地下室底板下軟弱土層淺埋暗挖隧道技術(shù)

1、地下室底板下軟弱土層淺埋暗挖隧道技術(shù)摘 要:為實現(xiàn)深圳地鐵1, 3號線老街站通過2站間換乘體的平行換乘,對1號線既有運營老街站實施站臺倒邊改擴建。分析工程施工條件,就淺埋暗挖隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及環(huán)境影響情況進行論述,用數(shù)值模擬分析樁基托換工作隧道的開挖及揭示樁基的施工過程對上部建筑物的影響,并對方案形成及實施過程中的重要環(huán)節(jié)予以總結(jié)討論。所采用施工技術(shù)合理可行,有限元模擬分析最終規(guī)避了工程風(fēng)險。關(guān)鍵詞:淺埋暗挖隧道;軟弱土層;樁基托換;數(shù)值模擬0引言 隨著我國城市化進程的快速推進,交通擁堵問題正迅速地由一線城市向二線城市、由城市中心區(qū)向周邊城區(qū)蔓延。發(fā)展以軌道交通網(wǎng)為骨干的城市公共交通來從根本上

2、解決“堵城”問題已得到普遍共識,隨之而來的在復(fù)雜環(huán)境下修建地鐵對既有建(構(gòu))筑的影響成為難以回避的重要課題。有關(guān)淺埋暗挖隧道及樁基托換相關(guān)研究已有很多,如:文獻(xiàn)1介紹了以大量工程建設(shè)中的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗和教訓(xùn)為依托,全面客觀地對我國隧道及地下工程修建技術(shù)進行疏理、總結(jié)和提升,并加以系統(tǒng)闡述;文獻(xiàn)2介紹了特大軸力樁基托換技術(shù);文獻(xiàn)3-6介紹了abaqus在土木工程中的應(yīng)用;文獻(xiàn)7論述了地鐵施工中的樁基托換技術(shù);文獻(xiàn)8介紹了淺埋暗挖隧道近距下穿既有地鐵的相關(guān)技術(shù);文獻(xiàn)9系統(tǒng)地介紹了在各復(fù)雜環(huán)境下地鐵工程施工安全控制技術(shù)研究。而本文論述則針對在建筑物地下室底板下的軟弱土層中暗挖隧道,來作為建筑物樁基托換的

3、工作隧道,工程施工具有較大的風(fēng)險。施工全過程先后進行了方案優(yōu)化、仿真模擬及量測反分析等以指導(dǎo)施工,確保了工程的順利完成,并有效地規(guī)避了工程風(fēng)險。1工程概況 深圳地鐵1, 3號線老街站通過換乘綜合體實現(xiàn)同站臺平行換乘。3號線老街站與換乘綜合體同步修建, 1號線老街站則需實施站臺的倒邊改擴建來實現(xiàn)這種換乘條件。1號線老街站與換乘綜合體疊合范圍為103. 86m,其中包含了部分設(shè)備及管理用房區(qū),不能滿足標(biāo)準(zhǔn)站有效站臺144. 40m的長度要求,因而還需要從車站東端北側(cè)地下構(gòu)筑約50. 00m長的站臺結(jié)構(gòu)作為補充。擴建的站臺結(jié)構(gòu)為地下2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),以通道形式與換乘綜合體相接構(gòu)建客流集散與換乘

4、環(huán)境,站臺通道長50.00m,寬3.80m。鑒于1號線老街站東端北側(cè)與永新商業(yè)城平行且相距僅4. 00m,地下新擴建的站臺結(jié)構(gòu)位于永新商業(yè)城基礎(chǔ)的地基土層范圍,為確保永新商業(yè)城的安全受控,站臺擴建工程實施前需先對永新商業(yè)城進行樁基托換加固。地鐵工程間及與永新商業(yè)城平面關(guān)系如圖1所示。 永新商業(yè)城位于換乘綜合體東側(cè)、既有1號線老街站北側(cè),呈“l(fā)”形布置,地面以上8層,設(shè)有地下室1層,為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為人工挖孔灌注樁。既有1號線老街站站臺改造將影響永新商業(yè)城基礎(chǔ)樁共計6根,樁徑1. 40m。所有受影響的樁基均位于地下室側(cè)墻以下,柱與地下室側(cè)墻為整體澆筑,地下室側(cè)墻除承受側(cè)向水土壓力外,還

