+670~YK0+730)隧道埋深相对较浅,因此隧道的开挖可能会对上方楼房产生不利影响。为评估隧道施工对地表沉降及楼房基础的影响程度,对该隧道的施工过程进行了三维数值模拟。2.2隧道施工方法左线隧道采用多台阶核心土法施工,右线隧道采用CD法施工,如图4和图5所示。2.3初期支护方案(1)隧道(YK0+660~+710)Ⅴ级围岩段(1)超前小导管采用φ42×3.5mm的热轧无缝钢管,长4.5m,环向间距40cm,纵向排距2.5m,与工字钢架配合使用,从钢架腹部穿过,与隧道轴线成5°~10°外插角。(2)初期支护采用全封闭式,25cm厚C25喷混凝土,内设钢筋网并以I18工字钢架作为初期支护的加强措施,钢架纵向间距50cm。洞周设置φ22砂浆锚杆,锚杆长3.5m,按梅花形布设。(2)隧道(YK0+710~+730)Ⅳ级围岩段(1)超前锚杆预支护,采用φ25中空锚杆,长3.5m,环向间距40cm,纵向排距2.25m,与工字钢架配合使用,从钢架腹部穿过,与隧道轴线成5°~10°外插角。(2)初期支护拱墙采用22cm厚C25喷混凝土,内设钢筋网并以I16工字钢架作为初期支护的加强措施,钢架纵向间距75cm。洞周设置φ22砂浆锚杆,锚杆长3.0m,按100cm×75cm梅花形布设。3小净距平行隧道施工过程的数值模拟分析采用显式有限差分程序FALC3D软件对隧道施工过程进行三维数值模拟分析,重点研究小净距平行隧道施工过程对地表及既有楼房基础的影响规律。3.1初支支护及数值模型考虑到楼房基础与隧道相对位置关系,纵向计算范围取60m(对应于右线隧道里程K0+670~K0+730);左侧以左线隧道中线为基准,计算范围取40m;右侧以右线中线为基准,计算范围取65m;上部延伸到地表;下部延伸到隧道仰拱以下30m。隧道左右有水平约束,下部有垂直约束,前方和后方均有垂直其面的约束。整体及支护模型具体见图6和图7。数值模型中,用8节点6面体实体单元模拟围岩及基础,用壳单元模拟初期支护、临时支护。隧道计算模型中实体单元总数为16635,总节点数为17204个;结构单元总数为2000个,总节点数为1029个。3.2计算参数根据隧道地质勘察报告及《JTGD70—2004公路隧道设计规范》对围岩及不同标号混凝土的物理力学参数进行取值,详见表1。3.3准准值的选取根据《GB50009-2001建筑结构荷载规范》规定,民用建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数等取值应按表2的规定采用。地基基础上除应考虑楼面荷载外,还应考虑结构自重。本次计算,根据结构类型,将结构自重考虑为作用在基础上的均布荷载,根据规范换算后的总荷载(结构自重+楼面活荷载)为72.8kPa。4评估标准4.1基础倾斜和倾斜根据《GB50007-2002建筑地基基础设计规范》,对由于隧道施工而引起的地表建筑物基础下沉或局部倾斜应小于表3和表4的规定。4.2隧道防护结构初期支护及临时支护素混凝土的安全系数根据《JTGD70—2004公路隧道设计规范》,采用表5中最小安全系数进行评价。5研究断面间距分布在分析计算结果时,以右线隧道距离楼房最近点为中心,两侧各取2个研究断面,共计5个研究断面,各断面间距6.0m,如图8所示。通过分析这些断面处地层沉降及隧道支护结构内力情况综合评价地表沉降及隧道支护安全性。5.1研究断面持续深化在研究断面3中,隧道与既有楼房基础净距最小,因此重点对研究断面3结果进行分析。左右线隧道均施工完毕后,研究断面3及全部围岩位移计算结果见图9和图10。隧道施工完成后研究断面3拱顶下沉最大值为37.5mm,楼房附近地表最大下沉量为20mm。当隧道向大里程方向施工时,右线隧道纵向穿越地层由全风化花岗岩逐渐过渡到强风化花岗岩,左线隧道纵向穿越地层由强风化花岗岩逐渐过渡到弱风化花岗岩,因此从研究断面1至研究断面5隧道开挖引起的地表沉降逐渐减小。由各个研究断面位移等值线图可知,隧道左线施工后对地表沉降的影响较小,因此楼房附近地面沉降主要由右线隧道开挖控制。5.2右线隧道开挖对土体的影响左右线隧道均施工完毕后,研究断面3围岩内塑性区计算结果见图11。由图11可知,右线隧道开挖对上方土体的影响较大,研究断面右线隧道上方土体塑性区扩展到了地表,据此推断右线隧道施工过程中,其上方对应地表可能会出现地表裂缝。