成詞峰，陳建平，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074)

地鐵隧道穿越淺基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測(cè)及應(yīng)用

成詞峰1，陳建平1，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074)

結(jié)合武漢地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道工程實(shí)際，采用經(jīng)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)隧道施工引起的地表沉降。結(jié)果表明，如不采取超前加固措施時(shí)，臨近建筑物基礎(chǔ)的局部?jī)A斜和總沉降量可能超過規(guī)范和設(shè)計(jì)要求;而采取超前小導(dǎo)管注漿加固地層、臺(tái)階法開挖、強(qiáng)支護(hù)及左右洞開挖的協(xié)調(diào)等綜合措施后，建筑基礎(chǔ)和地表沉降均在規(guī)范和設(shè)計(jì)的允許值內(nèi)。

地鐵隧道 淺基礎(chǔ) 沉降預(yù)測(cè) 礦山法 位移監(jiān)測(cè)

由于影響地鐵選線因素的復(fù)雜性，城市地鐵隧道不可避免地穿越某些建筑物。地鐵隧道施工會(huì)對(duì)巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)并引起地層變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，將影響到地面建筑物的安全［1］。淺基礎(chǔ)的砌體結(jié)構(gòu)建筑對(duì)不均勻沉降敏感，地基變形允許值較小。當(dāng)?shù)罔F隧道穿越這類建筑時(shí)，如果施工控制不當(dāng)，可能引起建筑的沉降、傾斜甚至是開裂，嚴(yán)重時(shí)還將影響到相關(guān)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，尤其是在城市鬧市區(qū)，如果出現(xiàn)這類問題，將產(chǎn)生非常惡劣的社會(huì)影響。為了有效地預(yù)防和減少地鐵隧道施工引起的建筑物不均勻沉降和變形過大，有必要對(duì)具體工程地質(zhì)條件下的地表沉降作出可靠預(yù)測(cè)。

本文結(jié)合武漢地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道礦山法施工穿越淺基礎(chǔ)建筑群的工程實(shí)例，采用經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法對(duì)相應(yīng)的地表沉降進(jìn)行分析，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

武漢地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道采用礦山法施工，隧道在DK23+850—DK24+065處，穿越7層住宅樓2棟，2層商鋪數(shù)棟，經(jīng)調(diào)查這些建筑為磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。此段隧道埋深約11.6～12.5 m，洞間距13.0 m，洞身主要位于中風(fēng)化泥巖中，拱部位于強(qiáng)風(fēng)化泥巖中。此段隧道與地面建筑關(guān)系見圖1。

圖1 隧道與地面建筑位置平面示意

1.2 工程地質(zhì)

該段地表至隧道底部以下的地層依次為：①雜填土(Qml4)：色雜，主要由黏土、磚塊等物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚0.9～4.2 m。②粉質(zhì)黏土(Qal+pl2)：黃褐色，結(jié)構(gòu)緊密，可塑～硬塑狀，層厚3.0～9.2 m。③泥巖(S2f)：灰色，風(fēng)化后呈灰黃色，微風(fēng)化狀態(tài)下堅(jiān)硬、完整，厚度＞11.7 m。其中，強(qiáng)風(fēng)化泥巖呈土狀，少量呈碎塊狀;中風(fēng)化泥巖裂隙較發(fā)育。此段工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面(單位：m)

1.3 水文地質(zhì)

本區(qū)段地下水主要為孔隙水和巖層裂隙水?？紫端话阗x存于雜填土層中，埋深為0.5～1.5 m，地下水位不連續(xù)，無(wú)統(tǒng)一的自由水面。裂隙水主要賦存于基巖中，粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層。

2 沉降預(yù)測(cè)

在城市中修建地鐵隧道穿越地面建筑時(shí)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道開挖引起的地表沉降非常重要，目前主要的預(yù)測(cè)方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法等［2］。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

研究隧道開挖引起的地表沉降最常用的經(jīng)驗(yàn)公式是Peck教授1969年提出的［3］。Peck在大量實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，指出隧道施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為正態(tài)分布曲線(如圖3所示)，并提出了如下所示的Peck公式

圖3 地表沉降橫向示意

式中 S(x)——距離隧道中心x處的地表沉降(m);

Smax——隧道中心線上的地表沉降(m);

i——地表沉降槽寬度(m);

Vs——單位長(zhǎng)度地層損失量(m3);

Vl——地層損失率;

D——隧道等效直徑(m)。根據(jù) O’Reilly、New 和 Attewell［4-5］的研究

式中 K——沉降槽寬度參數(shù)，主要取決于土體性質(zhì);

