杜學(xué)焜

(貴州貴陽(yáng)市域鐵路公司, 貴州貴陽(yáng) 550003)

[定稿日期]2017-09-26

地下軌道交通路網(wǎng)的完善和擴(kuò)能改造等都帶來(lái)大量在既有線旁修建新線、下穿地表建筑物等工程現(xiàn)象，這勢(shì)必造成新建結(jié)構(gòu)物鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工。近接施工影響既有結(jié)構(gòu)物受力狀態(tài)，既有與新建結(jié)構(gòu)物的受力變異，從而產(chǎn)生各種不利影響。如結(jié)構(gòu)物承載能力下降、甚至破壞；變形過(guò)大以致于侵入凈空；不均勻沉降造成周邊建(構(gòu))筑物破損或不能正常使用等[1]。概括講，如何把對(duì)環(huán)境的影響減少到最低限度，是地下建筑物在近距離條件下施工的核心問(wèn)題[2]。因此，分析新建工程對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的影響程度，對(duì)于優(yōu)化工程選址及規(guī)劃、設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確判斷施工風(fēng)險(xiǎn)和把握工程關(guān)鍵部位，減輕環(huán)境影響，具有重要的參考價(jià)值和廣泛的指導(dǎo)意義。

本文以重慶東水門(mén)大橋·千廝門(mén)大橋渝中區(qū)連接隧道為研究背景，該隧道為城市公路隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度40km/h，為雙向4車(chē)道連拱+小凈距隧道，隧道左右線全線按洞口連拱隧道、洞身段小凈距隧道布設(shè)(圖1)。

圖1 直中墻連拱隧道橫斷面

須要考慮的是：華夏銀行獨(dú)立柱基礎(chǔ)底部距離隧道初期支護(hù)拱頂3.83m，邊柱、中柱與隧道外邊墻的距離為0～8.85m，空間距離非常接近，兩者相互影響較大；圍巖分為三層，最上邊為素填土，中間為泥巖，下層為砂巖；同時(shí)軌道交通六號(hào)線區(qū)間與本工程從下方相交，并逐漸與本隧道向江北城同向行進(jìn)，兩條隧道相交段之間的間隔2.5～4.3m。

分析主要采用數(shù)值模擬計(jì)算，以有限差分法軟件Flac3D建立近距離基樁下隧道近接施工的三維計(jì)算模型，對(duì)隧道開(kāi)挖所導(dǎo)致的基樁的位移影響進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，對(duì)新線隧道開(kāi)挖所引起的圍巖和既有隧道襯砌應(yīng)力、地表建筑物位移變化規(guī)律進(jìn)行了研究分析。

1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方案

渝中連接隧道還未開(kāi)挖之前軌道交通六號(hào)線就已經(jīng)開(kāi)挖完成，固在本次數(shù)值計(jì)算分析中，先開(kāi)挖渝中鏈接隧道與軌道交通六號(hào)線相交部分的軌道交通六號(hào)線，六號(hào)線開(kāi)挖計(jì)算完成后再開(kāi)挖上部隧道。

工程為整體式連拱隧道，施工采用中導(dǎo)洞+左右洞單側(cè)壁導(dǎo)坑法，并須采用人工或機(jī)械等非爆破開(kāi)挖方式，避免對(duì)其上建筑基礎(chǔ)的影響，施工時(shí)首先施作大管棚，且必須其中一洞(右洞)先行，待先行洞二次襯砌澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度、中洞靠左側(cè)洞抵抗回填完成后方能開(kāi)挖后行洞，隧道的開(kāi)挖方式按照開(kāi)挖以進(jìn)尺2m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行。

開(kāi)挖順序?yàn)椋褐袑?dǎo)洞、中隔墻先行，左右洞采用上下臺(tái)階法施工。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)圍巖條件和隧道結(jié)構(gòu)型式，采用Flac3D商用仿真模擬軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，模型縱向長(zhǎng)56.5m，房屋前后各約20m。將獨(dú)立樁基單獨(dú)建立模型(實(shí)體單元)，樁基按平面圖設(shè)6×4個(gè)(按線性排布)，計(jì)算中地表建筑自重及活荷載按GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006版)中的要求取值，各個(gè)樁基的荷載承受值按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值(圖2、圖3)。

