地鐵大跨度小間距隧道近接施工影響預測摘要:本文對“廣州地鐵6號線如意坊車站隧道下穿房屋近接施工影響預測與安全評估”這一課題進行研究,通過三維有限元數值模型的模擬分析和實測數據的檢驗,對隧道和周邊結構物的安全性作出評價,建立一套隧道施工對周邊結構物的影響分析的方法體系,為該工程和今后相似工程的順利實施提供理論依據和指導作用。關鍵詞:大跨度;暗挖隧道;近接施工;地鐵1 前言 隨著城市建設的發展,許多大城市都開始修建城市地鐵,地鐵暗挖隧道臨近建筑物的近接施工問題越來越多,為了保證工程的安全建設,必須分析預測近接施工對既有建筑物和地鐵暗挖隧道的影響。由于地面建筑物的結構形式各不相同,所處的地質條件各異,下穿隧道與其的相對關系也不相同,因此對于城市地鐵隧道施工對周邊結構物的影響,目前尚無成熟的分析方法體系,只能通過個體的研究對類似工程進行指導。 在廣州地鐵六號線的規劃設計方案中,出現了許多地鐵區間隧道下穿房屋的典型隧道近接施工問題,且常與大跨隧道和小凈距隧道一起出現,較典型的例子是如意坊站站后小交隧道需下穿框架結構的大型重載倉庫和多層民房。地鐵施工必須保證建筑物的安全使用,為此必須對地鐵施工對建筑物的影響進行預測分析,并在設計和施工中采取相應對策。 本文對中鐵隧道勘測設計院承擔的“廣州地鐵6號線如意坊車站隧道下穿房屋近接施工影響預測與安全評估”這一課題進行部分工作的研究以及拓展研究,通過室內試驗結果指導,進行三維有限元數值模擬分析,再用實測數據對計算模型和參數進行檢驗,建立一套隧道施工對周邊結構物的影響分析的方法體系。根據分析結果,對隧道和周邊結構物的安全性進行評價,提出要減小隧道施工對地表建筑物的影響以及確保在地表建筑物影響下的隧道結構安全的應對措施,為該工程和今后類似工程的順利實施提供理論依據和指導作用。2 工程概況 如意坊站站后設置小交路,采用暗挖施工方案,中間設置施工豎井兼作盾構吊出井和永久結構風井,其斷面最大跨度為19.8m,如圖1所示。根據該站站后小交路區段的使用功能,具有多種斷面形式并涉及多種施工方法;從常規的單線小斷面到雙線、三線的大跨斷面,最大凈跨19.8m,初支0.3m,二襯1.0m,雙側壁導坑法施工,一般斷面初支0.3m,二襯0.5m,采用CRD法施工;多類隧道工程近接問題包括各暗挖隧道自身在先后施工過程中的相互影響,且大斷面從廣鐵南站車間及多層住宅樓、如意坊一號倉庫下穿過,為框架結構。其中如意坊一號倉庫樁基距隧道拱頂最小距離僅為1.8m,且設計單樁承載力較大,達560t,隧道施工近接房屋樁基的問題更為突出,可能因過大沉降和傾斜造成建筑物開裂甚至破壞,更可能因開挖時隧道拱頂和掌子面的坍塌而導致的結構物坍塌的大事故,風險較大。
3 工程地質 本段地層自上而下分別為:雜填土5.6m,淤泥質土1.5m,淤泥質細砂8.7m,淤泥2.45m,粉質粘土1.45m,強、中、微風化基巖層。本段地下水較豐富,與珠江水系聯通,隧道拱頂埋深約24～29m,主要位于中、微風化巖層中,局部位于強風化地層。圍巖及建筑材料物理力學指標見表1。4 預測方法與模型 預測分析采用三維有限元施工模擬法結合類比法進行,有限元計算為充分模擬隧道的三維空間效應,計算模型所取范圍是:從如意坊車站端部開始,沿地鐵線路方向,包含小交路區段的大約200m縱向(Z軸方向,起點為YAK7+112)范圍。考慮隧道開挖應力重分布的影響,以隧道區域為核心,橫向(X軸方向)范圍取130m,豎向(Y軸方向)取至地面,下取至隧道地板下約40m,結構物模型如圖2所示。