Z0——隧道軸線到地面的垂直距離(m);

H——隧道覆土厚度(m)，取12 m;

R——隧道等效半徑(m)，取3.41 m;

φ——上覆土體平均內(nèi)摩擦角，取18°。

Clough 和 Schmidt［6］給出了 Vs的表達(dá)式

式中 V0——隧道單位長(zhǎng)度的理論體積(m3);

Cu——土的不排水抗剪強(qiáng)度(kPa);

Eu——土的彈性模量(kPa);

γ——土體重度(kN/m3);

P——開挖面支護(hù)壓力(kPa)。

劉建航和侯學(xué)淵［7］、韓煊［8］等經(jīng)過研究認(rèn)為 Peck公式仍然適用于我國(guó)隧道施工地面變形的計(jì)算，并提出類似本地質(zhì)條件下的K取值為0.5～0.8，正常施工地層損失率在0.22%～3.00%。

2.2 理論解析法

LOGANATHAN 和 POULOS［9］基于鏡像法原理，結(jié)合等效土體損失參數(shù)，采用彈性半平面解法得到了隧道施工引起的土體垂直位移計(jì)算公式為

式中 x——計(jì)算點(diǎn)距隧道軸線的水平距離(m);

z——計(jì)算點(diǎn)距隧道軸線的垂直距離(m)，向下為正;

h——隧道頂至地面的距離(m);

?愛新覺羅·弘歷:《寄暢園雜詠》，裴大中、倪咸生修，秦緗業(yè)等纂:《光緒無(wú)錫金匱縣志》，《中國(guó)地方志集成·江蘇府縣志輯》第24冊(cè)，第27頁(yè)。

εs——地層損失率;

g——等效土體損失參數(shù)，可通過下式計(jì)算［10］：

2.3 數(shù)值模擬法

2.3.1 建立計(jì)算模型

采用荷蘭Plaxis 3D Tunnel有限元軟件，上邊界至地面，側(cè)邊界取5倍洞徑，縱向取40 m。側(cè)面約束水平位移，底面約束垂直位移，地表為自由面。地面建筑簡(jiǎn)化為30 m×10 m矩形，受均布荷載200 kPa的十字交叉的條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬2 m，埋深2 m，基礎(chǔ)橫向間距6 m，縱向間距4 m。三維有限元計(jì)算模型共劃分為5 798個(gè)單元，模型及網(wǎng)格劃分見圖4。

圖4 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.3.2 計(jì)算參數(shù)選取

本場(chǎng)地水文地質(zhì)較簡(jiǎn)單，隧道頂部粉質(zhì)黏土為相對(duì)隔水層，研究地表沉降時(shí)采用土體的不排水抗剪強(qiáng)度。受前期勘察條件限制，室內(nèi)試驗(yàn)所取得的巖塊彈性模量難以代表不同風(fēng)化程度巖體的實(shí)際彈性模量，王亮清、唐輝明等［11］通過研究認(rèn)為巖體的的彈性模量Es和巖塊的彈性模量Er與巖體的完整性系數(shù)Kv的關(guān)系為Es=KvEr，結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告，確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

初期支護(hù)由噴混凝土+格柵鋼架+鋼筋網(wǎng)噴混凝土組成，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)等效彈性模量E=2.5×104MPa，泊松比 μ =0.17，厚度 h=0.40 m。

表1 各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)

2.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

模擬施工過程為：臺(tái)階法開挖，上下臺(tái)階間距5 m。先開挖左線隧道，循環(huán)進(jìn)尺1 m，開挖一進(jìn)尺后立即進(jìn)行初期支護(hù)，左右線掌子面間距20 m。數(shù)值模擬地表沉降如圖5、圖6所示。

雙隧道施工引起的地表沉降為單個(gè)隧道沉降量的疊加值［12］。在上述隧道支護(hù)條件下，經(jīng)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值模擬計(jì)算的地表沉降量見表2。

圖5 隧道穿越建筑前的位移

圖6 隧道穿越建筑后的位移

表2 地表沉降計(jì)算結(jié)果 mm

2.4 建筑物地基變形分析

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］，對(duì)于砌體承重結(jié)構(gòu)以局部?jī)A斜為控制指標(biāo)，地基是中低壓縮性土的傾斜標(biāo)準(zhǔn)為0.002。本段地鐵施工地表及建筑沉降設(shè)計(jì)允許值為30 mm。此建筑已建成多年，地基土按中壓縮性土考慮，據(jù)表2各計(jì)算方法得出的沉降量均超過30 mm，局部?jī)A斜超過0.002，為了保證建筑物的安全，需增強(qiáng)隧道支護(hù)，改進(jìn)施工工藝。

