地铁大跨度小间距隧道近接施工影响预测摘要:本文对“广州地铁6号线如意坊车站隧道下穿房屋近接施工影响预测与安全评估”这一课题进行研究,通过三维有限元数值模型的模拟分析和实测数据的检验,对隧道和周边结构物的安全性作出评价,建立一套隧道施工对周边结构物的影响分析的方法体系,为该工程和今后相似工程的顺利实施提供理论依据和指导作用。关键词:大跨度;暗挖隧道;近接施工;地铁1 前言 随着城市建设的发展,许多大城市都开始修建城市地铁,地铁暗挖隧道临近建筑物的近接施工问题越来越多,为了保证工程的安全建设,必须分析预测近接施工对既有建筑物和地铁暗挖隧道的影响。由于地面建筑物的结构形式各不相同,所处的地质条件各异,下穿隧道与其的相对关系也不相同,因此对于城市地铁隧道施工对周边结构物的影响,目前尚无成熟的分析方法体系,只能通过个体的研究对类似工程进行指导。 在广州地铁六号线的规划设计方案中,出现了许多地铁区间隧道下穿房屋的典型隧道近接施工问题,且常与大跨隧道和小净距隧道一起出现,较典型的例子是如意坊站站后小交隧道需下穿框架结构的大型重载仓库和多层民房。地铁施工必须保证建筑物的安全使用,为此必须对地铁施工对建筑物的影响进行预测分析,并在设计和施工中采取相应对策。 本文对中铁隧道勘测设计院承担的“广州地铁6号线如意坊车站隧道下穿房屋近接施工影响预测与安全评估”这一课题进行部分工作的研究以及拓展研究,通过室内试验结果指导,进行三维有限元数值模拟分析,再用实测数据对计算模型和参数进行检验,建立一套隧道施工对周边结构物的影响分析的方法体系。根据分析结果,对隧道和周边结构物的安全性进行评价,提出要减小隧道施工对地表建筑物的影响以及确保在地表建筑物影响下的隧道结构安全的应对措施,为该工程和今后类似工程的顺利实施提供理论依据和指导作用。2 工程概况 如意坊站站后设置小交路,采用暗挖施工方案,中间设置施工竖井兼作盾构吊出井和永久结构风井,其断面最大跨度为19.8m,如图1所示。根据该站站后小交路区段的使用功能,具有多种断面形式并涉及多种施工方法;从常规的单线小断面到双线、三线的大跨断面,最大净跨19.8m,初支0.3m,二衬1.0m,双侧壁导坑法施工,一般断面初支0.3m,二衬0.5m,采用CRD法施工;多类隧道工程近接问题包括各暗挖隧道自身在先后施工过程中的相互影响,且大断面从广铁南站车间及多层住宅楼、如意坊一号仓库下穿过,为框架结构。其中如意坊一号仓库桩基距隧道拱顶最小距离仅为1.8m,且设计单桩承载力较大,达560t,隧道施工近接房屋桩基的问题更为突出,可能因过大沉降和倾斜造成建筑物开裂甚至破坏,更可能因开挖时隧道拱顶和掌子面的坍塌而导致的结构物坍塌的大事故,风险较大。
3 工程地质 本段地层自上而下分别为:杂填土5.6m,淤泥质土1.5m,淤泥质细砂8.7m,淤泥2.45m,粉质粘土1.45m,强、中、微风化基岩层。本段地下水较丰富,与珠江水系联通,隧道拱顶埋深约24～29m,主要位于中、微风化岩层中,局部位于强风化地层。围岩及建筑材料物理力学指标见表1。4 预测方法与模型 预测分析采用三维有限元施工模拟法结合类比法进行,有限元计算为充分模拟隧道的三维空间效应,计算模型所取范围是:从如意坊车站端部开始,沿地铁线路方向,包含小交路区段的大约200m纵向(Z轴方向,起点为YAK7+112)范围。考虑隧道开挖应力重分布的影响,以隧道区域为核心,横向(X轴方向)范围取130m,竖向(Y轴方向)取至地面,下取至隧道地板下约40m,结构物模型如图2所示。在模型范围,地铁工程的结构物有小交路暗挖隧道,12m×28.6m×38m的施工竖井,以及盾构隧道,民用建筑物有广铁南站车间及多层住宅楼及其桩基(A9)、如意坊一号仓库及其桩基(A5)和1幢高层及其桩基。模拟计算采用ANSYS有限元通用程序,整个模拟过程中有限元模型共划分为22.3万个单元,计算中初衬、二衬和管片采用弹性壳单元模拟,群桩用空间梁单元模拟,其余桩基及地层及均采用弹塑性8节点空间实体单元模拟。其中建筑物桩基均按端承桩考虑,与地层的连接采用耦合一定自由度的方法实现。
