導(dǎo)洞隔離樁墻結(jié)構(gòu)對(duì)雙連拱隧道施工變形影響的分析

導(dǎo)洞隔離樁墻結(jié)構(gòu)對(duì)雙連拱隧道施工變形影響的分析

1安全防護(hù)手段在地面或地下建筑物（設(shè)施）附近修建隧道不僅是為了確保隧道工程本身的安全，而且是為了充分解決隧道工程對(duì)現(xiàn)有建筑和設(shè)施的影響。埋置較淺的隧道暗挖施工往往會(huì)引起地層移動(dòng)和地表下沉，如果不加保護(hù)，周邊既有建筑物可能發(fā)生過量變形甚至破裂。為了保護(hù)周邊的建筑物，隧道的設(shè)計(jì)和施工必須估計(jì)隧道工程周圍地層變位的大小、分布和范圍，并對(duì)地層變位影響范圍內(nèi)的建筑物施行安全可行的保護(hù)措施。保護(hù)的方法有：隔離法，基礎(chǔ)托換，地層加固，結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等。其中的隔離法，就是在隧道施工空間與附近既有建筑物之間設(shè)置隔離結(jié)構(gòu)，以減小隔離結(jié)構(gòu)與既有建筑物之間土體的水平位移和沉降。隔離結(jié)構(gòu)有多種形式可以選用，如從地面施作的地下隔離樁、隔離墻等。但是，如果環(huán)境不允許地面施工，就不得不采用其他保護(hù)辦法，如地下補(bǔ)償注漿、管棚支護(hù)等。淺埋暗挖法是我國城市地下工程中常用的一種施工方法，其工序變換靈活，對(duì)附近地層及建筑物變位的影響形式和程度也因?yàn)楣ば蚝捅Ｗo(hù)措施的不同而不同。在北京城市鐵路某淺埋暗挖區(qū)間隧道施工過程中，為了保護(hù)隧道臨近兩邊側(cè)上方的2座高層居民樓房，由于地面環(huán)境的限制，從施工豎井在隧道兩側(cè)上方(隧道與樓房基礎(chǔ)之間)開挖2個(gè)小斷面導(dǎo)洞，噴射混凝土襯砌，并在導(dǎo)洞內(nèi)向下施作鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，用以隔離隧道施工對(duì)高層樓房的不利影響。本文以該工程為例，在分析導(dǎo)洞隔離樁墻工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種解析模型來估算導(dǎo)洞隔離樁墻及附近地層的變形情況，并對(duì)施工過程的變形影響進(jìn)行了三維有限元模擬；把計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，總結(jié)了影響導(dǎo)洞隔離樁墻隔離作用效果的關(guān)鍵因素。2地下工程措施北京城市鐵路某地下區(qū)間，采用中洞法淺埋暗挖施工，設(shè)計(jì)要求中隔墻形成承載能力后，方可進(jìn)行側(cè)洞開挖，最后施作側(cè)洞襯砌形成雙連拱結(jié)構(gòu)，典型斷面開挖寬度為12.05m，開挖高度為7.397m(見圖1)。隧道線路從2棟Y型高層居民樓的基礎(chǔ)之間側(cè)下方近距離穿過。兩座高層樓房地面以上22層、66m高；地下2層，樓房基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為2.7m厚的換填級(jí)配砂石，隧道外輪廓線距樓房基礎(chǔ)水平距離最小為1.6m。該段地層由上到下依次為：人工填土層，厚度為8.40m；粉細(xì)砂層，厚度為1.0m；粉質(zhì)粘土層，濕～飽和，硬塑，厚度為3.8m；粉細(xì)砂層，稍密～中密，飽和，厚度為2.9m；以下為粘質(zhì)粉土層。地下水情況：上層滯水，水位埋深4.0m左右；潛水，水位埋深在地面下7.5m，高出隧道開挖拱頂；承壓水，水位埋深18.8m，對(duì)隧道施工無影響。由于暗挖隧道開挖跨度較大，而覆土最薄處不足一倍洞徑，故地層不能形成承載拱。為確保樓房的絕對(duì)安全，必須采取防護(hù)措施，限制隧道施工的變形影響。