5、承受地面層樓板傳來的豎向荷載。1號線老街站東端站臺擴建橫剖面如圖2所示。2方案優(yōu)化 東端站臺擴建工程托換工作室原設(shè)計方案是采用明挖順筑法施工。首先從地面對永新商業(yè)城地下室側(cè)墻外進行土體加固,再自1號線老街站連續(xù)墻與永新商業(yè)城地下室側(cè)墻間向下開挖,先開挖至地下室底板以下位置,拓展工作面實施永新商業(yè)城樁基托換。明挖法施工托換工作室橫剖面如圖3所示。 明挖法方案相對穩(wěn)妥,但在工程施工期間,永新商業(yè)城南側(cè)的臨街商鋪、商業(yè)城西南角位置的準(zhǔn)五星級戴斯酒店門廳及二樓新福樓海鮮酒店入口等受工程直接影響將臨時關(guān)閉,西側(cè)的臨街商鋪也因鋪前的通道中斷提出停業(yè),產(chǎn)生的影響幾乎波及了整個永新商業(yè)城商家,所要求的商業(yè)損失

6、補償達(dá)近1億元,這是建設(shè)單位難以接受的;為此,提出了考慮能否從換乘綜合體創(chuàng)造工作面,采用對地面影響最小的淺埋暗挖法施工永新商業(yè)城托換工作隧道的方案。淺埋暗挖法施工托換工作隧道橫剖面如圖4所示。 淺埋暗挖隧道開挖對環(huán)境影響主要表現(xiàn)為2方面: 1)永新商業(yè)城樁基托換工作隧道自換乘綜合體負(fù)2層結(jié)構(gòu)內(nèi)開洞門,沿既運營1號線老街站連續(xù)墻自西向東掘進,隧道斷面的一半位于永新商業(yè)城地下室底板下,開挖中需揭露出永新商業(yè)城即將被托換的6根樁基,永新商業(yè)城的樁基礎(chǔ)為摩擦樁,樁周的巖土損失及地下水位的下降均會影響樁基承載,進而表現(xiàn)為上部建筑物的沉降變形; 2)隧道斷面的其他部分位于既運營1號線老街站地下連續(xù)墻與永新

7、商業(yè)城地下室側(cè)墻之間的地下,拱頂距離地表2. 452. 90m,地表為永新商業(yè)城南側(cè)臨街商鋪的門前臺階,地表以下沿隧道縱向分布有1根直徑0.20m給水管及1根直徑0. 40m污水管。因而,在隧道開挖過程中必須采取可靠措施控制永新商業(yè)城及地表的沉降,確保環(huán)境安全。托換工作隧道與上部管線關(guān)系如圖5所示。3數(shù)值模擬3. 1計算模型 本文采用abaqus軟件,模擬分析了永新商業(yè)城樁基托換工作隧道開挖及揭示樁基的施工過程對上部建筑物的影響,從而對隧道工程、環(huán)境影響展開穩(wěn)定性評價及對現(xiàn)場施工、風(fēng)險預(yù)測提供參考。 俯瞰永新商業(yè)城為“l(fā)”形建筑,在這個“l(fā)”的拐角處設(shè)置了1個沉降縫,將商業(yè)城結(jié)構(gòu)體分成2個獨立

8、部分,而在隧道開挖過程中,靠近隧道一側(cè)結(jié)構(gòu)受隧道開挖影響較大?？紤]到計算工作量較大,為了避免過大計算模型導(dǎo)致計算資源的浪費以及過于復(fù)雜的模型對分析過程的干擾,本計算中僅建立了靠近擴建工程一側(cè)永新商業(yè)城結(jié)構(gòu)的模型。根據(jù)該地段勘察資料、地鐵結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸建立三維有限元模擬(見圖6),模型地層部分長95. 00m、寬60. 00m、高50. 00m。永新商業(yè)城地下室1層、地上8層見圖7,計算中涉及各地層的材料參數(shù)見表1。3. 2邊界條件 計算模型4個側(cè)面限制沿該面法線方向的水平位移,底部限制豎向位移,頂部邊界為自由面,詳見圖8。模型包括地層、永新商業(yè)城(上部結(jié)構(gòu)、地下室、樁基礎(chǔ))、1號線地鐵結(jié)構(gòu)

9、、工作室隧道噴混凝土4大部分,其中地層、噴混凝土、永新商業(yè)城地下室和樁基礎(chǔ)采用實體單元,戴斯酒店上部結(jié)構(gòu)采用梁單元。施加載荷有地層及地下結(jié)構(gòu)重力和戴斯酒店上部結(jié)構(gòu)重力(采用在戴斯酒店框架結(jié)構(gòu)上施加線載荷來實現(xiàn),換算后單樁載荷為6 500kn)。3. 3計算分步及其主要結(jié)果 綜合考慮隧道開挖的實際施工過程和計算能力,將整個施工過程按總掘進長度均分為14步進行模擬3. 4主要模擬結(jié)果說明 1)從地層初始地應(yīng)力分布圖分析:地表附近,等值面趨于向地表面平行方向發(fā)展,可見該模型所得初始地應(yīng)力場是合理的,模型建立是可靠的。 2)通過計算典型開挖階段的地層和永新商業(yè)城變形情況發(fā)現(xiàn),隧道沉降比較大的2個地方分

