北京地鐵暗挖區(qū)間隧道地表沉降控制方案研究摘 要:結(jié)合具體工程的概況,分析了區(qū)間隧道施工對樓群的不利影響,采用有限元方法進(jìn)行模擬,對可行的幾種加固方案進(jìn)行比較,從而選擇出最優(yōu)加固方案,以指導(dǎo)施工。關(guān)鍵詞:區(qū)間隧道,加固方案,地表沉降,監(jiān)控量測引言 北京地鐵10號線勁松站至終點(diǎn)站區(qū)間隧道周圍條件極為復(fù)雜,尤其是要近距離穿越幾棟居民樓,最高的有16層、最低的有3層,在復(fù)雜的地質(zhì)條件下施工必須確保居民樓的絕對安全,而且做到施工期間不擾民,因此,安全保障措施必須絕對可靠,決定對靠近居民樓的區(qū)間隧道采用人工挖孔樁加固,以下就幾種加固方案的加固效果進(jìn)行研究,選取最優(yōu)加固方案。1工程概況1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件 該區(qū)間隧道穿越地段地表主要為東三環(huán)東側(cè)輔道路面,沿線的建筑物主要有農(nóng)光里小區(qū)(3棟永6,1棟永3)、內(nèi)燃機(jī)廠農(nóng)光里宿舍(1棟永6,1棟永5,1棟永15)、龍輝大廈(永16),高層建筑距地鐵最近距離為4.3ｍ～6.55ｍ,受地鐵影響大。區(qū)間線路均在第四紀(jì)地層中穿過,隧道頂部覆土厚度為13ｍ～17ｍ。 該區(qū)間主要由人工堆積層、第四紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚世沖洪積層組成。區(qū)間線路均在第四紀(jì)地層中穿過,隧道洞身主要穿過地層為中粗砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)中砂。 勘測深度范圍內(nèi)測量到三層地下水,第一層為上層滯水,水位埋深5.7ｍ;第二層為潛水,水位埋深11.8ｍ～13.0ｍ;第三層為層間潛水,水位埋深19.7ｍ～21.8ｍ。1.2周圍環(huán)境狀況 勁終區(qū)間靠近居民樓段隧道為一大跨隧道和小段面隧道兩條隧道,其中居民樓在大段面隧道一側(cè),小段面隧道施工采用臺階法,大段面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。典型段面開挖寬度為14.428ｍ,開挖高度為9.18ｍ,支護(hù)形式為復(fù)合式襯砌。2區(qū)間隧道施工對樓群的不利影響 由于暗挖隧道開挖跨度達(dá)14ｍ,覆土僅為1倍洞徑左右(13ｍ～17ｍ),上覆地層難以形成承載拱,上覆土柱荷載較大。 區(qū)間隧道施工對高層居民樓安全是不利的,主要表現(xiàn)在[1]:
1)區(qū)間隧道跨度大,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工[1],施工步驟多加之需降水,造成對樓房基礎(chǔ)地層的多次擾動,如沒有穩(wěn)妥可靠的技術(shù)措施保證,疊加后可能產(chǎn)生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來致命的危害。2)區(qū)間隧道,在初支施工過程中隨著開挖在樓房靜載作用下土層應(yīng)力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降[3]。3加固方案 為了控制開挖引起的地表沉降,避免對附近的居民樓造成影響,決定采取以下三種方案進(jìn)行加固,為了研究各方案的加固效果,決定采用有限元進(jìn)行模擬,找出最佳加固方案,并提出建議。 1)在靠近房屋一側(cè)施作直徑0.8ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。2)在靠近房屋一側(cè)施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。3)在靠近房屋一側(cè)施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁,并對左右線隧道之間的土體進(jìn)行注漿加固改良(水泥漿或水泥砂漿),同時對靠近住宅一側(cè)的土體進(jìn)行注漿加固改良。4 加固方案的數(shù)值模擬4.1 計算模型 采用平面三角形單元,隔離樁用梁單元模擬,其他均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,小導(dǎo)管加固地層,加固厚度取20ｃｍ,地面活載和房屋荷載均取20ｋＮ,計算范圍兩邊均取兩隧道最外側(cè)距離的3倍,隧道底部取隧道高度的5倍距離,拱頂以上取到地表。加固挖孔樁位置在右側(cè)隧道邊墻外3.5ｍ處,樁長取隧道底部以下3.5ｍ,房屋位置設(shè)想隧道邊墻外4ｍ處。采用同濟(jì)曙光有限元計算軟件進(jìn)行分析。計算參數(shù)取值如表1所示。4.2 計算結(jié)果 計算時先采用臺階法開挖右洞,然后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖左洞。