劉清名
(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)
最近幾年以來,我國很多城市都在建設(shè)地下軌道交通。由于城市建筑物密度較大,導(dǎo)致很多地鐵隧道與建筑物比較接近,該問題已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1]。近接建筑施工過程會對原本平衡的受力狀態(tài)造成不利影響。不同工程項目由于所處位置的地理環(huán)境、施工方法、工程大小不同,所以對建筑造成的影響程度也存在差異[2]。根據(jù)施工工程項目對近接建筑物影響程度的不同,可以對相關(guān)的影響區(qū)域進行科學(xué)劃分,進而判斷對不同區(qū)域建筑物的影響程度,在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)工程項目的設(shè)計規(guī)劃。對近接工程影響分區(qū)進行研究時涉及到的內(nèi)容主要包括分區(qū)影響因素、分區(qū)準則以及輔助施工工程等[3]。本文以某城市地鐵線區(qū)間隧道近接建筑施工具體項目為例,對近接建筑施工工程影響分區(qū)開展分析與研究。
工程影響分區(qū)指的是在進行正常隧道工程項目施工過程中,基于相關(guān)準則,其對近接建筑物影響程度大小的區(qū)域劃分方法。通??梢詣澐殖蔀槿齻€區(qū)域,分別為無影響區(qū)域、弱影響區(qū)以及強影響區(qū)域。對于無影響區(qū)域不需要采取特殊的措施,按照常規(guī)施工措施進行施工即可;對于弱影響區(qū)域通常也不需要采取特殊的輔助措施,但需要對施工過程加強控制,避免造成不利影響;對于強影響區(qū)域則需要考慮通過專門的輔助措施開展施工工作。
對于地鐵隧道項目而言,需要穿過的地層區(qū)域相對較長,使得其地層條件變化情況顯著。為了方便計算,通常假設(shè)沿隧道所在區(qū)域的地質(zhì)具有相同的性質(zhì)。本研究在計算時將地層假設(shè)為連續(xù)的彈性體,并且通過摩爾-庫倫屈服準則進行計算,地面上的建筑物載荷均勻的分布在水平地面上。在充分結(jié)合工程實際情況以及近接施工工程影響分區(qū)特點的基礎(chǔ)上,地鐵區(qū)間隧道與建筑之間的關(guān)系進行抽象處理,結(jié)果見圖1。
圖1 抽象模型
假設(shè)地面上沒有建筑物時,開挖隧道的安全系數(shù)用K0表示。地面上存在不同類型和高度的建筑物時開挖隧道的安全系數(shù)用Ki表示,將上述的兩個參數(shù)作對比,可以得到安全比值ɑ,其中ɑ=Ki/K0,通過安全比值ɑ可以確定地面建筑物對隧道開挖安全程度造成的影響。其中ɑ越大說明影響程度越小,如果ɑ等于100%,則說明地面建筑物不會對隧道開挖安全造成影響。隧道拱頂與建筑基底之間的距離H越小,那么隧道開挖導(dǎo)致的潛在破裂區(qū)域就會延伸到建筑物地基中,影響程度就越大。相反的,如果H很大,那么潛在破裂區(qū)域不會對建筑物地基造成影響,這些區(qū)域只會集中在隧道拱頂附近。結(jié)合實際情況,本研究將三個影響區(qū)的界限劃分方法規(guī)定如下:強弱影響區(qū)域之間的界限為安全系數(shù)K隨H的變化曲線的突變點對應(yīng)的位置區(qū)域;ɑ幾乎接近100%的區(qū)域為弱無影響區(qū)域界限。
通過有限元軟件開展相關(guān)分析計算工作。計算時考慮到隧道長度較長,所以按照平面問題進行處理。為確保模型計算的準確性,設(shè)置隧洞左右邊界以及下邊界的區(qū)域范圍全部超過隧洞尺寸的4倍以上。隧洞頂部區(qū)域的大小則根據(jù)實際情況設(shè)置。模擬仿真分析時為簡化計算過程,節(jié)省模型分析計算的時間。忽略了一些因素的影響,比如爆破震動的影響。但不會對計算結(jié)果造成顯著影響。
本文所述的地鐵工程項目沿線地層變化幅度比較大。從上至下依次為土層、強風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖,對應(yīng)的厚度分別在2~15 m、2~13 m和2~25 m。仿真分析時假設(shè)所有的隧道圍巖具有相同的屬性,全部按照中風(fēng)化花崗巖的屬性進行設(shè)置,具體屬性參數(shù)如下:彈性模量和泊松比分別為5GPa和0.25,密度為24.5 kN/m3,粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為0.6 MPa和35°。
