張曉禹

中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 400020

井工采礦、深基坑開挖、地鐵等地下淺埋設(shè)施建設(shè)會產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降，引起地表建筑物的結(jié)構(gòu)力學(xué)反應(yīng)，可能導(dǎo)致地表建筑物結(jié)構(gòu)力學(xué)失穩(wěn)等，如不能對地表建筑物進(jìn)行充分加固，則可能導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果。其中，井工開采中的大采高長臂冒落式開采過程，可能會在地表導(dǎo)致采高七成左右的地表沉降，此沉降過程的核心影響地區(qū)必須全面征遷，但邊緣地區(qū)的沉降范圍劃分及其建筑物加固保護(hù)工程，需經(jīng)過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。地鐵等地下淺埋設(shè)施建設(shè)，特別是基于盾構(gòu)掘進(jìn)的淺埋地下設(shè)施建設(shè)，對地表建筑的影響也較為直接，一般需要保留所有地表建筑物，并對其制定合理且充分的加固策略。

譚志催等[1]對某框架結(jié)構(gòu)建筑突發(fā)性樓面磚墻開裂過程進(jìn)行了建模分析，認(rèn)為其根本原因與基礎(chǔ)沉降有關(guān)。方祥明[2]針對大型全框架廠房在基礎(chǔ)沉降過程中產(chǎn)生的樓面、地面缺陷，闡述了基于伸縮縫的綜合治理方案。秦東平等[3]研究了基于盾構(gòu)挖掘法的淺埋隧道施工對鄰近混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物的影響傳導(dǎo)機(jī)制，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)建模分析。曹繼喜[4]研究了淺埋暗挖鐵路隧道對既有混凝土結(jié)構(gòu)鐵路框架橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)影響，該研究雖不是對框架式民用建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)力分析，但鐵路框架橋的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)仍有一定代表性。以上研究中，地下施工對基礎(chǔ)的應(yīng)變傳導(dǎo)機(jī)制、基礎(chǔ)應(yīng)變對基礎(chǔ)應(yīng)力的傳導(dǎo)機(jī)制、基礎(chǔ)應(yīng)力對混凝土框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳導(dǎo)機(jī)制，可以在有限元模型中進(jìn)行充分分析，并可利用該分析策略，對相應(yīng)的加固方案進(jìn)行針對性比較分析，從而得出對應(yīng)的解決方案。

本文對某框架混凝土結(jié)構(gòu)的加固方案進(jìn)行有限元建模分析，從而選擇了合理的框架混凝土結(jié)構(gòu)民用建筑加固方案。

1 基本情況

1.1 框架混凝土民用建筑的基本情況

某居民區(qū)中單體建筑屬于混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上22層，地下1層，建筑物層高2.9 m，地上高度68.8 m，地下室高度4.5 m，施工基坑深度6.7 m，地下結(jié)構(gòu)含地下室及建筑基礎(chǔ)高度5.5 m。該居民區(qū)共包含22層混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑19棟，該建筑屬于其中的第12棟。因該棟建筑受到本次暗挖地鐵段沉降影響，故對其進(jìn)行單獨(dú)分析。該建筑基礎(chǔ)與第8、9、13、14棟建筑基礎(chǔ)構(gòu)成聯(lián)合地下室結(jié)構(gòu)，用作居民區(qū)停車場及其他附屬設(shè)施的布置空間，同時(shí)形成聯(lián)合基礎(chǔ)。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 建筑基礎(chǔ)基本構(gòu)造（平面）

圖1中，隧道影響區(qū)下穿第12棟基礎(chǔ)，而第12棟基礎(chǔ)共有8組灌注法深樁基至穩(wěn)定基巖，基巖頂板埋深42 m，2條地鐵隧道自深樁基間穿過。此穿過模式將對深樁基自身穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，且隧道本身帶來的頂板壓力，也會對聯(lián)合地梁、一體澆筑基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)帶來應(yīng)力應(yīng)變擾動(dòng)。第12棟附近的基礎(chǔ)立面如圖2所示。