在模型范圍,地鐵工程的結構物有小交路暗挖隧道,12m×28.6m×38m的施工豎井,以及盾構隧道,民用建筑物有廣鐵南站車間及多層住宅樓及其樁基(A9)、如意坊一號倉庫及其樁基(A5)和1幢高層及其樁基。模擬計算采用ANSYS有限元通用程序,整個模擬過程中有限元模型共劃分為22.3萬個單元,計算中初襯、二襯和管片采用彈性殼單元模擬,群樁用空間梁單元模擬,其余樁基及地層及均采用彈塑性8節點空間實體單元模擬。其中建筑物樁基均按端承樁考慮,與地層的連接采用耦合一定自由度的方法實現。5數值模擬結果與分析5.1隧道施工對建筑物的影響范圍 根據典型橫斷面在不同施工步時的沉降曲線(圖略)以及隧道橫向地表沉降曲線圖,可得出幾個橫斷面的橫向影響范圍,其中最大影響范圍約從-30～60m,共計90m。5.2對建筑物產生影響的小交路隧道范圍⑴對A5產生影響的隧道范圍 根據A5段地表特征點位移的開挖影響線(圖略),可得出隧道的縱向影響范圍,由于斷面大小不同,在此選取最大影響距離作為共同的縱向影響值。在隧道掌子面前方的最大影響范圍約35m,后方的最大影響范圍為60m。⑵對A9產生影響的隧道范圍 由于A9段隧道為對向施工,因此橫坐標選用施工步,根據A9段地表特征點位移的開挖影響線(圖略),可得出隧道的縱向影響范圍,由于斷面大小不同,在此選取最大影響距離作為共同的縱向影響值。在隧道掌子面前方的最大影響范圍約30m,后方的最大影響范圍為50m。5.3受隧道施工影響的建筑物安全評價 以A5為例,分析其位移的變化過程,從各施工階段建筑物及樁基的位移圖可以看到建筑物的位移和傾斜逐漸增大,樁頂最大沉降為24mm。為進一步對A5建筑物的安全進行評價,選取A5建筑物的兩條水平地面基線即AB線和AD線進行評價。根據不同施工階段的沉降曲線(圖略),可見位移值不斷增大,建筑物向大跨斷面方向的傾斜也逐漸增大。 根據規范,各建筑物的沉降和傾斜指標都在允許范圍內(見表2),但由于計算中并未計及也無法計算失水沉降的影響,根據以往施工經驗,失水沉降值較大,可能使沉降和傾斜值超限,因此建議在設計和施工中要有充分的止水措施,或根據經驗并結合試驗采用以堵為主、限量排放的方法。6結論 6.1如意坊站站后小交隧道下穿框架結構的大型重載倉庫和多層民房,工程的綜合規模、難度和復雜程度是較少見的,具有一定的風險。采用有限元三維施工模擬預測對既有結構物的影響,可以分析預測影響范圍和程度等。 6.2受隧道施工影響的范圍和隧道的跨度、埋深、隧道間的凈距等關系密切,隧道跨度大的影響范圍大,故施工中要注意大斷面隧道的施工。 6.3地表建筑物的安全性評估必須先對結構物的現狀進行評估,然后按照相關規范和技術規程進行評估,各建筑物的沉降和傾斜指標都在允許范圍內。 6.4三維有限元施工模擬計算驗證了設計方案的合理性。參考文獻[1]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社,1993[2]H.卡斯特奈.隧道與坑道靜力學[M].上海:上海科學技術出版社,1980[3]R.H.,薩文.孔附近的應力集中[M].北京:科學出版社,1978[4]王元湘.關于深基坑支護結構計算的增量法和總量法[J].地下空間,2000(3)[5]詹美禮,錢家歡等.粘彈塑性有限元及其在隧道分析中的應用[M][6]唐孟雄,趙錫宏.