圖2 三維模型

圖3 近接隧道相對(duì)位置

2.2 施工過(guò)程模擬

在數(shù)值計(jì)算中嚴(yán)格按照隧道的施工步序?qū)λ淼肋M(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，即首選從地表打入大管棚，進(jìn)行加固，然后在每一步計(jì)算式對(duì)隧道周邊的圍巖打入錨桿進(jìn)行加固，隧道的開(kāi)挖步驟按照設(shè)計(jì)進(jìn)行(圖4)。

圖4 施加的管棚和錨桿

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖應(yīng)力分析

從圍巖應(yīng)力圖中可知(圖5)，由于地表建筑的存在，樁基附近的地應(yīng)力明顯的比同等埋深的圍巖處地應(yīng)力大。從圍巖豎向位移云圖可知(圖6)，由于軌道交通六號(hào)線的存在，六號(hào)線的開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)加上上部隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的進(jìn)一步擾動(dòng)，使得上部隧道拱頂?shù)奈灰屏棵黠@的不同，左洞拱頂位移量比右洞拱頂?shù)奈灰屏恳?0 %。

圖5 圍巖最小主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖6 圍巖豎向位移云圖(單位:m)

3.2 襯砌內(nèi)力分析

(1)上部隧道未開(kāi)挖前與開(kāi)挖后軌道交通六號(hào)線襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較分析(圖7～圖10)。

圖7 六號(hào)線襯砌在上部隧道開(kāi)挖前彎矩(單位：kN·m)

圖8 六號(hào)線襯砌在上部隧道開(kāi)挖后彎矩(單位：kN·m)

圖9 六號(hào)線襯砌在上部隧道開(kāi)挖前軸力(單位：MN)

圖10 六號(hào)線襯砌在上部隧道開(kāi)挖后軸力(單位：MN)

(2)樁基礎(chǔ)處上部隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖(圖11、圖12)。

圖11 中樁處上部隧道襯砌彎矩(單位：kN·m)

圖12 樁基處上部隧道襯砌軸力(單位：MN)

比較可知，在上部隧道開(kāi)挖前，軌道交通六號(hào)線的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布比較規(guī)整，彎矩、軸力都在允許范圍內(nèi)，安全系數(shù)比較高。上部隧道開(kāi)挖以后軌道交通六號(hào)線襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生了變化，由于上部荷載的部分卸載和拱頂圍巖不均勻圍巖壓力，使襯砌的左上方彎矩向外突出，這是對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)不利的受力方式，上部隧道開(kāi)挖后六號(hào)線襯砌的軸力也發(fā)生了變化，最初對(duì)稱(chēng)的軸力分布變?yōu)榱怂淼雷筮呉r砌軸力明顯下降，而右邊襯砌軸力有了增加，這也是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)形狀不利的受力方式。

對(duì)于上部隧道，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩不大，右洞彎矩較左洞小，安全系數(shù)左洞要小，作為后開(kāi)挖洞，左洞處于深樁基下，本身支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，加之右洞開(kāi)挖肯定對(duì)后挖洞左洞圍巖會(huì)產(chǎn)生影響，故建議設(shè)計(jì)上考慮左洞工法可以更保守點(diǎn)，以保護(hù)圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 樁基及拱頂沉降量分析

該監(jiān)控是在隧道位于樁基部位隧道左洞頂(②)，中墻頂部(③)，右洞頂(④)進(jìn)行的位移監(jiān)控，由圖13、圖14可知，由于右洞下部近接軌道交通六號(hào)線，固右部拱頂?shù)奈灰屏棵黠@大于中墻及左洞拱頂?shù)奈灰啤Ｓ捎诔跏奸_(kāi)挖的是導(dǎo)洞及右洞，故中墻頂部圍巖位移明顯大于左洞頂部，左洞開(kāi)挖后，在洞頂樁基礎(chǔ)荷載作用下，左洞頂部圍巖位移也逐漸增大，最后和中墻頂部圍巖位移量一致。

圖13 樁基編號(hào)