10、別發(fā)生在隧道入口處和隧道中部。分析認(rèn)為:隧道入口處的變形較大是由于模型的簡化引起的,因為在實際施工過程中,在隧道入口處有較強的支護,這也提醒在施工過程中要注意洞口的加強支護。 3)當(dāng)開挖工作從洞口逐漸往洞內(nèi)推進時,隧道開挖段上方的地層最先開始沉降,隧道入口處沉降值最大;隨著開挖工作的逐漸深入,隧道上方土體沉降范圍不斷擴大,沉降值也有明顯的增長,最大沉降點也向洞深方向移動,并最終停留在距離洞口約35. 00m處。從沉降的分布情況來看,除了入口處,暗挖隧道拱頂沉降最大值發(fā)生在隧道中部的拱頂處,最大沉降值6. 44mm,暗挖隧道地面沉降最大值發(fā)生在隧道中部靠近房屋一側(cè),最大沉降值6. 42mm。 4

11、)隧道開挖對永新商業(yè)城影響較大,隧道一側(cè)永新商業(yè)城地下室側(cè)墻的沉降在隧道開挖的初期,側(cè)墻沉降較小,第4步開挖以后,側(cè)墻沉降隨著開挖的進行迅速增大,最終最大沉降約6. 53mm,發(fā)生在距離永新商業(yè)城拐角約17. 00m的隧道中部。4隧道開挖施工關(guān)鍵技術(shù)4. 1隧道開挖遵循的原則 鑒于該隧道處于非常軟弱的地層條件及特別復(fù)雜的周邊環(huán)境,隧道施工總的指導(dǎo)原則是“不明不進、步步為營、穩(wěn)步推進”。必須依據(jù)隧道前方明晰的環(huán)境條件、采取針對性的技術(shù)措施、實施有效的工藝控制來確保施工效果。隧道開挖對地下水的處理原則是“以堵為主、適量排放”;掘進中嚴(yán)格遵照符合本工程特點及管理要求的“管超前、嚴(yán)注漿、超前探、分部挖

12、、快封閉、短進尺、強支護、勤量測”24字方針組織施工。4. 2隧道開挖關(guān)鍵技術(shù)4. 2. 1超前管棚預(yù)支護 托換工作隧道自進洞段至部分隧道進入永新商業(yè)城地下室底板下后,拱頂覆土厚2. 452. 90m,拱頂以上地面環(huán)境均為商鋪街面,并且拱頂附近沿隧道走向有1根直徑0. 20m供水管及1根直徑0. 40m污水管。為有效提高拱頂圍巖剛度,控制地層沉降變形,在換乘綜合體內(nèi)對隧道周邊實施直徑108mm 300mm超前大管棚,管棚長度依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境關(guān)系動態(tài)調(diào)整,永新商業(yè)城與老街站間隧道拱部管棚施作40. 00m,施作大管棚時,其總數(shù)的20%取巖芯兼作地質(zhì)補勘,充分掌握前方地層情況,在隧道掘進階段,大管棚間

13、輔以注漿超前小導(dǎo)管補充。4. 2. 2洞內(nèi)水平深孔注漿 托換工作隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土及粉砂層。該地層在隧道開挖過程中受水侵害極易滑坍失穩(wěn),另隧道開挖過程中的大量失水將對既有永新商業(yè)城樁基(摩擦樁)承載帶來影響,從而反應(yīng)到建筑結(jié)構(gòu)柱的差異沉降,將直接危害到永新商業(yè)城和周邊環(huán)境的安全,所以隧道開挖對地下水的處理堅持以堵為主的原則。為有效改良隧道開挖范圍的地層條件,提高圍巖自穩(wěn)能力及盡量消除潛在的周邊地層失水隱患,在隧道掘進前方實施鉆注一體的全斷面深孔注漿加固地層。漿液為超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿,加固范圍分別為:拱頂以上至大管棚部位,地下室底板下隧道的側(cè)壁外2. 00m,隧道底板以下4. 00m

14、范圍。每循環(huán)注漿完畢均取芯檢驗,達(dá)到預(yù)期注漿效果后,方能進行隧道開挖作業(yè),否則需再次補注漿。在隧道掘進階段,對于局部的注漿盲區(qū)及效果不良區(qū)域輔以小導(dǎo)管注漿補充。隧道深孔注漿示意圖見圖9。4. 2. 3隧道開挖工法 工作隧道的斷面形狀為異形,拱部的受力條件較差,加之軟弱的地層環(huán)境及超淺埋,為有效控制地表沉降,隧道開挖施工采用crd工法,分4個部分分別開挖與支護,每個臺階長度控制在57m。crd分部開挖工法示意如圖10所示。5隧道施工監(jiān)測結(jié)果5. 1暗挖隧道地表沉降監(jiān)測 從監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果看:隧道洞口大管棚及深孔注漿施工過程中導(dǎo)致周邊地表隆起,但在隧道開挖期間,周邊地表變化趨勢較穩(wěn)定,未出現(xiàn)突變異常及