以某建筑物正好位于隧道上方為例進行仿真計算。建筑物的重量載荷以及基地的寬度分別為265 kPa和12 m,隧道高度以及跨度分別為6.5 m和6 m。計算了拱頂距離建筑基底的距離H的大小對隧道圍巖安全系數(shù)和潛在破裂區(qū)域的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)H不超過6 m時,隨著H值的不斷增大,安全系數(shù)以較快的速度增長。與此同時,潛在破裂區(qū)域延伸到了建筑基底區(qū)域。也就是說隧道施工會對建筑產(chǎn)生顯著的影響,建筑處在施工工程的強影響區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)H為6 m時,圍巖安全系數(shù)出現(xiàn)突變。也就是說H為6 m是強弱影響區(qū)域的分界。H超過6 m后,隧道圍巖安全系數(shù)隨著H的增大,其增大幅度非常小。當(dāng)H為18 m時,潛在破裂區(qū)域僅出現(xiàn)在隧洞附近區(qū)域,建筑基底附近的區(qū)域不存在任何問題。
隨著H的不斷增大,安全比值ɑ也隨之逐漸增大。當(dāng)安全比值ɑ在75%左右時,隧道開挖造成的潛在破裂區(qū)域正好不會對建筑基底造成影響。進一步對其他工況進行模擬分析得到了同樣的規(guī)律?;诖?,可以將安全比值ɑ等于75%時對應(yīng)的H值來劃分弱無影響區(qū)域?;谏鲜龅氖┕すこ逃绊懛謪^(qū)方法,本研究最終得到的強弱影響區(qū)域分界值為6 m,弱無影響區(qū)域的分界值為18 m。
以隧道寬度6 m和建筑物載荷265 kPa分別作為基礎(chǔ)寬度D0和基礎(chǔ)載荷P0。分析了建筑載荷P/P0、隧道跨度D/D0、水平距離L/D0、基底寬度B/D0四個影響因子對施工工程影響分區(qū)的影響。取P/P0為0.4、1、2、4,D/D0分別為1、2、3,L/D0分別為-1/2、1/2、3/2、7/2,B/D0分別為1、2、6?;谝陨瞎r條件建立模擬仿真模型進行分析計算,提取相關(guān)的結(jié)果進行研究和分析。以下詳細介紹四個影響因子對對施工工程影響分區(qū)的影響規(guī)律。
1)P/P0逐漸增加的時候,施工工程影響分區(qū)分界值總體上呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢,但是增大速度表現(xiàn)出兩頭大中間小的規(guī)律。說明地面上建筑的載荷大小會對工程影響分區(qū)產(chǎn)生非常強烈的影響。具體而言,當(dāng)P/P0為0.4時,強弱分界和弱無分界分別為0.5D和1.5D;當(dāng)P/P0為1和2時,強弱分界和弱無分界分別為1D和3D;當(dāng)P/P0為4時,強弱分界和弱無分界分別為1.5D和5D。
2)D/D0逐漸增大時,施工工程影響分區(qū)分界值逐漸降低,表明隧道跨度大小會對工程影響分區(qū)產(chǎn)生非常強烈的影響。當(dāng)D/D0為1時,強弱分界和弱無分界分別為1D和3D;當(dāng)D/D0為2時,強弱分界和弱無分界分別為0.75D和1.75D;當(dāng)D/D0為3時,強弱分界和弱無分界分別為0.5D和1.33D。
3)當(dāng)L/D0在-1/2~1/2范圍變化時,對施工工程影響分區(qū)分界值沒有任何影響。而當(dāng)L/D0超過1/2且不斷增加時施工工程影響分區(qū)分界值逐漸降低。當(dāng)L/D0為-1/2和1/2時,強弱分界和弱無分界分別為1D和3D;當(dāng)L/D0為3/2時,強弱分界和弱無分界分別為0和1D;當(dāng)L/D0為7/2時,強弱分界和弱無分界全部為0。
4)無論B/D0取多少,強弱影響區(qū)分界值始終保持不變,為1D。而當(dāng)B/D0為1時,弱無影響區(qū)分界值為2D;當(dāng)B/D0為2和6時,弱無影響區(qū)分界值均為3D。