由于地面環(huán)境不具備施工條件，設(shè)計(jì)與施工部門采用了如下辦法：在高層居民樓南側(cè)已建成的豎井內(nèi)開挖2個(gè)小斷面導(dǎo)洞，在樓房基礎(chǔ)與隧道之間、隧道的側(cè)上方通過；導(dǎo)洞開挖高3.6m、寬3.1m，噴混凝土支護(hù)厚度30cm，采用短臺(tái)階法施工；在2個(gè)導(dǎo)洞內(nèi)施作鉆孔灌注樁，樁長14.0m，錨入隧道底板以下深度為6m，鉆孔灌注樁直徑0.8m，間距1.0m，樁身為現(xiàn)澆12φ22–C25鋼筋混凝土；導(dǎo)洞與隔離樁連成整體高出隧道4.2m，形成樁墻與帽梁結(jié)構(gòu)，將樓房基礎(chǔ)與隧道隔離。3導(dǎo)洞隔離樁墻受力簡化及分析在下穿淺基礎(chǔ)高層居民樓地段的淺埋礦山法隧道施工中，因?yàn)榈孛姝h(huán)境的限制，所有為防止地層變形的輔助施工措施都不得不在地下進(jìn)行。隔離樁墻只能在地表以下開挖的小斷面導(dǎo)洞內(nèi)施工，對(duì)樁間粉細(xì)砂層部分要注水玻璃和水泥雙液漿加固。導(dǎo)洞襯砌與隔離樁墻剛性連接，共同構(gòu)成地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)。這些隔離樁的作用與一般從地面施作的普通柱列式圍護(hù)結(jié)構(gòu)相類似，導(dǎo)洞的作用如同普通柱列式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的帽梁。與普通柱列式圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，不利的是，導(dǎo)洞有一定的埋置深度，減小了圍護(hù)的范圍(埋深越大則圍護(hù)范圍越小，埋深越小則圍護(hù)范圍越大)；有利的是，導(dǎo)洞支護(hù)的橫向空間較大，抵抗水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度較強(qiáng)。另外，因?yàn)椴捎冒低诜?，兩隔離樁墻內(nèi)側(cè)未開挖的土體對(duì)樁墻有橫向支撐作用。參考圖1，導(dǎo)洞的支護(hù)猶如一根剛度很大的帽梁，將各根鉆孔樁連接成為一道整體性較好的樁墻，而導(dǎo)洞之間的未被開挖掉的土體猶如左、右兩道樁墻間的橫撐，形成一個(gè)地下“基坑”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，承受因開挖主體雙連拱隧道(猶如基坑內(nèi)挖土)而產(chǎn)生的不平衡土壓力，限制樁墻外土體的豎向變形(一般約為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變位的50%～100%)。為了估算隧道開挖引起的隔離樁及地層變形，對(duì)導(dǎo)洞隔離樁墻的支撐和受力做如下簡化處理：(1)把導(dǎo)洞和隔離樁系簡化成等效連續(xù)墻；(2)假設(shè)兩隔離樁墻之間的土體全部被開挖掉；(3)把2個(gè)導(dǎo)洞之間的土體近似為高度等于ph的彈性橫向支撐；(4)把導(dǎo)洞上方覆土處理為作用在該橫撐上的勻布荷載，并簡化為作用在隔離樁軸線頂端的軸力0F和彎矩M0；(5)假定導(dǎo)洞隔離樁墻受有外側(cè)土體及高樓基底應(yīng)力所產(chǎn)生的側(cè)向主動(dòng)土壓力，而隔離樁在錨入隧道底板以下的部分受有內(nèi)側(cè)土體的側(cè)向被動(dòng)土壓力；(6)假定隔離樁墻下端截面不能發(fā)生水平位移或轉(zhuǎn)動(dòng)；(7)導(dǎo)洞噴混凝土結(jié)構(gòu)的剛度與洞身的形狀、大小以及洞身噴混凝土的級(jí)別與厚度有關(guān)，因?yàn)槠浣孛鎽T性矩(猶如空腹箱形梁)較大，這里假設(shè)為剛體，可以發(fā)生水平位移δp和轉(zhuǎn)動(dòng)θp；(8)將地層各分層的力學(xué)參數(shù)按土層厚度加權(quán)平均可以得到“平均土”的相應(yīng)參數(shù)，如表1所示。簡化后得到如圖2右側(cè)所示的計(jì)算圖式(其中γ，ξ和η分別代表土體重度、主動(dòng)和被動(dòng)側(cè)壓力系數(shù))。