15、地表塌陷現(xiàn)象,后期也逐步平緩至穩(wěn)定。圖11為隧道地表路面沉降縱斷面變化曲線,圖12為累計變化最大點(d1-6#)時程曲線。5. 2上部建筑物基礎(chǔ)樁沉降監(jiān)測 從監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及曲線分析圖中可看出:在隧道開挖過程中上部建筑物基礎(chǔ)樁(將被托換樁)沉降呈現(xiàn)出隧道入口及中間部位沉降趨勢大,端頭小,較符合一般沉降的變化規(guī)律;但基礎(chǔ)樁整體的沉降變化趨勢較穩(wěn)定,下沉最大為9. 24mm;未出現(xiàn)單樁突變現(xiàn)象。圖13為基礎(chǔ)樁整體沉降趨勢曲線,圖14為累計變化最大點(tz5)歷程曲線。5. 3隧道拱頂沉降監(jiān)測 從監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及曲線分析圖中可看出:在隧道開挖過程中隧道拱頂沉降在入口、中間及端頭部位呈現(xiàn)出逐步增大趨勢;與

16、隧道地表沉降及被托換樁沉降趨勢基本吻合,整體的沉降變化趨勢較穩(wěn)定,下沉最大為15. 72mm;未出現(xiàn)截面突變或異?，F(xiàn)象。圖15為隧道拱頂沉降整體沉降趨勢曲線,圖16為累計變化最大點(3-2)歷程曲線。5. 4隧道凈空收斂監(jiān)測 從監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及曲線分析圖中可看出:在隧道開挖過程中隧道凈空收斂變化較小,整體的沉降變化趨勢較穩(wěn)定,變形最大為6. 46mm;開挖期間一切均表現(xiàn)正常。圖17為隧道凈空收斂整體變形趨勢曲線,圖18為累計變化最大點(sz-7)歷程曲線。6結(jié)論與討論 1)深圳地鐵1號線老街站站臺倒邊改擴建工程中,永新商業(yè)城樁基托換隧道位于建筑物地下室底板下的軟弱土層中,對工程的風(fēng)險分析及復(fù)雜性

17、認(rèn)識必須充分,并應(yīng)周詳?shù)卣{(diào)查環(huán)境。評估、仿真的數(shù)值計算分析、可靠的技術(shù)工法組合、及時的信息化施工反饋是工程成敗的關(guān)鍵。 2)從淺埋暗挖隧道的施工過程中各工況控制及隧道周邊建(構(gòu))筑物的變形數(shù)據(jù)情況可以看出,本工程采用的施工方案及關(guān)鍵施工技術(shù)是合理可行的。 3)本工程采用有限元模擬計算得到結(jié)果變形值較監(jiān)測值略小,這主要是由于模型的部分簡化以及巖土材料的離散性導(dǎo)致的。模擬結(jié)果較好地反應(yīng)了隧道開挖過程中地面、上部建筑物、地鐵老街站以及隧道結(jié)構(gòu)的變形趨勢,并結(jié)合監(jiān)控量測信息反分析,有效地指導(dǎo)了施工,規(guī)避了工程風(fēng)險,確保了環(huán)境安全。參考文獻(xiàn)(references):1王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)m

18、.北京:人民交通出版社, 2010.2王浩.深圳地鐵下穿百貨廣場特大軸力樁基托換技術(shù)d.成都:西南交通大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 2007.(wang hao. shenzhen subway passed through the general merchandise square especially big load pile foundation un-derpinning engineering researchd. chengdu: school of architecture and civil engineering of southwest jiaotong u-niversity, 2007. ( in chinese)3王金昌,陳頁開.abaqus在土木工程中的應(yīng)用m.浙江:浙江大學(xué)出版社, 2006.4曹金鳳,石亦平. abaqus有限元分析常見問題解答m.北京:機械工業(yè)出版社, 2009.5石亦平,周玉蓉.abaqus有限元分析實例詳解m.北京:機械工業(yè)出版社, 2006.6莊茁.abaqus非線性有限元分析與實例m.北京:科學(xué)出版社, 2005.7畢經(jīng)東.地鐵施工中的樁基托換技術(shù)研究d.石家莊:石家莊鐵道學(xué)院橋梁與隧道工程分院, 2007. (bi jing-dong. study on pile foundation underpinning tech