共設(shè)6個開挖步,15個增量步。4.3 結(jié)果分析1)不加固 從計算結(jié)果可以得出,加固前房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)113,357,770,1174,1415,1697)豎直位移最大值為-30.2ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1174),最小值為-19.5ｍｍ(節(jié)點(diǎn)113),高差為10.7ｍｍ,平均值為-25.6ｍｍ,最大水平位移為16ｍｍ(節(jié)點(diǎn)113),樓房前點(diǎn)豎直位移超過了30ｍｍ,產(chǎn)生了不均勻沉降,可能危及樓房安全,因此需要加固。2)(0.8×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結(jié)果可以得出,加固后房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)314,812,1378,1948,2397,2809)豎直位移最大值為-30.6ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1948),最小值為-9.8ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),高差為20.8ｍｍ,平均值為-24.77ｍｍ,最大水平位移為12.2ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),從節(jié)點(diǎn)位移可以看出加固后,地表沉降值稍有增大,水平位移增大到12.2ｍｍ。但房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。3)(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結(jié)果可以得出加固后房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)314,812,1378,1948,2397,2809),豎直位移最大值為-27.5ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1948),最小值為-8.9ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),高差為18.6ｍｍ,平均值為-22.1ｍｍ,最大水平位移為10.9ｍｍ(節(jié)點(diǎn)2809),從節(jié)點(diǎn)位移可以看出加固后,地表沉降值減小,水平位移減小到8.9ｍｍ。房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。 總之,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的效果最好,其一地表沉降明顯減小,其二樓房所處位置地表不均勻沉降大大減小;加固后改變了邊墻的材料特性,提高了土體強(qiáng)度,有利于隧道的穩(wěn)定。5 結(jié)論 與建議從計算結(jié)果分析,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的加固效果明顯,房屋受到影響較小,比較安全。但施工過程的影響因素較多,所以其實(shí)際的位移難以預(yù)測,這和施工有較大關(guān)系,因此施工中應(yīng)特別注意監(jiān)控量測。 從計算結(jié)果看防止房屋破壞的目的基本達(dá)到,但從施工模擬可以看出,左洞開挖的地表沉降較大,因此施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),同時施工中要及時形成封閉面,注意各施工環(huán)節(jié)之間的銜接,盡量控制地表沉降。建議施工時將超前支護(hù)(小導(dǎo)管注漿)改為大管棚注漿超前預(yù)支護(hù),同時管棚每段長度不宜過長。施工中在擴(kuò)大跨度的施工步中豎直位移增加較多,建議注意加強(qiáng)支護(hù);還有采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時,豎撐的拆除往往造成較大的豎直位移,且是影響地表沉降量的主要因素,因此,在這一環(huán)節(jié)的施工應(yīng)多加注意。最后,對房屋地基沉降必須進(jìn)行監(jiān)控量測,注意位移的變化,出現(xiàn)較大沉降時及時改變施工方法和支護(hù)方法。參考文獻(xiàn):[1]呂 勤.北京城地鐵暗挖區(qū)間隧道穿越樓群關(guān)鍵施工技術(shù)[Ｊ].中國安全科學(xué)學(xué)報,2003(11):45 47.[2]ＴＢ1003 99,鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[Ｓ].[3]曲學(xué)兵.超淺埋隧道暗挖施工模擬[Ｊ].四川建筑科學(xué)研究,2002(4):51 53.