圖2 隧道掘進(jìn)影響區(qū)附近基礎(chǔ)立面

圖2中，聯(lián)合地梁為矩形斷面，寬度450 mm、高度430 mm；深樁基為圓形斷面，直徑450 mm；一體澆筑基礎(chǔ)整體厚度500 mm。建筑物基礎(chǔ)層最大厚度950 mm，最小厚度500 mm，基礎(chǔ)下部為深度填充夯土層。深樁基向上延伸為建筑物梁柱使用，其他梁柱自一體澆筑基礎(chǔ)生根，共同構(gòu)成建筑物上部框架結(jié)構(gòu)。2條盾構(gòu)隧道自建筑物深樁基間穿過，頂板距離聯(lián)合地梁下部約8.5 m。建筑物施工設(shè)計(jì)期間，按照第四系發(fā)育地層條件下抗震烈度8級進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 地下淺埋隧道掘進(jìn)工程的基本情況

項(xiàng)目區(qū)為某城市地鐵14號線工程，穿過城市近郊區(qū)，采用雙隧道明挖加暗挖掘進(jìn)方式，與本文相關(guān)區(qū)段采用盾構(gòu)機(jī)暗挖方式通過。隧道開挖直徑6.2 m，內(nèi)部有效直徑5.5 m，隧道穿過項(xiàng)目區(qū)12棟建筑基礎(chǔ)區(qū)域，其深樁基最小間距9.2 m，隧道頂板中線距離該建筑硬基礎(chǔ)最低處的最小距離為8.5 m。

項(xiàng)目區(qū)第四系發(fā)育，厚度37～42 m，為海河沖積平原沉積地貌，共分為5個(gè)地質(zhì)亞層，自上而下分別為人工填土層（厚0～4 m）、穩(wěn)定填土層（厚3～7 m）、砂質(zhì)土層（厚15～19 m）、黏土層（厚17～22 m）、粉砂質(zhì)土層（厚0～7 m）。部分地層在部分區(qū)域有缺失?；鶐r為奧陶系灰?guī)r，鉆孔最深進(jìn)入13 m，未探及底板。其中，砂質(zhì)土層淺埋非承壓地下水發(fā)育，涌水量100～230 m3/h。隧道開挖過程中需要地下水控制措施，地表無建筑物影響條件下，采用強(qiáng)排法控制地下水，所述區(qū)域前后各100 m使用帷幕注漿法控制地下水。

該淺埋隧道穿過項(xiàng)目區(qū)12棟基礎(chǔ)附近的斷面如圖3所示。

圖3 隧道下穿建筑物基礎(chǔ)示意

圖3中，隧道下穿該建筑基礎(chǔ)過程中，因建筑下部深樁基分布較密，且隧道轉(zhuǎn)彎半徑受到地鐵設(shè)計(jì)要求，隧道并非正交穿過建筑物基礎(chǔ)，所以，雖然隧道掘進(jìn)直徑6.2 m與建筑地梁最小間距9.2 m之間有3.0 m的富余，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，其側(cè)壁與建筑物樁基礎(chǔ)的最小距離僅0.7 m，掘進(jìn)過程將給建筑物基礎(chǔ)帶來較大擾動(dòng)。上覆土層共涉及2層，其中，穩(wěn)定填土層厚度3～7 m，隧道整體從厚度17～19 m的富含水砂質(zhì)土層中穿過，隧道與建筑物深樁基的鄰近點(diǎn)位于砂質(zhì)土層中。

2 有限元分析的建模策略

2.1 隧道擾動(dòng)下的應(yīng)力分析

分析建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其對下覆巖層產(chǎn)生的整體壓力為16.8 kN/m3，其中大部分壓力經(jīng)深樁基傳導(dǎo)至基巖（奧陶系灰?guī)r）中，且建筑物地梁及一體澆筑基礎(chǔ)的總承力達(dá)到45 MPa，故應(yīng)以實(shí)測土層壓力為準(zhǔn)，其基本實(shí)測思路為：用測得固定深度的實(shí)際壓力值，減去計(jì)算所得相應(yīng)深度的土層壓力，即為實(shí)際建筑傳導(dǎo)至土層的壓力值。

