建筑结构上跨多重隧道结构施工安全影响分析★

杨 明，郑晓卿，张雨帆，陈礼明

(1.温州市交通工程管理中心,浙江 温州 325000; 2.浙江数智交院科技股份有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

随着城市建设用地逐渐紧张,房建工程建设与既有交通隧道相交的情况越来越多。房建基坑开挖和后续结构施工会改变围岩的应力状态,破坏既有隧道原有的受力平衡[1],导致既有隧道结构位移和受力的变化。隧道结构是变形控制极为严格的地下构筑物,尤其轨道隧道结构。建筑结构施工前必须进行严格的安全影响评估,避免对既有隧道结构与运营造成安全隐患。

鉴于此,针对房建施工对既有隧道结构安全影响评估国内外有较多相关研究,在理论计算方面,魏纲[2]、郭鹏飞等[3]基于基坑开挖对下卧盾构隧道影响的工程案例统计分析,得到隧道最大隆起变形预测模型;张治国[4]、周泽林等[5]建立土体附加应力对隧道影响的控制微分方程,进而得到隧道纵向位移和内力计算表达式。数值模拟方法在实际应用研究中愈加广泛,伍尚勇等[6]采用Midas/GTS数值模拟与实测数据对比分析,研究了广州某临近地铁隧道双侧深基坑按不同顺序开挖对穿越期间已运营地铁隧道影响。袁静等[7]以杭州某综合体施工为背景,结合分层总和法、PLAXIS有限软件对粉砂土地基降水和基坑开挖对临近隧道基础沉降的叠加影响分析。高广运运用FLAC-3D模拟上海某临近地铁隧道基坑施工,研究单侧基坑开挖对隧道工程影响并提出应对措施;徐长节等[8]采用Abaqus有限元数值模拟与简化的规范角点法对比分析,评价隧道上方基坑开挖和后续结构施工对既有公路隧道的影响。

针对建筑结构跨多重既有隧道结构施工的工程案例与工程影响研究较少。因此,本文结合某上跨多重隧道的建筑结构施工,基于地层-结构法和荷载-结构法,利用Midas-GTS有限元模拟施工过程,从位移量、结构安全系数等多方面既有隧道结构安全进行安全影响评估,研究方法和结论可为类似工程提供参考。

1 工程背景与风险特性

1.1 工程概况

本房建项目为一栋地上4层、地下1层的社区管理综合楼,采用钢结构,建筑基础采用独立基础和桩基础。

本项目位于某公路交通隧道正上方,某轨道交通线隧道的侧上方,两工程线路平面逐渐靠近至重叠,三者平面关系如图1所示。建筑基础直接作用于公路隧道中墙,公路隧道位于轨道隧道正上方,三者竖向上相重叠,剖面位置关系如图2所示。公路隧道为双向四车道城市隧道,明挖Ⅳ型隧道衬砌。轨道隧道为单洞双线隧道,隧道断面形式B型断面,采用控制爆破CD法开挖。

施工过程中,受基坑开挖、结构施作、场地回填等扰动,轨道区间隧道原有应力平衡状态重新调整,进而产生影响。为保障隧道结构与运营安全必须进行结构安全影响评估。

1.2 风险特性

根据CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[9],两座隧道与外部作业水平净距为0,施工作业区域属于强烈影响区,接近程度属于非常接近。依据规范项目影响等级判定表确定房建项目的实施对公路与轨道隧道结构影响程度为特级。项目主要风险有:

1)开挖卸荷将引起围岩内部的应力调整和变形,隧道结构也产生一定的变形,故需结合地层结构法对区间结构的变形进行验算。2)项目建成后,新建项目的基础荷载可能传递至区间隧道结构上,从而改变作用在其上的既有荷载。因此,需要重新计算项目建成后区间结构上承载能力与裂缝宽度。

2 既有隧道位移影响分析

2.1 模型构建

为研究该工程基坑开挖及后续建筑荷载施加对隧道位移的影响,选取地层-结构模型进行分析,采用Midas-GTS有限元分析软件建立二维工程模型。模拟剖面选取风险等级最高最不利的剖面1-1,计算模型如图3所示。

对填土、岩体采用Midas/GTS自带的Mohr-Coulomb本构模型,其余采用弹性模型。地层结构计算过程中,左、右侧边条法向约束,底部边界固定。按照基坑开挖、建筑加载、场地回填施工过程进行模拟,具体分析步骤如下:

1)初始应力计算,位移清零。2)轨道区间隧道施工,位移清零。3)公路隧道基坑开挖。4)公路隧道结构施工。5)公路隧道结构两侧及顶部回填,位移清零。6)社区用房基坑开挖。7)社区用房上部结构基础荷载施加。8)地面恢复至设计标高。