3 工程實(shí)施

3.1 施工技術(shù)參數(shù)

為了保證地面建筑的安全穩(wěn)定，采用臺(tái)階法短進(jìn)尺開挖，雙層小導(dǎo)管加強(qiáng)預(yù)支護(hù)，以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土及鋼格柵架為初期支護(hù)，模筑鋼筋混凝土為二次襯砌，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。具體參數(shù)如下：①超前注漿小導(dǎo)管：φ42 mm無(wú)縫鋼管，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)度3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，雙層設(shè)于拱部150°范圍內(nèi)，外插角15°，注漿壓力達(dá)到1.0 MPa且注漿量也達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)停止注漿;②錨桿：φ22 mm水泥藥卷錨桿，孔徑φ42 mm，錨桿長(zhǎng)3 m，環(huán)縱間距1 m×1 m錯(cuò)開布置，錨桿尾端與鋼架焊接牢固;③鋼筋網(wǎng)：雙層鋼筋網(wǎng)，采用 φ8 mm鋼筋構(gòu)成150 mm×150 mm網(wǎng)格，噴混凝土保護(hù)層不小于20 mm。格柵鋼架：間距0.5 m，用φ22 mm鋼筋焊接而成;④噴混凝土：C25早強(qiáng)混凝土，厚300 mm，抗?jié)B等級(jí) S6;⑤采用微振控制爆破技術(shù)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不宜大于2.0 cm/s;⑥下臺(tái)階開挖支護(hù)落后上臺(tái)階掌子面5 m;仰拱支護(hù)落后下臺(tái)階開挖支護(hù)工作面5 m;仰拱及填充混凝土落后仰拱開挖支護(hù)工作面6 m;二次襯砌落后仰拱及填充混凝土15 m，二次襯砌距開挖掌子面距離≤35 m;左右線開挖面相距＞10 m。隧道橫斷面如圖7所示。

圖7 隧道橫斷面尺寸(單位：mm)

3.2 實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)分析

隧道施工過程中對(duì)地面建筑基礎(chǔ)及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖見圖1。實(shí)測(cè)7層住宅建筑基礎(chǔ)沉降見圖8，實(shí)測(cè)2層商鋪建筑基礎(chǔ)沉降見圖9，實(shí)測(cè)地表沉降見圖10。

圖8 7層建筑基礎(chǔ)沉降

圖9 2層建筑基礎(chǔ)沉降

圖10 地表沉降變化

從圖8、圖9可以看出，前期建筑基礎(chǔ)局部有所隆起，這主要是由于洞內(nèi)注漿抬升地層的結(jié)果［14］，2層建筑比7層建筑具有更小的抗抬升壓力，因此產(chǎn)生更大的隆起。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，建筑基礎(chǔ)局部?jī)A斜小于0.002，地表和基礎(chǔ)累計(jì)沉降量小于30 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)用經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法和數(shù)值模擬法計(jì)算的地表沉降量基本吻合，均表明不采取加固地層的方案會(huì)引起地表建筑的局部?jī)A斜和沉降量超過規(guī)范和設(shè)計(jì)允許值，需要改進(jìn)施工技術(shù)參數(shù);

2)在該工程地質(zhì)條件下，采取超前小導(dǎo)管注漿加固巖土體，短進(jìn)尺強(qiáng)支護(hù)的方法可有效降低隧道施工引起的地表沉降，但須做好注漿控制工作，防止產(chǎn)生過大的地表隆起;

3)在城市隧道施工中，對(duì)地面建筑關(guān)鍵部位加強(qiáng)位移監(jiān)測(cè)，采用信息化施工方法，是地面建筑及隧道安全的基本保證;

4)采用多種計(jì)算方法綜合預(yù)測(cè)隧道施工引起的地表沉降，能為改進(jìn)施工參數(shù)提供合理依據(jù)，為優(yōu)化施工方案提供參考;

5)目前，左右線已順利穿越此段地面建筑，根據(jù)三種計(jì)算方法預(yù)測(cè)的結(jié)論，在施工中采取了超前加固巖土體的措施，經(jīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地面建筑和地表沉降均在規(guī)范和設(shè)計(jì)允許值之內(nèi)，地面建筑處于安全狀態(tài)。

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U456.3

B

1003-1995(2011)03-0056-05

2010-09-15;

2010-12-30

成詞峰(1984— )，男，陜西安康人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 王天威)