某城市地鐵線穿過城市中心,需穿過高層辦公建筑的區(qū)域?qū)儆陔p洞單線隧道。隧道斷面尺寸分別為高度6.5 m、跨度6 m。隧道附近的建筑A投入使用已經(jīng)20年,主樓總共17層,其中地下2層、地上15層,裙樓總共4層,其中地下1層,地上3層。整個建筑的長度和寬度分別約為66 m和15.5 m,基底的埋深約為10 m左右。隧道行走方向與建筑中軸之間的夾角為45°,隧道頂板與基底之間的距離H在15~17 m范圍內(nèi),其中巖石覆蓋厚度約為7~10 m。附近一座建筑B投入使用已經(jīng)10年,該建筑總共29層,其中地下4層,地上25層,基底埋深在15 m左右,隧道頂板與基底之間的距離H在12 m左右,其中巖石覆蓋厚度為1~4 m。
隧洞穿越的這部分建筑區(qū)域表面覆蓋有厚度為9~15 m的土層,土層下面為花崗巖且顆粒比較粗大,局部地方還存在有脈巖。強風(fēng)化花崗巖的厚度在5~7.8 m,部分花崗巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象,經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)圍巖級別屬于Ⅴ級。中風(fēng)化花崗巖覆蓋厚度在9.8~12 m范圍內(nèi),屬于比較容易破碎的軟巖,檢測發(fā)現(xiàn)花崗巖級別屬于Ⅲ級。
在計算建筑物載荷時按照層數(shù)進行計算,其中地下每層根據(jù)40 kPa計算,地上每層根據(jù)15 kPa計算。根據(jù)以上計算方法,可以計算得到兩個建筑的載荷分別為305 kPa和535 kPa。假設(shè)隧道正好從兩個建筑中間穿過,根據(jù)上節(jié)計算結(jié)果可以知道,兩棟建筑物的強弱影響區(qū)域分界值以及弱無影響區(qū)域分界值分別是6 m和18 m。根據(jù)兩棟建筑基底與隧道頂板之間的距離H可以得出結(jié)論:建筑A處在弱影響區(qū)域,建筑B處在強影響區(qū)域。
本文所述的地鐵隧道工程項目已經(jīng)完成施工并交付使用。在隧道施工過程中,為了確保施工安全,對隧道圍巖以及附近建筑物的沉降情況進行了系統(tǒng)、全面的監(jiān)測。根據(jù)當(dāng)前階段執(zhí)行的規(guī)范標準以及工程項目設(shè)計要求,在隧道開挖過程中,如果能夠?qū)⑺淼莱两盗靠刂圃?6 mm以內(nèi),并且變形速率控制在每天2 mm,就認為是滿足要求的。經(jīng)過系統(tǒng)全方位的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)隧道開挖過程中建筑A的最大沉降量大約為5 mm,最快的沉降速度為每天1.35 mm,完全能夠滿足相關(guān)規(guī)范標準以及設(shè)計要求。建筑A屬于弱影響區(qū)域,所以在施工過程中沒有采取任何措施,施工過程沒有對建筑A產(chǎn)生較大的影響。對于建筑B,經(jīng)過本文的計算分析可知,屬于強影響區(qū)域范圍,經(jīng)過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)建筑B的基礎(chǔ)最大沉降量達到了20 mm,已經(jīng)超過了規(guī)范標準要求。為了對建筑B的變形進行控制,在隧道開挖過程中,在建筑周邊以及隧道拱頂?shù)葏^(qū)域進行了注漿處理,以達到加固的目的。通過輔助施工措施有效避免了建筑B的繼續(xù)沉降,確保了安全。
本文利用有限元仿真軟件分析的地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程影響分區(qū)結(jié)果,達到了預(yù)期效果,與實際情況非常吻合。
本文詳細闡述了地鐵區(qū)間隧道近接建筑施工工程影響分區(qū)相關(guān)理論和方法。將本文提出的施工工程影響分區(qū)方法應(yīng)用到某地鐵隧道施工工程項目中,取得了較好的應(yīng)用效果,預(yù)測結(jié)果與實際情況非常吻合。
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