利用該圖式，可以通過解析法計(jì)算等效連續(xù)墻的水平位移，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)控制地層變形的作用。分別以導(dǎo)洞底板和隧道底板為界，把側(cè)向土壓力簡化為3個(gè)分段的均勻分布荷載，沿隔離樁軸線向下取坐標(biāo)軸x，原點(diǎn)取在樁頂，則任意x處截面的彎矩均可以表示為x的二次多項(xiàng)式函數(shù)：隔離樁的彎矩可以分兩段表示(以樁外側(cè)受拉為正，忽略F0引起的彎矩)，可得各分段的常數(shù)a,b,c:(1)對(duì)0≤x≤L1，有(2)對(duì)L1≤x≤L，有式中：ei(i=0～2)和p分別為隔離樁外側(cè)(包括樓房箱基傳遞到隔離樁外土體中的豎向壓應(yīng)力)和內(nèi)側(cè)的勻布土壓應(yīng)力；K為2導(dǎo)洞之間土質(zhì)橫撐的有效基床抗力系數(shù)。設(shè)w(x)為x處截面的橫向位移，假設(shè)樁墻沒有出現(xiàn)裂縫，按小撓度梁理論，則可建立以下微分方程：式中：E和J分別為導(dǎo)洞隔離樁墻的彈性模量和截面慣性矩。設(shè)隔離樁墻的底端不能發(fā)生平移或轉(zhuǎn)動(dòng)，則有邊界條件為墻頂?shù)乃阶兾?向樁內(nèi)側(cè)為正)和角變位(順時(shí)針為正)可以表示為對(duì)上面的微分方程一次和二次積分，并利用式(5)，得到如下關(guān)系式：當(dāng)0≤x≤L1時(shí)：當(dāng)L1≤x≤L時(shí)：利用式(4)可得關(guān)于θp和δp的聯(lián)立方程：如同普通基坑開挖中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用一樣，隔離樁基本上可以把由于隧道開挖產(chǎn)生的地層下沉限制在隔離樁內(nèi)側(cè)。這樣，可以近似地認(rèn)為，引起樓房箱形基礎(chǔ)下沉的主要因素是：由于隔離樁發(fā)生橫向變位和撓曲，使隔離樁外側(cè)土體發(fā)生松動(dòng)和下沉，從而削弱甚至解除了對(duì)樓房基礎(chǔ)的圍護(hù)作用。等效樁墻上任意深度處截面的水平位移和轉(zhuǎn)角都可以用式(6)～(8)計(jì)算得到。計(jì)算過程是：計(jì)算側(cè)向土壓力；計(jì)算a1,a2,和；求解聯(lián)立式(8a)和(8b)，計(jì)算ib和ci(i=1,2)；按給定截面的位置用式(6)或(7)計(jì)算其轉(zhuǎn)角和水平位移。得到了隔離樁的變位，箱形基礎(chǔ)的變位就可以估算出來了。利用隔離樁的最大橫向變位mw，可以按“經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法”估算樁墻外側(cè)地表最大沉降量為式中：α和β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可以分別取值為1.8和1.4。樁墻的橫向位移如圖3所示，導(dǎo)洞頂部地層的估算最大下沉量如表2所示。由于沒有關(guān)于樓房箱基壓應(yīng)力的數(shù)據(jù)，這里采用了4個(gè)不同的箱基壓應(yīng)力值，其中最大值250kPa約為該高樓處的地基的極限承載力。根據(jù)地層變形的傳播規(guī)律，可以推斷樓房箱基及其附近地表的下沉量最大不會(huì)超過表2所示的值。4地面沉降和樓柱變位采用如圖4所示的三維有限元模型(20節(jié)點(diǎn)等參單元，共11022個(gè)單元、46099個(gè)節(jié)點(diǎn))。假設(shè)樓房為無重剛體，基底壓應(yīng)力為250kPa；取混凝土的重度、彈性模量、泊松(Poisson)比、粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為25kN/m3、2.8×104MPa,0.21,500kPa和67°?？紤]兩種工況：(1)沒有導(dǎo)洞隔離樁墻；(2)先施作導(dǎo)洞和隔離樁墻，模擬雙連拱隧道施工(中洞開挖襯砌、邊跨開挖襯砌)引起的地面沉降和高樓變位。計(jì)算結(jié)果見表3。