基坑開挖擋土墻的有限元模型[J].同濟大學學報,1998(10)[7]朱合華,楊林德,橋本正.深基坑工程動態施工反演分析40與變形預報[J].巖土工程學報,1998(7)[8]劉國彬,沈建明,侯學淵.深基坑支護結構的可靠度分析[J].同濟大學學報,1998(6)[9]許平.復雜地質條件下樁基工程三維彈塑性有限元分析[D].同濟大學碩士學位論文,1999[10]劉建航.軟土基坑工程中的時空效應理論與實踐[J].地基處理,1999(12)[11]楊國偉.深基坑及其鄰近建筑物保護研究(博士論文)[D].同濟大學,2000[12]高俊合,趙維炳,周成.考慮固結、土—結構相互作用的基坑開挖有限元分析[J].巖土工程學報,1999(9)[13]高文華,楊林德,葉為民.板—土三維等厚接觸單元模型及其應用[J].同濟大學學報,1999(6)[14]劉興旺,益德清,施祖元.基坑開控地表沉陷理論分析[J].土木工程學報,2000(8)[15]俞建霖.基坑性狀的三維數值分析研究[J].建筑結構學報,2002(8)[16]張玉軍.擬建武漢地鐵盾構法施工的有限元數值模擬.巖土力學,2001(1)[17]孫鈞,劉洪洲.交疊隧道盾構法施工土體變形的三維數值模擬[J].同濟大學學報,2002(4)[18]陳興年.軟土基坑的離心模型試驗[D].同濟大學博士論文,1999
3 工程地質 本段地層自上而下分別為:雜填土5.6m,淤泥質土1.5m,淤泥質細砂8.7m,淤泥2.45m,粉質粘土1.45m,強、中、微風化基巖層。本段地下水較豐富,與珠江水系聯通,隧道拱頂埋深約24～29m,主要位于中、微風化巖層中,局部位于強風化地層。圍巖及建筑材料物理力學指標見表1。4 預測方法與模型 預測分析采用三維有限元施工模擬法結合類比法進行,有限元計算為充分模擬隧道的三維空間效應,計算模型所取范圍是:從如意坊車站端部開始,沿地鐵線路方向,包含小交路區段的大約200m縱向(Z軸方向,起點為YAK7+112)范圍。考慮隧道開挖應力重分布的影響,以隧道區域為核心,橫向(X軸方向)范圍取130m,豎向(Y軸方向)取至地面,下取至隧道地板下約40m,結構物模型如圖2所示。在模型范圍,地鐵工程的結構物有小交路暗挖隧道,12m×28.6m×38m的施工豎井,以及盾構隧道,民用建筑物有廣鐵南站車間及多層住宅樓及其樁基(A9)、如意坊一號倉庫及其樁基(A5)和1幢高層及其樁基。模擬計算采用ANSYS有限元通用程序,整個模擬過程中有限元模型共劃分為22.3萬個單元,計算中初襯、二襯和管片采用彈性殼單元模擬,群樁用空間梁單元模擬,其余樁基及地層及均采用彈塑性8節點空間實體單元模擬。其中建筑物樁基均按端承樁考慮,與地層的連接采用耦合一定自由度的方法實現。5數值模擬結果與分析5.1隧道施工對建筑物的影響范圍 根據典型橫斷面在不同施工步時的沉降曲線(圖略)以及隧道橫向地表沉降曲線圖,可得出幾個橫斷面的橫向影響范圍,其中最大影響范圍約從-30～60m,共計90m。5.2對建筑物產生影響的小交路隧道范圍⑴對A5產生影響的隧道范圍 根據A5段地表特征點位移的開挖影響線(圖略),可得出隧道的縱向影響范圍,由于斷面大小不同,在此選取最大影響距離作為共同的縱向影響值。在隧道掌子面前方的最大影響范圍約35m,后方的最大影響范圍為60m。⑵對A9產生影響的隧道范圍 由于A9段隧道為對向施工,因此橫坐標選用施工步,根據A9段地表特征點位移的開挖影響線(圖略),可得出隧道的縱向影響范圍,由于斷面大小不同,在此選取最大影響距離作為共同的縱向影響值。