張常委， 朱小秀， 彭 帥

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031； 2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市居住人口總量和密度不也斷增長，各類高層建筑和基礎(chǔ)設(shè)施越來越多，地面可利用土地資源有限、交通擁堵等問題日漸突出，影響著城市的可持續(xù)發(fā)展[1]。為節(jié)省土地資源，充分利用地下空間，近年來城市地鐵工程逐漸增多，而城市地鐵在施工過程中將會(huì)不可避免的出現(xiàn)工程近接既有建筑物施工的情況，對(duì)既有建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成一定的影響[2-3]。目前，礦山法修建隧道具有實(shí)施條件限制小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜受限城市隧道修建過程中得到了廣泛的應(yīng)用[4]，但礦山法隧道在近距離下穿既有建筑物施工期間建筑物結(jié)構(gòu)的沉降情況難以控制，在施工過程中極易導(dǎo)致既有建筑物結(jié)構(gòu)的變形破壞，故對(duì)隧道下穿既有建筑物期間的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究極其必要。

1 工程概況

深圳地鐵6號(hào)線一期工程連接龍華、石巖、光明、公明、松崗等地區(qū)，建成后將極大方便沿線市民出行，對(duì)帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)城市空間結(jié)構(gòu)完善具有重要意義。

受既有別墅建筑群的影響，深圳地鐵大浪站—石巖站區(qū)間隧道在入洞口穿越3棟2層和2棟4層別墅。為更準(zhǔn)確地了解隧道開挖對(duì)地表建筑物的擾動(dòng)及近接施工的安全性，在隧道上方地表布置了四處測點(diǎn)，監(jiān)測地表的沉降情況(依據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)及專家意見，判定該項(xiàng)目施工時(shí)地表沉降的安全限值為30 mm)。隧道與別墅區(qū)的平面位置關(guān)系及測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 大石區(qū)間入洞口下穿素王食品廠平面

受地質(zhì)條件及其他施工因素的影響，隧道在此區(qū)域內(nèi)采用礦山法進(jìn)行隧道下穿既有建筑物的施工，既有建筑物與隧道之間的間距為11.20～25.87 m。礦山法隧道下穿既有建筑群期間隧道圍巖情況如圖2所示，地層由上及下依次為：<5-2>砂質(zhì)黏性土(Qel，巖土施工工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)普通土)、<6-1>全風(fēng)化花崗巖(γ53，巖土施工工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)硬土)、<6-2-1>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(γ53，巖土施工工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)硬土)、<6-3>中等風(fēng)化花崗巖(γ53，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ-Ⅴ級(jí))、<6-4>微風(fēng)化花崗巖(γ53，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ-Ⅳ級(jí))。

圖2 大石區(qū)間隧道下穿既有建筑物結(jié)構(gòu)縱斷面

隧道洞身位于<6-1>、<6-2-1>、<6-3>地層，屬于上軟下硬地層，圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)，圓形隧道直徑為8 m，采用環(huán)形臺(tái)階法進(jìn)行開挖，如圖3所示，各地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于隧道所在地層圍巖情況較為軟弱，因此隧道采用礦山法開挖期間其上方建筑物極易受施工擾動(dòng)而產(chǎn)生較大的沉降位移，故提出小凈距礦山法隧道下穿建筑群施工關(guān)鍵技術(shù)，并采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場工程實(shí)踐相互結(jié)合的方式驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。

圖3 環(huán)形臺(tái)階法分部開挖示意

2 隧道下穿既有建筑物期間地表沉降特性數(shù)值模擬分析

2.1 摩爾-庫倫力學(xué)模型

考慮到隧道開挖及圍巖擾動(dòng)的特點(diǎn)，本文采用摩爾庫倫彈塑性模型模擬土體的力學(xué)特征[5]，其屈服準(zhǔn)則為：

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

(1)

FLAC3D對(duì)剪塑性流動(dòng)和拉塑性流動(dòng)分別進(jìn)行定義，并且對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)法則[6]。剪塑性流動(dòng)對(duì)應(yīng)非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，勢函數(shù)為：

Qs=σ1-σ3NΨ

(2)

拉塑性流動(dòng)對(duì)應(yīng)相關(guān)流動(dòng)法則，勢函數(shù)為：

Qt=σ3

(3)

2.2 模型建立及數(shù)值分析

根據(jù)地質(zhì)詳勘揭示的地層沿隧道縱向分布特征，對(duì)數(shù)值模型中各地層進(jìn)行劃分，各地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。數(shù)值模擬時(shí)假定地層各向同性、均勻等效連續(xù)介質(zhì)，邊界條件：隧道小里程自由面，沿縱向取90 m，左右側(cè)取21 m，隧道上方取至地面，隧道下方取18 m，模型前后左右及底部限制垂直于面的位移，模型上部為自由邊，別墅荷載按照每層15 kPa作為超載施加。數(shù)值模擬模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值模型