2.2 参数取值

土体力学参数根据《某工程地质详细勘察报告》确定,具体力学参数见表1。计算过程中,在模拟公路隧道开挖时,考虑轨道区间隧道爆破施工引起的围岩损伤,将岩土层的参数折减80%;在模拟上部基础开挖时,主要考虑公路隧道施工时采用机械开挖,围岩损伤较小,再将岩土层参数折减90%。

表1 计算采用岩土力学参数

2.3 计算结果

2.3.1 公路隧道结构位移分析

施工引起隧道的竖向变形量总体大于横向变形量,因此主要考虑竖向变形的影响。建筑结构基坑施工将引起区间隧道周边围岩的整体上隆,公路隧道靠近施工场地一侧的左侧顶板跨中位置上隆量达到2.17 mm,如图4所示。建筑结构施工完成后,建筑结构的荷载将抵消基础开挖施工引起的隆起变形,并引起围岩沉降,公路隧道中墙及顶板左侧沉降量较大,达到7.40 mm,如图5所示。回填土体荷载将进一步加大围岩沉降变形,隧道沉降变形增加至7.43 mm,如图6所示,此状态为隧道结构最不利状态。而施工过程中横向位移量最大为0.82 mm,远小于竖向位移量。

2.3.2 轨道隧道结构位移分析

施工过程引起轨道隧道变形过程与公路隧道近似,位移量不同。基坑开挖后,轨道隧道结构靠近建筑结构一侧的左拱肩至左拱脚竖向上隆量最大,达到0.79 mm,如图7所示。房建完成后,轨道隧道结构变形由上隆变形转为沉降,相同位置的最大沉降量为4.94 mm,如图8所示。场地回填后轨道隧道进一步沉降,最大沉降为5.06 mm,如图9所示。施工过程中轨道隧道横向位移量最大为1.12 mm,远小于竖向位移量。

项目实施对轨道区间结构的变形影响较小,施工过程中仰拱的最大竖向变形约为3.45 mm,横向变形约为0.72 mm。

计算采用岩土力学参数(见表1)。

2.4 结果分析

CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范规定城市轨道交通结构安全控制指标值应符合:隧道的水平和竖向位移预警值小于10 mm,轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于4 mm。

公路隧道结构最大横向位移约为0.6 mm,最大竖向位移约为7.43 mm;轨道隧道结构的最大横向位移约0.4 mm,最大竖向位移约5.06 mm,均远远小于规范规定的10 mm,拟建项目基坑开挖与建筑加载不影响隧道结构的安全。

轨道隧道区间结构仰拱的最大竖向位移约3.45 mm,最大横向位移约0.3 mm,因而引起的轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于规范规定的4 mm,拟建项目的建设与运营不影响轨道隧道的安全运营。

3 既有隧道结构承载安全分析

3.1 隧道结构承载安全分析方法

采取荷载-结构法求取衬砌结构内力,荷载-结构法是将岩体对结构的围岩压力作用简化为荷载直接施加于结构上进行内力计算,通过计算所得的内力进行分析,从而达到检验结构安全性的目的[10]。

利用Midas GTS NX计算软件计算结构受力,模型建立过程中,地基岩土体对衬砌结构约束作用简化为仅受压弹簧单元,其弹性抗力系数大小反映地基对衬砌结构约束作用的强弱;衬砌结构简化为梁单元,其材料类型为钢筋混凝土,其断面宽度为二衬混凝土厚度,纵向长度为1 m;松散岩土体对衬砌结构的作用简化为竖向荷载与水平荷载,具体模型参数参考2.2节。

根据JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范[11]规定钢筋混凝土按荷载基本组合求得的结构安全系数不应小于1.7,GB 50010—2010混凝土结构设计规范[12]规定钢筋混凝土衬砌结构构件,按荷载基本组合求得的最大裂缝宽度ωmax不应大于0.2 mm,计算隧道衬砌的安全系数与裂缝宽度分析隧道结构安全。

3.2 公路隧道结构承载安全分析

3.2.1 公路隧道结构荷载

项目建设后,作用在公路隧道结构上的荷载包括竖向围岩压力、侧向围岩压力、建筑主基础附加集中荷载。

结构左侧覆土高度1.9 m,右侧覆土高度6.1 m,填土完成后隧道为超浅埋,作用于衬砌结构上的荷载求取方法参照JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范中超浅埋隧道荷载求值方法。结构施工完成后,一排基础结构落于公路隧道中墙上,如图1所示,建筑荷载选取最右侧最大基础荷载,建筑基础集中荷载为4 050 kN。考虑建筑结构传递下来的荷载和覆土荷载,不考虑纵向扩散,作用在公路隧道总荷载如图10所示。