在隧道掌子面前方的最大影響范圍約30m,后方的最大影響范圍為50m。5.3受隧道施工影響的建筑物安全評價 以A5為例,分析其位移的變化過程,從各施工階段建筑物及樁基的位移圖可以看到建筑物的位移和傾斜逐漸增大,樁頂最大沉降為24mm。為進一步對A5建筑物的安全進行評價,選取A5建筑物的兩條水平地面基線即AB線和AD線進行評價。根據不同施工階段的沉降曲線(圖略),可見位移值不斷增大,建筑物向大跨斷面方向的傾斜也逐漸增大。 根據規范,各建筑物的沉降和傾斜指標都在允許范圍內(見表2),但由于計算中并未計及也無法計算失水沉降的影響,根據以往施工經驗,失水沉降值較大,可能使沉降和傾斜值超限,因此建議在設計和施工中要有充分的止水措施,或根據經驗并結合試驗采用以堵為主、限量排放的方法。6結論 6.1如意坊站站后小交隧道下穿框架結構的大型重載倉庫和多層民房,工程的綜合規模、難度和復雜程度是較少見的,具有一定的風險。采用有限元三維施工模擬預測對既有結構物的影響,可以分析預測影響范圍和程度等。 6.2受隧道施工影響的范圍和隧道的跨度、埋深、隧道間的凈距等關系密切,隧道跨度大的影響范圍大,故施工中要注意大斷面隧道的施工。 6.3地表建筑物的安全性評估必須先對結構物的現狀進行評估,然后按照相關規范和技術規程進行評估,各建筑物的沉降和傾斜指標都在允許范圍內。 6.4三維有限元施工模擬計算驗證了設計方案的合理性。參考文獻[1]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社,1993[2]H.卡斯特奈.隧道與坑道靜力學[M].上海:上海科學技術出版社,1980[3]R.H.,薩文.孔附近的應力集中[M].北京:科學出版社,1978[4]王元湘.關于深基坑支護結構計算的增量法和總量法[J].地下空間,2000(3)[5]詹美禮,錢家歡等.粘彈塑性有限元及其在隧道分析中的應用[M][6]唐孟雄,趙錫宏.基坑開挖擋土墻的有限元模型[J].同濟大學學報,1998(10)[7]朱合華,楊林德,橋本正.深基坑工程動態施工反演分析40與變形預報[J].巖土工程學報,1998(7)[8]劉國彬,沈建明,侯學淵.深基坑支護結構的可靠度分析[J].同濟大學學報,1998(6)[9]許平.復雜地質條件下樁基工程三維彈塑性有限元分析[D].同濟大學碩士學位論文,1999[10]劉建航.軟土基坑工程中的時空效應理論與實踐[J].地基處理,1999(12)[11]楊國偉.深基坑及其鄰近建筑物保護研究(博士論文)[D].同濟大學,2000[12]高俊合,趙維炳,周成.考慮固結、土—結構相互作用的基坑開挖有限元分析[J].巖土工程學報,1999(9)[13]高文華,楊林德,葉為民.板—土三維等厚接觸單元模型及其應用[J].同濟大學學報,1999(6)[14]劉興旺,益德清,施祖元.基坑開控地表沉陷理論分析[J].土木工程學報,2000(8)[15]俞建霖.基坑性狀的三維數值分析研究[J].建筑結構學報,2002(8)[16]張玉軍.擬建武漢地鐵盾構法施工的有限元數值模擬.巖土力學,2001(1)[17]孫鈞,劉洪洲.交疊隧道盾構法施工土體變形的三維數值模擬[J].同濟大學學報,2002(4)[18]陳興年.軟土基坑的離心模型試驗[D].同濟大學博士論文,1999