1)區(qū)間隧道跨度大,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工[1],施工步驟多加之需降水,造成對樓房基礎(chǔ)地層的多次擾動,如沒有穩(wěn)妥可靠的技術(shù)措施保證,疊加后可能產(chǎn)生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來致命的危害。2)區(qū)間隧道,在初支施工過程中隨著開挖在樓房靜載作用下土層應(yīng)力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降[3]。3加固方案 為了控制開挖引起的地表沉降,避免對附近的居民樓造成影響,決定采取以下三種方案進(jìn)行加固,為了研究各方案的加固效果,決定采用有限元進(jìn)行模擬,找出最佳加固方案,并提出建議。 1)在靠近房屋一側(cè)施作直徑0.8ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。2)在靠近房屋一側(cè)施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。3)在靠近房屋一側(cè)施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁,并對左右線隧道之間的土體進(jìn)行注漿加固改良(水泥漿或水泥砂漿),同時對靠近住宅一側(cè)的土體進(jìn)行注漿加固改良。4 加固方案的數(shù)值模擬4.1 計算模型 采用平面三角形單元,隔離樁用梁單元模擬,其他均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,小導(dǎo)管加固地層,加固厚度取20ｃｍ,地面活載和房屋荷載均取20ｋＮ,計算范圍兩邊均取兩隧道最外側(cè)距離的3倍,隧道底部取隧道高度的5倍距離,拱頂以上取到地表。加固挖孔樁位置在右側(cè)隧道邊墻外3.5ｍ處,樁長取隧道底部以下3.5ｍ,房屋位置設(shè)想隧道邊墻外4ｍ處。采用同濟(jì)曙光有限元計算軟件進(jìn)行分析。計算參數(shù)取值如表1所示。4.2 計算結(jié)果 計算時先采用臺階法開挖右洞,然后采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖左洞。共設(shè)6個開挖步,15個增量步。4.3 結(jié)果分析1)不加固 從計算結(jié)果可以得出,加固前房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)113,357,770,1174,1415,1697)豎直位移最大值為-30.2ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1174),最小值為-19.5ｍｍ(節(jié)點(diǎn)113),高差為10.7ｍｍ,平均值為-25.6ｍｍ,最大水平位移為16ｍｍ(節(jié)點(diǎn)113),樓房前點(diǎn)豎直位移超過了30ｍｍ,產(chǎn)生了不均勻沉降,可能危及樓房安全,因此需要加固。2)(0.8×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結(jié)果可以得出,加固后房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)314,812,1378,1948,2397,2809)豎直位移最大值為-30.6ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1948),最小值為-9.8ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),高差為20.8ｍｍ,平均值為-24.77ｍｍ,最大水平位移為12.2ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),從節(jié)點(diǎn)位移可以看出加固后,地表沉降值稍有增大,水平位移增大到12.2ｍｍ。但房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。3)(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結(jié)果可以得出加固后房屋所處位置處地表位移(節(jié)點(diǎn)314,812,1378,1948,2397,2809),豎直位移最大值為-27.5ｍｍ(節(jié)點(diǎn)1948),最小值為-8.9ｍｍ(節(jié)點(diǎn)314),高差為18.6ｍｍ,平均值為-22.1ｍｍ,最大水平位移為10.9ｍｍ(節(jié)點(diǎn)2809),從節(jié)點(diǎn)位移可以看出加固后,地表沉降值減小,水平位移減小到8.9ｍｍ。房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。 總之,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的效果最好,其一地表沉降明顯減小,其二樓房所處位置地表不均勻沉降大大減小;加固后改變了邊墻的材料特性,提高了土體強(qiáng)度,有利于隧道的穩(wěn)定。5 結(jié)論 與建議從計算結(jié)果分析,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的加固效果明顯,房屋受到影響較小,比較安全。但施工過程的影響因素較多,所以其實(shí)際的位移難以預(yù)測,這和施工有較大關(guān)系,因此施工中應(yīng)特別注意監(jiān)控量測。 從計算結(jié)果看防止房屋破壞的目的基本達(dá)到,但從施工模擬可以看出,左洞開挖的地表沉降較大,因此施工中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),同時施工中要及時形成封閉面,注意各施工環(huán)節(jié)之間的銜接,盡量控制地表沉降。建議施工時將超前支護(hù)(小導(dǎo)管注漿)改為大管棚注漿超前預(yù)支護(hù),同時管棚每段長度不宜過長。施工中在擴(kuò)大跨度的施工步中豎直位移增加較多,建議注意加強(qiáng)支護(hù);還有采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時,豎撐的拆除往往造成較大的豎直位移,且是影響地表沉降量的主要因素,因此,在這一環(huán)節(jié)的施工應(yīng)多加注意。最后,對房屋地基沉降必須進(jìn)行監(jiān)控量測,注意位移的變化,出現(xiàn)較大沉降時及時改變施工方法和支護(hù)方法。參考文獻(xiàn):[1]呂 勤.北京城地鐵暗挖區(qū)間隧道穿越樓群關(guān)鍵施工技術(shù)[Ｊ].中國安全科學(xué)學(xué)報,2003(11):45 47.[2]ＴＢ1003 99,鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[Ｓ].[3]曲學(xué)兵.超淺埋隧道暗挖施工模擬[Ｊ].四川建筑科學(xué)研究,2002(4):51 53.