因此在右线隧道施工过程中,应在K0+670~K0+730区段地表设置监测点并进行跟踪监测。5.3隧道最小制作安全系数研究断面3支护内力计算结果见图12和图13,隧道支护结构关键断面安全系数见表6。左线隧道支护安全系数普遍较高,此处仅分析右线隧道初期支护受力情况。右线隧道最小安全系数为1.7(中隔墙),受拉应力控制。对比表5和表6可知,该小净距隧道下穿段初期支护结构安全系数能满足施工安全的需要。5.4沉降成果及初步分析由前面的分析可知,隧道右线开挖过程中会对地表沉降产生影响。为了评估隧道施工对附近楼房基础的影响程度,在楼房基础周边布置了相应的测点,具体布置情况如图14所示。在隧道下穿施工过程中,楼房基础沿长边与短边两个方向上各个测点沉降随施工过程的变化情况如图15和图16所示。由图15可知,在右线左导洞开挖到1号测点对应断面前,楼房基础已经发生超前沉降,其中1号测点超前沉降值最大,为4.5mm。此后右线左导洞穿过楼房基础最近点,由沉降曲线可知,沿基础长边方向各个测点沉降速率先增大后减小,至最后趋于稳定,稳定后基础1号测点最终沉降16.5mm。隧道开挖各个阶段各测点沉降速率平缓,左线隧道继续开挖没有造成基础沉降加速,楼房基础沉降由右线隧道开挖控制。由图16可知,相对长边方向而言,在隧道右线开挖至楼房最近点前,1~5号测点均有不同程度的超前沉降,其中2号测点超前沉降4.2mm,5号测点超前沉降3.1mm,其它测点超前沉降在3~5mm之间。(2)阶段沉降比例从计算结果可知,隧道开挖造成的地表沉降可以分为三个阶段:超前沉降、初期支护封闭(与楼房基础最近断面)前沉降及初期支护封闭后的后期沉降。本次计算对各个监测点分段沉降所占比例进行了统计,基础长边和短边方向各两个测点分阶段沉降比例如图17~图20所示。由图19和图20可知,各测点的分阶段沉降中,超前沉降所占比例为13%~17%,初期支护封闭后沉降所占比例为22%~24%,初期支护封闭前沉降所占比例为60%~63%。该结果表明,地表沉降绝大部分发生在初期支护全断面封闭前,因此初期支护封闭时间是控制总体沉降量的关键因素。(3)基础变形评价隧道开挖将导致地表下沉,从而导致楼房基础局部发生沉降和倾斜。左右线隧道全部通过楼房基础后,楼房基础最终沉降情况如图21所示。对于砖混结构楼房,基础变形由局部沉降和局部倾斜控制,根据《GB50007-2002建筑地基基础设计规范》计算方法,楼房基础在两个方向的沉降及倾斜计算结果如表7所示。由表7可知,隧道右线下穿楼房附近地层引起的楼房基础局部倾斜,在基础短边方向较为显著。基础局部沉降最大值为1.23mm,相邻基础间距按3m计算时,折合0.0004L,基础局部倾斜值为0.00042。对比表7与表3和表4可知,基础局部沉降及局部倾斜均小于《GB50007-2002建筑地基基础设计规范》中规定的允许值,因此隧道施工后楼房基础局部倾斜及局部沉降满足规范要求。6结论6.1隧道工程中沉降的影响(1)隧道施工后,右线隧道对应地表一定范围将会产生一定程度的地表沉降,而左线隧道施工对地表沉降的影响不大。(2)隧道施工到楼房最近点前,楼房基础发生的超前沉降占总沉降的13%~17%,研究断面封闭前基础沉降占总沉降的60%~63%,而研究断面初期支护全断面封闭后发生的沉降仅占总沉降的13%~18%。(3)当隧道左右线均穿过距离楼房最近点并施工完毕后,楼房基础区域地表最大沉降值为16.5mm,基础局部沉降为0.0004L,因此局部沉降小于规范允许值。(4)隧道施工导致楼房基础产生的局部倾斜值为0.00042,该值小于规范允许值,因此只要施工方法得当并加强监控量测,隧道施工对楼房的影响可控制在允许范围内。(5)右线隧道最不利受力位置为临时中隔壁,中隔壁中部最小安全系数为1.7,且受拉应力控制;左线隧道初期支护均受压,结构最不利受力点为左线隧道拱顶,最小安全系数为13.2,受压应力控制。综上所述,尽管该小净距平行隧道施工会对楼房基础产生一定程度的影响,但是只要严格规范施工,并做好地表监控量测,则隧道施工对楼房基础的影响可控制在允许范围内。6.2地表沉降监测(1)由数值计算结果可知,右线隧道施工导致隧道拱顶上方围岩塑性区扩展至右线隧道地表附近,因此隧道施工可能会导