由于基礎(chǔ)的不均勻沉降，樓房向隧道內(nèi)傾斜；對(duì)應(yīng)于工況1和2，西側(cè)樓頂角的水平位移分別為400.7和2.5mm，東側(cè)樓頂角的水平位移分別為431.5和3.0mm。如果不先施作導(dǎo)洞及隔離樁墻(工況1)，雙連拱隧道施工將引起附近地層的嚴(yán)重變形和強(qiáng)度破壞，使高樓嚴(yán)重傾斜甚至裂損。先施作導(dǎo)洞及隔離樁墻(工況2)，能有效地將隧道施工所引起的地面沉降控制在兩道隔離樁墻范圍內(nèi)，即使波及到樁墻外側(cè)土體，其影響也很小，隧道上方地表最大沉降為52.2mm(出現(xiàn)在雙連拱截面對(duì)稱軸處)，而西導(dǎo)洞和東導(dǎo)洞上方地表下沉量分別僅為1.3和2.6mm。5模型算例與實(shí)測(cè)值對(duì)比根據(jù)北京市房屋安全鑒定總站對(duì)該樓房施工前所作的房屋安全鑒定報(bào)告，這兩棟樓房建成后，因地層、兩棟樓房應(yīng)力重疊區(qū)、基礎(chǔ)壓縮沉降等原因，已產(chǎn)生傾斜位移，傾斜方向?yàn)閮蓸窍嘞騼A斜，其相對(duì)隧道最大傾斜度分別為：西側(cè)樓0.81‰，東側(cè)樓1.21‰。在導(dǎo)洞隔離樁墻的保護(hù)下，隧道施工對(duì)建筑物沉降仍產(chǎn)生一定影響，其最大不均勻沉降量分別為：西側(cè)樓9.4mm，東側(cè)樓10.1mm；相應(yīng)地，朝向隧道內(nèi)側(cè)的傾斜度分別為：西側(cè)樓0.38‰，東側(cè)樓0.4‰。計(jì)入初始傾斜度，房屋累計(jì)傾斜度分別為：西側(cè)樓1.19‰，東側(cè)樓1.61‰，均在安全范圍之內(nèi)。按解析解，當(dāng)箱基壓應(yīng)力為地基的極限承載力250kPa時(shí)，隔離樁墻的最大橫向變位為18mm，接近導(dǎo)洞洞頂處地層的可能最大沉降約為23mm。按三維有限元分析，隧道上方地面最大沉降為52.2mm；兩座樓房最大不均勻沉降量分別為：西側(cè)樓1.6mm，東側(cè)樓2.3mm；朝向隧道內(nèi)側(cè)的傾斜度分別為：西側(cè)樓0.038‰，東側(cè)樓0.045‰。解析模型與有限元模型的計(jì)算假定不同，兩者都是對(duì)實(shí)際情況的近似。解析解以散粒土體力學(xué)、經(jīng)典梁理論和保守的假定為基礎(chǔ)，計(jì)算值偏于安全。有限元解以連續(xù)體力學(xué)為基礎(chǔ)，沒有考慮地層的非連續(xù)變形，計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。有些施工步驟和特征，如超前管棚、超前預(yù)注漿、支護(hù)滯后和時(shí)間效應(yīng)等，都是影響地層變形的重要因素，但在計(jì)算模型中是很難逐一模擬的。實(shí)測(cè)值由于測(cè)點(diǎn)布置、計(jì)測(cè)時(shí)間等影響因素，也并不一定等同于實(shí)際情況。雖然數(shù)值各不相同，但解析解、有限元解和實(shí)測(cè)值都說明了設(shè)計(jì)構(gòu)思和施工方案是安全的，導(dǎo)洞隔離樁墻可以有效地限制施工所造成的地層變位，把樓房的最大下沉量、不均勻沉降量和傾斜度都控制在允許范圍之內(nèi)(表4)。6理論模型測(cè)試本文以北京城市鐵路某區(qū)間淺埋中洞法施工的雙連拱隧道為例，分析了導(dǎo)洞隔離樁墻的作用機(jī)理，提出了“等效地下基坑”圍護(hù)結(jié)構(gòu)的解析模型，通過代數(shù)運(yùn)算即可預(yù)測(cè)導(dǎo)洞隔離樁墻與地層的變位，所建立的三維有限元模型可以較為全面地模擬導(dǎo)洞隔離樁體系與雙連拱隧道的施工過程及變形影響。解析模型和有限元模型的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了導(dǎo)洞隔離樁墻對(duì)于限制隧道施工影響的有效性。分析表明：(1)地下導(dǎo)洞應(yīng)該與隔離排樁剛性連接，共同構(gòu)成地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以便有效地利用導(dǎo)洞支護(hù)的