5数值模拟结果与分析5.1隧道施工对建筑物的影响范围 根据典型横断面在不同施工步时的沉降曲线(图略)以及隧道横向地表沉降曲线图,可得出几个横断面的横向影响范围,其中最大影响范围约从-30～60m,共计90m。5.2对建筑物产生影响的小交路隧道范围⑴对A5产生影响的隧道范围 根据A5段地表特征点位移的开挖影响线(图略),可得出隧道的纵向影响范围,由于断面大小不同,在此选取最大影响距离作为共同的纵向影响值。在隧道掌子面前方的最大影响范围约35m,后方的最大影响范围为60m。⑵对A9产生影响的隧道范围 由于A9段隧道为对向施工,因此横坐标选用施工步,根据A9段地表特征点位移的开挖影响线(图略),可得出隧道的纵向影响范围,由于断面大小不同,在此选取最大影响距离作为共同的纵向影响值。在隧道掌子面前方的最大影响范围约30m,后方的最大影响范围为50m。5.3受隧道施工影响的建筑物安全评价 以A5为例,分析其位移的变化过程,从各施工阶段建筑物及桩基的位移图可以看到建筑物的位移和倾斜逐渐增大,桩顶最大沉降为24mm。为进一步对A5建筑物的安全进行评价,选取A5建筑物的两条水平地面基线即AB线和AD线进行评价。根据不同施工阶段的沉降曲线(图略),可见位移值不断增大,建筑物向大跨断面方向的倾斜也逐渐增大。 根据规范,各建筑物的沉降和倾斜指标都在允许范围内(见表2),但由于计算中并未计及也无法计算失水沉降的影响,根据以往施工经验,失水沉降值较大,可能使沉降和倾斜值超限,因此建议在设计和施工中要有充分的止水措施,或根据经验并结合试验采用以堵为主、限量排放的方法。
6结论 6.1如意坊站站后小交隧道下穿框架结构的大型重载仓库和多层民房,工程的综合规模、难度和复杂程度是较少见的,具有一定的风险。采用有限元三维施工模拟预测对既有结构物的影响,可以分析预测影响范围和程度等。 6.2受隧道施工影响的范围和隧道的跨度、埋深、隧道间的净距等关系密切,隧道跨度大的影响范围大,故施工中要注意大断面隧道的施工。 6.3地表建筑物的安全性评估必须先对结构物的现状进行评估,然后按照相关规范和技术规程进行评估,各建筑物的沉降和倾斜指标都在允许范围内。 6.4三维有限元施工模拟计算验证了设计方案的合理性。参考文献[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993[2]H.卡斯特奈.隧道与坑道静力学[M].上海:上海科学技术出版社,1980[3]R.H.,萨文.孔附近的应力集中[M].北京:科学出版社,1978[4]王元湘.关于深基坑支护结构计算的增量法和总量法[J].地下空间,2000(3)[5]詹美礼,钱家欢等.粘弹塑性有限元及其在隧道分析中的应用[M][6]唐孟雄,赵锡宏.基坑开挖挡土墙的有限元模型[J].同济大学学报,1998(10)[7]朱合华,杨林德,桥本正.深基坑工程动态施工反演分析40与变形预报[J].岩土工程学报,1998(7)[8]刘国彬,沈建明,侯学渊.深基坑支护结构的可靠度分析[J].同济大学学报,1998(6)[9]许平.复杂地质条件下桩基工程三维弹塑性有限元分析[D].同济大学硕士学位论文,1999[10]刘建航.软土基坑工程中的时空效应理论与实践[J].地基处理,1999(12)[11]杨国伟.深基坑及其邻近建筑物保护研究(博士论文)[D].同济大学,2000[12]高俊合,赵维炳,周成.考虑固结、土—结构相互作用的基坑开挖有限元分析[J].岩土工程学报,1999(9)[13]高文华,杨林德,叶为民.板—土三维等厚接触单元模型及其应用[J].同济大学学报,1999(6)[14]刘兴旺,益德清,施祖元.基坑开控地表沉陷理论分析[J].土木工程学报,2000(8)[15]俞建霖.基坑性状的三维数值分析研究[J].建筑结构学报,2002(8)[16]张玉军.拟建武汉地铁盾构法施工的有限元数值模拟.岩土力学,2001(1)[17]孙钧,刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报,2002(4)[18]陈兴年.软土基坑的离心模型试验[D].同济大学博士论文,1999