在該分析思路下，隧道掘進(jìn)過程中對建筑物深樁基和聯(lián)合地梁產(chǎn)生的應(yīng)變是影響建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，即在建筑物基礎(chǔ)加固方案中，應(yīng)充分控制建筑物深樁基及聯(lián)合地梁的應(yīng)變量。

實(shí)測建筑物地梁的強(qiáng)度為45 MPa，最大彈性應(yīng)變?yōu)?6.7 mm/m，澆筑深樁基的強(qiáng)度為37 MPa，最大彈性應(yīng)變?yōu)?9.3 mm/m，所以，應(yīng)在此基礎(chǔ)上結(jié)合相應(yīng)土層的應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行有限元模型設(shè)計(jì)。

2.2 有限元建模

將圖3中架構(gòu)進(jìn)行簡化，形成圖4中的有限元分析模型。

圖4 有限元等效分析模型示意

對圖4中3D模型進(jìn)行有限元分解，有限元規(guī)模為0.1 m×0.1 m×0.1 m，故橫向劃分為121個(gè)有限元單元，縱向劃分為200個(gè)有限元單元，分析深度為100個(gè)有限元單元。根據(jù)前文分析的應(yīng)力分布情況，可得圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)受力分析

圖5中，B、f1、f2、f3為隧道頂板、底板及兩側(cè)的應(yīng)力，Br為建筑物對頂梁的壓力，B1、B2為不同距離條件下的建筑物深樁基應(yīng)力。將圖3中數(shù)據(jù)輸入到圖4有限元模型中，對其不同擾動(dòng)條件和不同加固策略下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行分析。

3 不同加固條件下的建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

3.1 不加固條件下的掘進(jìn)擾動(dòng)

首先采用直接掘進(jìn)通過的方式進(jìn)行隧道施工，在CAE有限元平臺下觀察掘進(jìn)過程對建筑物基礎(chǔ)的擾動(dòng)情況，如圖6所示。

圖6中，如果采用不加固方式直接掘進(jìn)，設(shè)定掘進(jìn)擾動(dòng)到完成預(yù)制砌塊被動(dòng)支護(hù)之間的最大時(shí)間間隔為3 h，則3 h內(nèi)建筑基礎(chǔ)將產(chǎn)生超過容許值的應(yīng)變，達(dá)到深樁基結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)最大容許應(yīng)變值29.3 mm/m。分析結(jié)果中，距離較近的深樁基（0.7 m）局部產(chǎn)生了試驗(yàn)中的最大容許應(yīng)變值，距離較遠(yuǎn)的深樁基（2.3 m）及聯(lián)合地梁局部，均產(chǎn)生了超過25.0 mm/m的危險(xiǎn)應(yīng)變。

故可認(rèn)為，直接進(jìn)行掘進(jìn)通過而不對建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行有效加固，極有可能導(dǎo)致建筑物深樁基及其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 帷幕注漿條件下的掘進(jìn)擾動(dòng)

前文分析中，該隧道的掘進(jìn)擾動(dòng)給建筑物基礎(chǔ)帶來的擾動(dòng)主要來自2個(gè)方面：一是掘進(jìn)過程中巖土壓力導(dǎo)致的巖土位移對建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)；二是掘進(jìn)過程的較大規(guī)模地下水涌出，導(dǎo)致局部淺層地下水水位下降，加劇土層位移，最終給建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來額外壓力。故采用帷幕注漿法，在隧道通過建筑物基礎(chǔ)前后外延100 m距離對隧道土層周圍5 m進(jìn)行帷幕注漿，一方面阻止地下水涌出，另一方面可使土層持力從16 MPa提升到22 MPa，從而實(shí)現(xiàn)對建筑物基礎(chǔ)的初步加固。該模式下進(jìn)行CAE平臺的有限元分析，可得分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 直接掘進(jìn)條件下的 建筑物基礎(chǔ)應(yīng)變