隧道施工的順序?yàn)?施作大管棚、小導(dǎo)管→隧道按0.75 m進(jìn)尺開挖→施做錨桿→施做初支→隧道開挖撐→依次按照0.75 m進(jìn)尺開挖、施做二襯→隧道下穿別墅區(qū)貫通。其中模擬單元的選取如下：大管棚、小導(dǎo)管采用FLAC3D中Beam[4]單元進(jìn)行模擬，初支、二襯按照實(shí)體單元模擬，而由于錨桿的作用主要通過注漿加固地層進(jìn)行體現(xiàn)，因此在數(shù)值模擬中未建立相應(yīng)的錨桿結(jié)構(gòu)單元，而是通過將提升錨桿注漿圈地層的力學(xué)參數(shù)來予以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況及施工經(jīng)驗(yàn)，在數(shù)值模擬中設(shè)置大管棚、小導(dǎo)管、錨桿共同形成的注漿圈范圍為2 m，各支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)如表2～表4所示。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)各個(gè)施工步驟下，監(jiān)測點(diǎn)豎向位移進(jìn)行整理，監(jiān)測點(diǎn)JLF19、JLF20、JLF21、JLF22豎向沉降值分別為8.6 mm、9.1 mm、14.7 mm、8.2 mm，各施工階段監(jiān)測點(diǎn)豎向沉降的變向曲線，見圖5。施工期間位移云圖，見圖6。

圖5 地表沉降

圖6 豎向位移云圖

由圖5、圖6所給數(shù)據(jù)可知，由于進(jìn)尺較小及采取了較強(qiáng)的支護(hù)和控制擾動(dòng)措施，隧道開挖期間及結(jié)束后，地表總的位移較小，均在安全范圍內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果表明小凈距礦山法隧道下穿建筑群施工是可行和安全的。

3 礦山法隧道下穿既有建筑物關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地層變形控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 隧道施工方法

深圳地鐵大浪站—石巖站區(qū)間隧道因鐵路部門對(duì)下穿廣深港客運(yùn)專線隧道有特殊要求，故采取TBM施工工法。為解決TBM掘進(jìn)要求，下穿別墅區(qū)采用礦山法施工，礦山法隧道初支、二襯施工完畢后，TBM空推。隧道采用“環(huán)形臺(tái)階法”開挖工法，以小型機(jī)械配合人工開挖為主，局部爆破為輔，單次進(jìn)尺0.75 m，采取“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”十八字方針動(dòng)態(tài)施工管理。

3.1.2 隧道輔助施工支護(hù)

(1)注漿大管棚。大管棚采用φ108無縫鋼管(壁厚8.0 mm)，拱頂120 °設(shè)置，環(huán)向間距0.4 m，外插角約為1 °，大管棚內(nèi)灌注水泥漿。

(2)超前注漿小導(dǎo)管。小導(dǎo)管采用φ42熱軋鋼管(壁厚3.5 mm)，拱頂120 °設(shè)置，長度3.0 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距1.5 m，外插角為7～10 °，小導(dǎo)管內(nèi)灌注水泥漿。大管棚和小導(dǎo)管的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 大管棚和小導(dǎo)管支護(hù)力學(xué)參數(shù)

(3)系統(tǒng)錨桿。沿隧道側(cè)墻(拱腰)部位設(shè)置中空注漿錨管，長度3.0 m，環(huán)向間距1.0 m，縱向間距0.5 m.大管棚、小導(dǎo)管、錨桿共同形成的注漿圈地層力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 注漿圈地層力學(xué)參數(shù)

(4)初支及二襯。初支和二襯由C20和C35混凝土進(jìn)行支護(hù)，其支護(hù)參數(shù)如表4所示。

表4 初支和二襯參數(shù)

3.2 地下水滲流控制措施

隧道洞頂距別墅最小距離僅11.2 m，隧道洞身位于中風(fēng)化花崗巖地層，地層滲透系數(shù)較大，隧道開挖時(shí)將出現(xiàn)毛洞和掌子面滲水，引起地下水流失導(dǎo)致地表沉降加大。為有效控制地下水流失，采取深孔預(yù)注漿和地表注漿預(yù)加固措施，加固范圍為隧道輪廓外3 m，加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s。經(jīng)研究，隧道外圍加固3 m，滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s時(shí)，隧道失水對(duì)地下滲流場的影響范圍為3 m，3 m外范圍的孔隙水壓力保持不變。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測方案及結(jié)果分析

為動(dòng)態(tài)施工管理、信息化施工，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件和規(guī)范要求，在既有別墅外輪廓設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)，詳見圖1，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm。

隧道開挖期間對(duì)對(duì)別墅區(qū)監(jiān)測點(diǎn)按照1次/d頻率進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)JLF19、JLF20、JLF21、JLF22的最終豎向沉降分別為：8.8 mm、9.6 mm、15.4 mm、7.0 mm，監(jiān)測期間監(jiān)測點(diǎn)各月最大豎向沉降的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)豎向位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道開挖對(duì)地面建筑物的影響處于安全狀態(tài)，地表沉降未超過安全限制(30 mm)，監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際沉降趨勢與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)及趨勢基本一致，兩者之間最大差值為10.4 %，實(shí)際沉降值大于數(shù)值模擬沉降值。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較可得出以下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)均顯示地表沉降數(shù)據(jù)小于安全限值，說明小凈距礦山法隧道下穿既有建筑物施工是安全可行的。

(2)數(shù)值模擬得出的沉降與實(shí)際沉降數(shù)據(jù)趨勢一致，最大沉降誤差為10.4 %，說明數(shù)值模擬是準(zhǔn)確可信的。

(3)提出的礦山法隧道下穿既有建筑物關(guān)鍵技術(shù)能夠有效的控制地表沉降，確保小凈距隧道下穿既有建筑群施工期間的安全性，該項(xiàng)目的研究可為其他工程提供參考。