隧道擴(kuò)挖對(duì)地層與鄰近樁基的影響及控制研究

譚家麒

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400015）

0 引言

城市隧道下穿既有建筑的施工往往會(huì)導(dǎo)致周圍巖土以及建筑基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降[1-3]，甚至導(dǎo)致建筑物破壞[4-5]。因此，眾多學(xué)者針對(duì)城市隧道下穿既有建筑物施工做出了大量的研究?？浊镎涞萚6]通過三維有限元模擬得出跨越凹凸區(qū)房屋的變形規(guī)律，認(rèn)為隧道開挖時(shí)是房屋的最危險(xiǎn)狀態(tài)。鄭學(xué)貴等[7]結(jié)合實(shí)際工程案例，建立連拱隧道下穿高層建筑安全性影響分析方法，并對(duì)隧道開挖后地基的變形與隧道支護(hù)的受力特性作出了安全性評(píng)價(jià)，認(rèn)為隧道對(duì)近接建筑物安全性的影響應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的樓層高度、基礎(chǔ)形式，隧道與建筑的位置關(guān)系，隧道結(jié)構(gòu)形式、尺寸以及施工方法等。孫國(guó)慶[8]在對(duì)比多種建筑物保護(hù)方案后，提出采用注漿方式對(duì)地表建筑物進(jìn)行保護(hù)，并通過試驗(yàn)得出注漿加固和跟蹤注漿能有效控制建筑物沉降。劉繼國(guó)等[9]采用管幕-支護(hù)結(jié)構(gòu)組合體系淺埋暗挖法，成功地解決了復(fù)雜地質(zhì)條件及復(fù)雜環(huán)境條件下的超淺埋大斷面隧道下穿敏感建筑遇到的技術(shù)難題，建立了隧道下穿建筑的新方法。閆國(guó)棟[10]提出開挖隧道時(shí)必須與鄰近建筑基礎(chǔ)相距15m以上，并且由于開挖處出現(xiàn)應(yīng)力集中，需在該處加強(qiáng)支護(hù)。

特殊情況下，須對(duì)已開挖的城市隧道進(jìn)行擴(kuò)挖施工，但由于隧道與建筑基礎(chǔ)的相對(duì)位置關(guān)系頗為復(fù)雜，所以在選定施工方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮施工對(duì)建筑基礎(chǔ)、圍巖以及隧道結(jié)構(gòu)本身的安全影響。本文以解放碑地下環(huán)道一期工程部分段落擴(kuò)挖為例，參考上述相近研究成果，采用有限元軟件對(duì)施工階段進(jìn)行安全性分析，并得出了滿足安全條件下可行的施工方案。

1 工程概況

解放碑地下環(huán)道工程共分三期建設(shè)，由“一環(huán)、七聯(lián)絡(luò)、N連通”構(gòu)成。其中，“一環(huán)”是一條地下車行循環(huán)道，總長(zhǎng)約4km，線路走向?yàn)椤芭R江門—較場(chǎng)口轉(zhuǎn)盤—新華路—中華路—五一路—臨江路—臨江門”。其中，一期工程為從臨江門到較場(chǎng)口轉(zhuǎn)盤；二期工程為從較場(chǎng)口轉(zhuǎn)盤到五一路口；三期工程為從五一路口到臨江門。

根據(jù)消防需要，拆除原人防洞室K0+435～K0+444.5段老的襯砌結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行橫向1.028～1.543m不同寬度的擴(kuò)挖施工，擴(kuò)挖后新建的隧道為非對(duì)稱異形結(jié)構(gòu)，擴(kuò)挖段起點(diǎn)K0+435與國(guó)貿(mào)中心樁基零距離接觸，終點(diǎn)K0+444.5與主通道和支洞一交叉口處相接。工程平面圖（局部）見圖1。

圖1 工程平面圖（局部）

2 施工方案

針對(duì)實(shí)際工程概況，擬選用滿堂支撐和錨桿懸吊兩種方案。并對(duì)其分別進(jìn)行施工階段數(shù)值模擬。

通過對(duì)滿堂支撐方案進(jìn)行二維數(shù)值模擬，得出以下計(jì)算結(jié)果：

隧道拓寬開挖前拱頂最大沉降為2.9mm，底部最大隆起為4.4mm；隧道拓寬開挖后拱頂最大沉降為3.9mm，底部最大隆起為4.9mm。如果以原洞室襯砌施作后為變形零點(diǎn)，則隧道拓寬開挖誘發(fā)的拱頂圍巖沉降為1.0（下降）。可以看出，隧道拓寬開挖對(duì)拱頂圍巖沉降影響輕微。

隧道拓寬開挖前襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為132.4kPa，最大壓應(yīng)力為2847.5kPa；隧道拓寬開挖后襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為136.4kPa，小于C30混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大壓應(yīng)力為2701.7kPa，小于C30混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 隧道擴(kuò)挖后最大主應(yīng)力云圖

隧道拓寬開挖前滿堂支撐最大軸力為0.51kN，支撐結(jié)構(gòu)受壓；隧道拓寬開挖后滿堂支撐最大軸力為8.45kN，支撐結(jié)構(gòu)受壓，如圖3所示。

