軟巖淺埋大跨隧道施工過程中廠房安全運行研究

軟巖淺埋大跨隧道施工過程中廠房安全運行研究

1隧道空間分布廈門市成功大道梧村隧道整體呈sn走向。這是一條雙向六車道的隧道。單個隧道凈寬13.5m，高5.0m。JC3標(biāo)段暗挖隧道位于蓮前西路兩側(cè)的龍山山前臺地和浦南工業(yè)區(qū),總長650m,人口稠密,工業(yè)、民用建筑林立,城市環(huán)境復(fù)雜。隧道以淺埋、大跨形式通過,為開挖跨度達34m的小間距連拱隧道,該路段地形較平緩,進口段隧道埋深僅9m。隧道上方樓房大部分為陳舊磚混結(jié)構(gòu),極少數(shù)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。被隧道從正下方完全穿過的樓房有14棟;被隧道從側(cè)下方穿過、交叉部分不足樓房結(jié)構(gòu)1/2的有20棟;被隧道從側(cè)下方穿過、且平面上無交叉的樓房有40棟。34#樓是隧道下穿線路上的典型建筑物,為一棟6層磚混結(jié)構(gòu)樓房,在平面位置上隧道幾乎完全穿過該樓房,埋深約18m。如何保證34#樓在隧道施工過程中的安全,是隧道施工組織設(shè)計的重點。2全斷面幕墻注漿34#樓區(qū)域地層自上而下分別為薄層雜填土、泥質(zhì)粗砂、殘積亞黏土和V,VI級強風(fēng)化花崗巖(見圖1)。隧道下穿34#樓采用CRD法施工(見圖2),各部開挖步距控制以初支快速封閉成環(huán)為原則,盡可能縮短臺階距離。為控制隧道變形,二次襯砌與掌子面距離不大于30m。由于上覆層地質(zhì)條件差,在隧道下穿34#樓前采取全斷面帷幕注漿,同時在掌子面進行超前預(yù)注漿(見圖3),采用φ108mm超前大管棚和超前小導(dǎo)管等超前預(yù)支護措施(見圖4),可保證隧道施工安全和控制變形。隧道初期支護措施有型鋼拱架、鎖腳錨管、系統(tǒng)錨管和二次初期支護等。全斷面帷幕注漿每循環(huán)縱向加固長度為30m,開挖24m,預(yù)留6m作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤;止?jié){墻采用150cm厚的C30混凝土。全斷面帷幕注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外6m。φ108mm管棚長30m,遠超過34#樓沿隧道縱向的尺寸,管棚環(huán)向間距為45cm,采用孔內(nèi)分段后退式注漿工藝,漿液為膨脹性超細(xì)水泥漿液。超前小導(dǎo)管預(yù)注漿采用外徑φ42mm、壁厚4mm熱扎無縫鋼管加工,管長350或500cm,環(huán)向間距40cm。通過小導(dǎo)管注漿對掌子面前方圍巖進一步固結(jié)止水,實現(xiàn)了堵水與超前支護的雙重目的。由于隧道洞身地質(zhì)條件差,在V,VI級圍巖隧道開挖上臺階時保留核心土,開挖進尺為每循環(huán)0.6m(拱架的間距);下臺階中間留土柱,左右交替開挖,開挖進尺最大為每循環(huán)1.2m(2榀拱架的距離),土柱在仰拱施工時挖除,以確保施工安全;此外,及時噴砼封閉巖面,減少圍巖暴露時間。在此之前,隧道下穿試驗房過程中出現(xiàn)的建筑物沉降值較大,在進行下穿34#樓的施工準(zhǔn)備時,先在34#樓前后和左側(cè)施作止?jié){帷幕注漿孔:在房屋前方采用2排旋噴樁,在房屋后方采用4排垂直注漿孔,在房屋左側(cè)設(shè)置2排垂直注漿孔,這些注漿孔均作為止?jié){帷幕。然后在止?jié){帷幕范圍內(nèi)施作3排注漿孔,注漿孔由內(nèi)到外與水平面的夾角分別為30°,45°和60°,孔深分別為11,13和15m。