圖7 帷幕注漿條件下的 建筑物基礎(chǔ)應(yīng)變

圖7中，雖然建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀態(tài)顯著優(yōu)于直接掘進(jìn)法，但仍有一定體積的較近深樁基（0.7 m）結(jié)構(gòu)發(fā)生了超出29.3 mm/m的結(jié)構(gòu)應(yīng)變。該體積較直接掘進(jìn)方案下的應(yīng)變發(fā)生體積顯著縮小，但仍可判定該方案將給建筑基礎(chǔ)帶來較大程度的破壞。

同時(shí)，該分析表明，在建筑物基礎(chǔ)附近選擇適當(dāng)方案對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行加固，可以充分優(yōu)化掘進(jìn)過程對建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響。

3.3 加強(qiáng)注漿條件下的掘進(jìn)擾動(dòng)

結(jié)合上述分析結(jié)果，選擇在隧道掘進(jìn)通過建筑物基礎(chǔ)部分時(shí)，對建筑物基礎(chǔ)部分進(jìn)行加強(qiáng)劈裂注漿，使樁基礎(chǔ)周圍2.0 m內(nèi)的整體土層持力達(dá)到25 MPa，并同時(shí)采用帷幕注漿法，確保3.2中隧道周圍5 m的帷幕注漿得到有效執(zhí)行。此時(shí)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)擾動(dòng)到完成預(yù)制砌塊被動(dòng)支護(hù)之間的最大時(shí)間間隔延長至5 h，對建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特征進(jìn)行分析，可得圖8。

圖8 加強(qiáng)注漿條件下的建筑物基礎(chǔ)應(yīng)變

圖8中，采用該方案進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加固后，CAE平臺的有限元分析結(jié)果中未出現(xiàn)超過25.0 mm/m的應(yīng)變區(qū)域，聯(lián)合地梁結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)超過18.0 mm/m的應(yīng)變區(qū)域的結(jié)果，可以基本斷定該加固模式可保障建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4 有限元分析結(jié)果匯總

對照上述3組分析結(jié)果，可得表1。

表1 有限元系統(tǒng)應(yīng)變分析結(jié)果匯總

表1中，直接掘進(jìn)通過方案建筑物基礎(chǔ)的最大應(yīng)變量達(dá)到了54.5 mm/m，遠(yuǎn)超過建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)變值，單純帷幕注漿方案的建筑物基礎(chǔ)最大應(yīng)變量也達(dá)到了33.6 mm/m，超出建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)變值，可以認(rèn)為，該2種方案的本質(zhì)均為針對掘進(jìn)過程的圍巖處理方案，并不完全適應(yīng)對建筑物基礎(chǔ)的加固需求。而加強(qiáng)注漿模式下建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變量為21.8 mm/m，小于本文設(shè)定的25.0 mm/m應(yīng)變值臨界線，且建筑物聯(lián)合地梁的最大應(yīng)變值為11.2 mm/m，該沉降過程可通過建筑物自身上部結(jié)構(gòu)有效承擔(dān)。

4 結(jié)語

綜合比較分析上述3套方案，在基于CAE的有限元分析支持下，發(fā)現(xiàn)采用加強(qiáng)劈裂注漿加固建筑物基礎(chǔ)并配合隧道掘進(jìn)過程中的帷幕注漿方案，可以讓建筑物基礎(chǔ)最大應(yīng)變控制在21.8 mm/m，小于最大容許應(yīng)變值29.3 mm/m，同時(shí)也小于基于此值推算出的建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)應(yīng)變值25.0 mm/m。

此應(yīng)變條件下，建筑物上層建筑的最大可能沉降值為95.2 mm，遠(yuǎn)小于其他2套方案的230.3 mm和189.5 mm。故本文認(rèn)為，在盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)施工中，采用加強(qiáng)劈裂注漿加固建筑物基礎(chǔ)并配合隧道掘進(jìn)過程中的帷幕注漿方案，可對建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行有效且充分的加固。