圖3 隧道擴(kuò)挖后滿堂支撐軸力云圖

通過對(duì)錨桿懸吊方案進(jìn)行二維數(shù)值模擬，得出以下計(jì)算結(jié)果：隧道拓寬開挖前拱頂最大沉降為2.9mm，底部最大隆起為4.4mm；隧道拓寬開挖后拱頂最大沉降為3.9mm，底部最大隆起為4.9mm。如果以原洞室襯砌施作后為變形零點(diǎn)，則隧道拓寬開挖誘發(fā)的拱頂圍巖沉降為1.0（下降）?？梢钥闯?，隧道拓寬開挖對(duì)拱頂圍巖沉降影響輕微。

拓寬開挖前襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為132.4kPa，最大壓應(yīng)力為2847.5kPa；隧道拓寬開挖后襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為134.6kPa，小于C30混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大壓應(yīng)力為2692.9kPa，小于C30混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 隧道擴(kuò)挖后最大主應(yīng)力云圖

隧道拓寬開挖前懸吊錨桿最大軸力為0.20kN，錨桿結(jié)構(gòu)受拉；隧道拓寬開挖后懸吊錨桿最大軸力為8.49kN，錨桿受拉，如圖5所示。

圖5 隧道擴(kuò)挖后懸吊錨桿軸力云圖

考慮到若采用滿堂支撐，將導(dǎo)致隧道擴(kuò)挖施工無工作面，不具有可實(shí)施性，并且在拆除臨時(shí)支撐后不能保證二襯的順利施作，所以，通過將滿堂支架作為臨時(shí)支撐手段，和采用錨桿懸吊襯砌未破除部分兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在都能保證施工安全的前提下，采用錨桿懸吊方案更具有可實(shí)施性。

3 主隧道擴(kuò)挖模擬分析

3.1 計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)《解放碑地區(qū)人防工程停車場(chǎng)改造一期工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告》，隧道洞身主要位于中風(fēng)化砂巖段，其厚度達(dá)25m，地表為1～2m厚人工填土。由于現(xiàn)擴(kuò)挖段存在嚴(yán)重滲漏水現(xiàn)象，同時(shí)考慮到該擴(kuò)挖段歷史上經(jīng)歷過多次工程建設(shè)，如人防洞室爆破施工、國(guó)貿(mào)中心基坑開挖、該工程建設(shè)等，故本次模擬在對(duì)地勘報(bào)告提供的巖土體物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議值對(duì)地勘參數(shù)建議值進(jìn)行了修正，采用的具體計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算中，圍巖開挖階段釋放60%圍巖壓力，結(jié)構(gòu)承擔(dān)40%圍巖壓力。

3.2 計(jì)算模型

本次計(jì)算分析中，巖體力學(xué)模型采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，服從Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則。

（1）有限元模型

Saint Venant原理及相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，地下工程洞室結(jié)構(gòu)的三倍洞徑以外的圍巖受隧道施工的影響已很微弱，因此本次數(shù)值計(jì)算據(jù)此進(jìn)行建模。建成后的模型寬度為100m，縱向長(zhǎng)度為100m，如圖6所示。

圖6 隧道及樁基模型

（2）邊界條件

計(jì)算模型的左右和前后邊界為水平方向約束，底部為豎直方向約束，頂部為自由邊界。

（3）計(jì)算步序

整個(gè)施工過程按4個(gè)步序進(jìn)行模擬：

①模擬影響區(qū)域內(nèi)地層的初始應(yīng)力場(chǎng)（本次計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)只考慮巖體自重應(yīng)力）；

②模擬原人防洞室開挖支護(hù)；

③模擬地下環(huán)道的支洞及風(fēng)機(jī)洞室施工；

④模擬人防洞室擴(kuò)挖施工。

3.3 樁基荷載

國(guó)貿(mào)中心樁基復(fù)雜，受客觀因素限制，計(jì)算采用建筑基礎(chǔ)+上部荷載模擬，上部荷載計(jì)算如下：

（1）屋面活荷載

民用建筑屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按上人屋面取為2kN/m2。

（2）樓面活荷載

民用建筑屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按辦公樓或住宅取為2kN/m2。

（3）隔墻重量

根據(jù)相關(guān)資料估計(jì)，取3kN/m2。

（4）單層結(jié)構(gòu)自重

按表2估計(jì)，依據(jù)框架結(jié)構(gòu)磚墻體材料取值，結(jié)構(gòu)自重取12 kN/m2。

表2 高層建筑的結(jié)構(gòu)自重

（5）荷載總計(jì)

按照標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)自重等組合系數(shù)為1.0，活荷載組合系數(shù)為0.7。單層樓面總的荷載大小為：0.7×2+1.0×（12+2+3）=18.4kPa。國(guó)貿(mào)中心為44層建筑，均布總荷載大小為：44×18.4=809.6kPa。由于該建筑以樁基礎(chǔ)為主，局部為柱基礎(chǔ)，考慮所有荷載均由基礎(chǔ)承擔(dān)，計(jì)算得出各樁基礎(chǔ)軸力N如下：