在施工組織設(shè)計中,對房屋下伏地層進行充填注漿以提高地基承載力,注漿壓力為0.5~0.8MPa;同時通過跟蹤注漿對該樓房的沉降狀況進行調(diào)節(jié),注漿壓力為0.8~1.0MPa,將單次抬升最大值控制在3mm以內(nèi)。3分析技術(shù)路線梧村隧道具有淺埋、大跨度的工程特點,且34#樓所處地層的地質(zhì)條件極差,因此施工難度極大。根據(jù)王夢恕等[3~12]關(guān)于隧道工程的研究成果及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),確定采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,分析隧道施工對周邊環(huán)境以及隧道自身結(jié)構(gòu)的影響。本文所采用的技術(shù)路線如下:(1)采用數(shù)值模擬方法,用FLAC3D軟件對隧道施工引起的周邊環(huán)境的沉降進行分析、預(yù)測。(2)將常規(guī)監(jiān)測與自動化監(jiān)測相結(jié)合,針對隧道施工對周邊環(huán)境的影響進行監(jiān)測,重點關(guān)注34#樓的沉降和裂縫變化情況(見圖5),以評估樓房的安全性。(3)將施工過程快速監(jiān)測、分析與數(shù)值模擬、反分析相結(jié)合,研究并實施復(fù)雜地質(zhì)情況和周邊環(huán)境條件下,隧道施工的動態(tài)反饋分析方法。4地表沉降結(jié)果計算范圍為隧道里程ZK7+630~680,圍巖材料模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型。在隧道地層有限元計算中,將全斷面帷幕注漿和超前大管棚作為隧道支護的重要手段分別考慮,支護后的效果用地層彈性模量的提高來表示。計算過程按隧道每步開挖之后及時支護考慮,初期支護采用與開挖過程相同的步長及時施作。計算參數(shù)取值見表1。距離34#樓約10m處的ZK7+640斷面豎向位移云圖如圖6所示。計算中假定全斷面帷幕注漿和大管棚等超前加固體發(fā)揮了較好的效果,超前加固體的彈性模量提高至全風(fēng)化花崗巖彈性模量的3倍。圖7為ZK7+640斷面地表沉降計算值與實測值對比圖。圖7中計算值1對應(yīng)于不考慮全斷面帷幕注漿效果的工況1,計算值2對應(yīng)于超前加固體的彈性模量提高至全風(fēng)化花崗巖彈性模量的3倍的工況2。從圖7中可以看出:斷面測點實測值介于工況1和工況2的計算值之間,且更接近于工況1。采用全斷面帷幕注漿提高全風(fēng)化花崗巖強度取得一定的效果,但遠未達到工況2的效果。根據(jù)工況1對應(yīng)的有限元計算結(jié)果,在34#樓以外的地表斷面上,沉降最大值出現(xiàn)在34#樓前端,且在隧道中軸線處,最大計算值為-220mm;而在34#樓以內(nèi)的地表斷面上,沉降最大值出現(xiàn)在34#樓長邊中軸線且在隧道中軸線偏右8.56m處,最大計算值為-268mm。圖8為34#樓區(qū)域沉降等值線圖,對應(yīng)于工況1。5監(jiān)控性能分析5.1部觀測中沉降點的變化在隧道下穿34#樓的施工組織設(shè)計中,要求對建筑物的沉降實行嚴(yán)格的控制,對建筑物累計沉降值設(shè)定了-30mm的控制值,根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測成果來指導(dǎo)施工。34#樓典型建筑物前、后排測點沉降值時程曲線見圖9。