3.2.2 公路隧道安全系数与裂缝宽度

荷载变化后,公路隧道结构的弯矩和轴力分布如图11所示,隧道右侧顶板跨中和顶板中墙位置弯矩最大,达到1 067.9 kN·m和-1 378.1 kN·m。根据规范计算该位置处安全系数与裂缝宽度,计算结果如表2所示。公路隧道顶板中墙受影响较顶板跨中更为不利,顶板中墙的安全系数为2.45,裂缝宽度为0.18 mm,能够满足规范要求,因此建筑结构施工不会影响公路隧道的结构安全。

表2 公路隧道截面安全系数与裂缝宽度验算

3.3 轨道隧道结构承载计算

3.3.1 轨道隧道结构荷载

项目建设后,作用在轨道区间结构上的荷载包括:公路隧道基底传递的竖向荷载、侧向荷载及公路隧道基底以下围岩竖向荷载与侧向压力。

利用Midas GTS NX计算软件计算公路隧道的围岩抗力,公路隧道围岩抗力分布如图12所示。然后根据围岩抗力提取地基反力,地基反力如图13所示,取3个峰值段的平均值作为公路隧道基底传递荷载。

将公路隧道地基反力作为荷载作用在轨道区间隧道上,公路隧道基底荷载传递示意图如图14所示,传递至轨道隧道的荷载q1=113.9 kN/m,q2=58.3 kN/m,q3=146.6 kN/m。同时考虑作用在区间隧道覆土荷载,作用在轨道区间的总荷载分布图如图15所示。

3.3.2 轨道隧道安全系数与裂缝宽度

房建施工作用下轨道隧道衬砌的弯矩与轴力分布图如图16所示,在建筑完工后荷载作用下,拱顶位置弯矩和轴力最大,拱肩次之。因此针对拱顶和拱肩计算其截面安全系数和裂缝宽度,结果如表3所示,隧道拱顶的安全系数为3.00,裂缝宽度为0.11 mm,大于拱肩位置。隧道的截面安全系数与裂缝宽度均满足规范要求,因此新建建筑结构不会影响既有轨道隧道安全。

表3 公路隧道截面安全系数与裂缝宽度验算

4 施工现场监测对比

为了保证在房建项目实施过程中既有隧道结构安全,对房建项目附近100 m的隧道进行沉降与收敛监测、裂缝监测。重点监测公路隧道顶板跨中与顶板中墙部位,以及轨道隧道拱顶和拱肩部位。

实测位移量与计算位移量较为接近。实测公路隧道在基坑开挖、附属结构加载、场地回填三个阶段的竖向位移量最大值分别为1.56 mm,5.23 mm,5.87 mm,均在计算值2.17 mm,7.40 mm,7.43 mm的安全范围内。轨道隧道实测值分别为0.4 mm,3.85 mm,4.23 mm均在计算值0.79 mm,4.94 mm,5.06 mm安全范围内。

施工过程中在公路隧道顶板跨中部位发现一条宽度约0.11 mm,长度约2.8 cm裂缝,并未继续发育,符合相关规范(见表3)。整体而言,评估结果与实际施工结果一致。

5 结论

本文依托建筑结构跨多重既有隧道结构施工项目,结合地层-结构法和荷载-结构法分析了建筑结构施工对叠加的两种隧道的位移、受力等影响,并评估了施工对既有隧道结构安全性的影响。得到以下结论:

1)基坑开挖导致既有隧道产生隆起变形,建筑结构施工及场地回填导致既有隧道沉降变形,靠近施工场地一侧隧道位移量最大。施工荷载作用下公路隧道的顶板跨中及顶板中墙、轨道隧道的拱顶及拱肩的轴力和弯矩较大。

2)公路隧道和轨道隧道的最大竖向位移分别为7.43 mm,5.06 mm,均小于CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范规定的10 mm。

3)轨道隧道结构仰拱的最大竖向位移约3.45 mm,最大横向位移约0.72 mm,引起的轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于CJJ/T 202—2013城市轨道交通结构安全保护技术规范规定的4 mm。

4)公路隧道和轨道隧道的结构安全系数分别为2.45,3.0,最大裂缝宽度分别为0.11 mm,0.18 mm,满足规范要求。

5)施工过程中对影响区域的监测结构均小于计算结果,建筑结构施工对既有隧道安全未造成影响。