1號(hào)樁基礎(chǔ)N=28800kN；2號(hào)樁基礎(chǔ)N=30400kN；3號(hào)樁基礎(chǔ)N=31200kN；4號(hào)樁基礎(chǔ)N=11200kN；5號(hào)樁基礎(chǔ)N=20000kN；6號(hào)樁基礎(chǔ)N=13200kN。

3.4 計(jì)算結(jié)果

（1）對(duì)國(guó)貿(mào)中心樁基的影響

經(jīng)計(jì)算，樁基豎向位移最大值位于1號(hào)樁基處，隧道擴(kuò)挖前樁基最大豎向位移為6.45mm，擴(kuò)挖后樁基最大豎向位移為6.52mm，遠(yuǎn)小于現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]對(duì)沉降差和傾斜值的要求。隧道擴(kuò)挖前后各樁基豎向位移見表3。

表3 隧道擴(kuò)挖前后各樁基豎向位移

（2）圍巖穩(wěn)定性影響

隧道擴(kuò)挖前后圍巖最大位移值均出現(xiàn)在擴(kuò)挖段起點(diǎn)段拱頂圍巖處，擴(kuò)挖前圍巖豎向位移最大值為4.54mm，最大主應(yīng)力為200kPa，最小主應(yīng)力為3.46MPa，如圖7、圖8所示；擴(kuò)挖后圍巖豎向位移最大值為4.73mm，最大主應(yīng)力為200kPa，最小主應(yīng)力為3.46MPa。

圖7 隧道擴(kuò)挖后最大主應(yīng)力云圖

圖8 隧道擴(kuò)挖后最小主應(yīng)力云圖

擴(kuò)挖前后圍巖豎向位移差值為0.19mm，圍巖位移變化值較小；擴(kuò)挖前后圍巖最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力基本無變化，小于砂巖的抗拉強(qiáng)度值482kPa與飽和單軸抗壓強(qiáng)度值24.8MPa。

（3）既有洞室襯砌結(jié)構(gòu)的影響

擴(kuò)挖前既有風(fēng)機(jī)洞室和支洞一襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值為811kPa，最小主應(yīng)力值為5.36MPa，如圖9所示；擴(kuò)挖后既有風(fēng)機(jī)洞室和支洞一襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力值為1080kPa，最小主應(yīng)力值為11.3MPa。最大主應(yīng)力增長(zhǎng)了269kPa，增長(zhǎng)率為33%，最小主應(yīng)力增長(zhǎng)了5.94MPa，增長(zhǎng)率為111%。

圖9 擴(kuò)挖前風(fēng)機(jī)洞室及支洞最小主應(yīng)力云圖

擴(kuò)挖后新建襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為116kPa，如圖10所示，最小主應(yīng)力為-83.7 kPa。

圖10 新建襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

擴(kuò)挖前既有主通道襯砌最大主應(yīng)力為3.64MPa，最小主應(yīng)力為-6.42MPa；擴(kuò)挖后最大主應(yīng)力為3.88MPa，如圖11所示，增加值為0.24MPa，位于交叉口頂部處，由于模型中結(jié)構(gòu)在此處發(fā)生突變，引起局部應(yīng)力集中，而該處有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，且為鋼筋混凝土，所以未出現(xiàn)開裂破壞，最小主應(yīng)力為-9.30MPa，增長(zhǎng)率為6.6%，位于擴(kuò)挖段終點(diǎn)端與交叉口結(jié)構(gòu)相接拱腰處，主要是因?yàn)樗淼罃U(kuò)挖后，圍巖壓力由分叉段襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)，導(dǎo)致其壓應(yīng)力增加較多。

圖11 擴(kuò)挖后主通道襯砌最大主應(yīng)力云圖

4 工程類比

與北京地鐵區(qū)間隧道穿越河流橋樁[12]、廈門市成功大道梧村隧道下穿房屋結(jié)構(gòu)[13]進(jìn)行工程類比，見表4。

從表4可以看出，該項(xiàng)目隧道擴(kuò)挖與既有樁基零距離接觸，施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，但由于現(xiàn)有樁基為嵌巖樁，且隧道基底標(biāo)高高于現(xiàn)有樁基基底標(biāo)高，故隧道擴(kuò)挖對(duì)樁基的影響有限。隧道洞身處于中風(fēng)化砂巖中，圍巖較穩(wěn)定，該段隧道施工風(fēng)險(xiǎn)一般，只要采取合理的工程措施和施工方法，就能夠保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。

表4 該工程與典型工程案例的對(duì)比

5 結(jié)語

（1）當(dāng)近接建筑物樁基為嵌巖樁，且其樁底標(biāo)高低于擴(kuò)挖隧道底標(biāo)高時(shí)，隧道擴(kuò)挖會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，但采取相應(yīng)的臨時(shí)支護(hù)措施可有效減小對(duì)既有建筑物樁基的影響。

（2）通過綜合對(duì)比滿堂加固與錨桿懸吊兩種臨時(shí)支護(hù)方案，認(rèn)為錨桿懸吊方案兼具可實(shí)施性與安全性。