地铁隧道暗挖施工对既有建筑桩基的影响分析

程邦富， 张有桔， 汪光裕

(安徽省交通规划设计总院股份有限公司；公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

某市轨道交通6号线区间隧道K19+147～K19+164段右线右侧约9 m为现状安置房5#楼。根据资料显示,该建筑为地上11层,无地下室,采用桩基础,桩底标高为279～288 m。建筑物基础与区间隧道顶板间中等风化岩石厚约12.5 m,根据三角关系,隧道位于该建筑物的应力扩散角内,隧道开挖对建筑物桩基影响大。该段区间隧道覆土深度约21.54 m,桩基底距隧道顶部最小距离为7.49 m,隧道位于砂质泥岩中,临近建筑物范围采用非爆开挖施工,隧道结构型式为单线单洞马蹄形断面。建筑物桩基础与隧道相对位置剖面图如图1所示。

图1 区间隧道与安置房桩基础剖面位置示意图

由于区间隧道距离现状安置房较近,房屋结构对沉降、倾斜变形控制要求较高,故该段区间隧道施工的重点难点是如何将区间隧道暗挖施工对既有建筑物桩基的影响降至最低。

依据新奥法原理,对该段区间隧道洞身结构进行设计,采用初支+二衬的复合式衬砌。初期支护包含:架立型钢钢架、超前注浆锚杆、挂钢筋网+喷射混凝土等,二次衬砌为现浇钢筋混凝土结构,EVA防水板+无纺土工布构成隧道防水体系,设置于初期支护和二次衬砌之间,有效防水。该段区间隧道洞身结构参数见表1。

表1 支护参数一览表

经研究确定隧道采用CD法施工,隧道施工开挖顺序为:超前注浆支护——导洞开挖及支护——主洞开挖并及时支护——仰拱封闭——临时支护拆除——施作二次衬砌。并在合理位置布设监测点,区间隧道开挖施工过程中应及时进行监控量测、数据整理,及时反馈隧道变形、围岩应力等监测信息,用于指导区间隧道施工。

2 计算模型

分析模型以某市轨道交通6号线临近现状安置房5#楼的区间隧道为研究对象,隧道高度为8.38 m,跨度为11.16 m。本项目分析模型建立时综合考虑“边界效应”的原则及开挖的影响范围,计算模型大小确定为:X方向(宽度)上,由隧道中心线向两边分别延伸至4倍隧道跨度;Y方向(高度)上,隧道顶板覆土取隧道的实际埋深,隧道底部往下延伸至4倍隧道高度,模型各边界施加相应方向的约束。每个桩基荷载按2.5MPa考虑。既有建筑物的桩基及隧道二次衬砌本构模型按照基于弹性理论分析的弹性模型考虑,隧道洞周的围岩按照基于弹塑性理论分析的摩尔-库仑模型考虑。

隧道开挖过程分析模拟为:① 初始地应力→② 桩基开挖→③ 灌入桩基混凝土→④ 桩基加载→⑤ 开挖隧道左半部分→⑥ 左半部分锚喷及施作临时钢拱架→⑦ 开挖隧道右半部分→⑧ 右半部分锚喷及拆除临时钢拱架→⑨ 边墙及仰拱二次衬砌施作。

由于本次计算主要考虑区间隧道暗挖施工时围岩变形及对既有建筑物桩基的影响,故在步序④完成后对整体位移清零,再进行隧道开挖模拟。建立模型如图2所示。

图2 模型整体示意图

3 计算结果分析

3.1 隧道洞周的围岩变形分析

有限元模型计算分析时,结合施工步序安排及现场实际情况,选取隧道施工过程中(单侧开挖完成)、隧道施工的最终状态(二衬完成后)两个开挖步的计算结果进行研究,同时为便于研究隧道施工对临近桩基的影响,选取目标面位置处隧道拱顶和拱底特征点进行分析,监测特征点的位移随隧道开挖的变化规律。隧道洞周的围岩变形及特征点位移变化规律如图3～图5所示。

图3 隧道施工过程中围岩竖向变形云图

图4 隧道二衬施作后围岩竖向变形云图

图5 隧道拱顶、拱底监测点竖向位移变化曲线图

从洞周的围岩变形及特征点位移变化结果可得出:隧道洞周围岩的竖向位移随着隧道分步开挖的进行逐渐增大,且其影响范围具有同样规律,即逐渐扩大;从隧道开挖的最终状态来看,隧道拱顶特征点的最大沉降值约为2.92 mm,拱底特征点的最大隆起值约为3.74 mm。隧道开挖后及时支护,能有效保证围岩的稳定性,隧道开挖施工过程中应及时进行监控量测、数据整理,并及时反馈隧道变形、围岩应力等监测信息,用于指导区间隧道施工,确保隧道处于稳定状态。

3.2 既有建筑物桩基的影响分析

现状安置房5#楼采用桩基础,设计桩入土深度为15.40～15.66 m,嵌入基岩1.6 m左右,初始地应力计算时桩受力情况如图6所示。

图6 初始应力状态桩竖向位移云图

该段隧道开挖必然对现状安置房5#楼的桩基产生影响,为了研究既有建筑物的倾斜变形规律,建模时预先在桩基础底部设置了3个监测点,分别为图7中的A、B、C监测点,从隧道开挖至二衬施作后,各监测点累计变形情况如下:A点下沉0.748 mm,B点下沉0.453 mm,C点下沉0.296 mm。

图7 基础监测点布置图

AB边倾斜角为:

BC边倾斜角为:

综上所述,在隧道开挖过程中现状安置房5#楼的倾斜值满足相关要求。

3.3 现状安置房5#楼的处理措施

为减小隧道施工对既有建筑物桩基的影响,施工过程中,采取如下措施对现状安置房5#楼进行保护:

(1) 严格采用非爆破施工。

(2) 提高隧道洞周的支护参数,加强支护。

(3) 小循环开挖,减小影响范围,并及时支护,尽早封闭围岩。

(4)及时对初期支护及二衬背后进行注浆。

(5)勤量测,信息及时反馈,以便指导施工。

4 结 论

本文针对某市轨道交通6号线区间隧道穿越现状安置房5#楼工程,采用有限元软件建立仿真模型,进行模拟分析,研究了该区间隧道暗挖施工引起的周围土体位移以及建筑物桩基础位移情况。结果表明:隧道暗挖施工采取的CD工法能够有效降低对既有建筑物桩基础的影响,施工过程中严格按照技术要求施工,并辅以相关处理措施,即可把风险控制在标准范围之内,暗挖施工对既有建筑物桩基础的影响是很小的。