圖14 隧道洞頂位移監(jiān)控(單位:m)注：監(jiān)控圖的x坐標(biāo)為計(jì)算步數(shù)，y坐標(biāo)為監(jiān)控點(diǎn)的位移量，正值表示位移沉降量，負(fù)值表示位移凸起量。

從圖15、圖16比較可知，在六號(hào)線開(kāi)挖完成后，樁基礎(chǔ)的位移量按一定規(guī)律分布：沿著隧道縱向，每一列樁基的位移量相同；在隧道橫向方向上，距離隧道橫斷面越近樁基位移量越大，最大位移量為0.8mm。上部隧道開(kāi)挖以后，樁基的位移量有了明顯的增加，最大值為1.7mm，位移值增加了50 %。

圖15 六號(hào)線通過(guò)后樁基位移(單位: m)

圖16 上部隧道開(kāi)挖通過(guò)樁基位移(單位:m)

從樁基位移圖及各監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控圖(圖17、圖18)可以看出，距離掌子面最近的106號(hào)樁基位移最大。從圖中可以看出距離隧道較近的105、106號(hào)樁基位移有了一定幅度的增加，而104、103號(hào)樁以后的樁基位移量不變。

圖17 第一列樁基(106、112、118、123號(hào)樁)位移監(jiān)控(單位: m)

圖18 第一排樁基(103～106號(hào)樁)位移監(jiān)控分析(單位:m)

從圖18可看出隧道左洞開(kāi)挖使左洞頂部樁基沉降位移再次明顯的增加，樁基的最大位移從右洞開(kāi)挖后的1.0mm增加到了1.37mm，表明隧道左洞的開(kāi)挖對(duì)樁基位移沉降影響較大。計(jì)算步從113 000到132 000為隧道左洞通過(guò)第一排樁基至第四排樁基的開(kāi)挖過(guò)程，從圖中可以看出左洞在開(kāi)挖過(guò)程中各個(gè)樁基的沉降量一直在增加，這與右洞開(kāi)挖時(shí)樁基的沉降量變化不大相比，說(shuō)明左洞的開(kāi)挖對(duì)樁基沉降有較大的影響。

從圖18可知隧道在通過(guò)第四排樁基后各樁基沉降并不是馬上就穩(wěn)定下來(lái)，后兩排樁基位移量還在繼續(xù)增加，當(dāng)隧道通過(guò)樁基20m以后樁基的沉降才基本穩(wěn)定不在變化。

4 結(jié)論及建議

(1)隧道采用先行洞右洞先開(kāi)挖后再開(kāi)挖左洞的施工方案對(duì)減小樁基位移是利的，當(dāng)單洞開(kāi)挖時(shí)，在施加了超前管棚的情況下，由于軌道交通六號(hào)線的存在，使得上部樁基礎(chǔ)位移達(dá)到了1.0mm左右。

(2)隧道左洞的開(kāi)挖樁基礎(chǔ)沉降量影響較大，左洞的開(kāi)挖使樁的位移最大達(dá)到了1.84mm左右，距離掌子面越近的樁，隧道的開(kāi)挖對(duì)其影響越大，這是施工中關(guān)鍵控制部位，特別是左洞上臺(tái)階的開(kāi)挖，施工中需密切監(jiān)控地表建筑物不均勻沉降。

(3)靠近隧道第一列4個(gè)樁要比內(nèi)側(cè)樁位移要大，越靠近隧道開(kāi)挖面位移越大。隨隧道開(kāi)挖，各個(gè)樁基位移都在增大，最大位移產(chǎn)生在112號(hào)樁基，最大位移量為1.77mm。

(4)由于上部隧道開(kāi)挖以后，軌道交通六號(hào)線承受的上部荷載發(fā)生了變化，隧道結(jié)構(gòu)受偏壓荷載，使得其結(jié)構(gòu)內(nèi)力左右不對(duì)稱(chēng)，與上部隧道開(kāi)挖之前相比左邊襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)明顯減小。

(5)對(duì)于上部隧道襯砌結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩不大，邊樁位置內(nèi)力較中間樁位置小。總的來(lái)說(shuō)右洞彎矩、軸力比左洞要小，安全儲(chǔ)備大。作為后開(kāi)挖洞，建議設(shè)計(jì)上考慮左洞工法可以更保守，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以保護(hù)圍巖及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

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