從圖9中可以看出,在CRD1部到達34#樓前,該樓在2008年4月30日~5月2日經(jīng)歷了一次較大程度的上抬過程,隧道平面范圍內(nèi)小里程方向測點的階段性上抬值大都超過20mm,最大值為29.4mm,而大里程方向測點的階段性上抬最大值僅為5.9mm。隨著CRD1部掌子面的臨近及通過,隧道平面范圍內(nèi)的沉降測點經(jīng)歷了一個明顯下沉的階段。由于處于隧道右線20m以外,C6和C7測點受到注漿抬升的影響較小,監(jiān)測期間處于緩慢下沉狀態(tài),這是由于該處地層經(jīng)受較長時期失水而出現(xiàn)持續(xù)的固結(jié)沉降所致。從監(jiān)測成果來看,累計沉降值絕大多數(shù)都在-30mm以內(nèi),該樓房采用的注漿抬升控制沉降措施基本達到預(yù)期要求。5.2新裂縫的出現(xiàn)與房屋不均勻沉降狀態(tài)的關(guān)系在隧道CRD1部掌子面離34#樓尚遠時對該樓房進行了初查,并布置25處裂縫測點L1~L25(見圖5)。隧道CRD1部施工靠近34#樓時,開始進行裂縫監(jiān)測。截止2009年6月26日,共發(fā)現(xiàn)10處新生裂縫。從監(jiān)測成果看,所監(jiān)測的裂縫變化速率較小,累計變化值較大的裂縫多集中在樓房小里程方向中部。在25處裂縫測點中,裂縫擴展最大值出現(xiàn)在L19測點,累計擴展值為0.72mm;裂縫閉合最大值出現(xiàn)在L16測點,累計閉合值為-0.78mm(見圖10)。新裂縫的出現(xiàn)大都與其所在區(qū)域經(jīng)歷了較大的不均勻沉降過程有關(guān),而樓房不均勻沉降狀態(tài)的反復(fù)波動也會催生新裂縫出現(xiàn)并使原有裂縫表現(xiàn)活躍。如裂縫L16~L18出現(xiàn)于2008年5月5日,而4月30日至5月2日該區(qū)域出現(xiàn)一次較大程度的上抬,兩端沉降測點C9~C22的不均勻沉降階段性變化值為1.32‰。2009年3月下旬起,C9~C22的不均勻沉降狀態(tài)出現(xiàn)反復(fù)波動,L16測點呈現(xiàn)進一步閉合的趨勢(見圖11),但裂縫的長度有所增大。5.3#樓地面注漿升降控制值2008年3月CRD1部進行全斷面帷幕注漿,34#樓上抬最大值僅為1.4mm,因此隧道內(nèi)帷幕注漿對樓房上抬的影響非常小。地面抬升注漿對樓房的影響較為直接,需要根據(jù)樓房沉降監(jiān)測成果調(diào)整注漿參數(shù)。根據(jù)34#樓地層的有限元計算成果,樓房與隧道平面重合區(qū)域的沉降值大都超過-200mm,最大沉降值出現(xiàn)在該樓房中軸線偏右8.5m處,計算值為-268mm。由于34#樓經(jīng)受了頻繁的注漿抬升過程,有必要對沉降實測成果進行處理,得到剔除注漿抬升因素后的前、后排測點沉降值時程曲線(見圖12)。從圖12中可以看出,樓房與隧道平面重合區(qū)域經(jīng)過處理后的累計沉降均超過-200mm,這與有限元計算成果比較接近。截止2009年6月26日,34#樓累計沉降實測最大值為-36.9mm,由此可見采用地面注漿抬升措施控制樓房下沉效果明顯。盡管在34#樓進行地面注漿抬升取得明顯的止沉效果,但仍然存在不足:(1)在地面抬升注漿初期,注漿壓力控制不好,34#樓在2008年4月30日~5月2日經(jīng)歷了一次較大程度的上抬過程,階段性上抬值最大值為29.4mm,隨后出現(xiàn)L16~L18三條新裂縫。(2)由于注漿設(shè)備數(shù)量不足,沒能達到全面均勻抬升樓房的效果,樓房不均勻沉降狀態(tài)的反復(fù)波動催生新裂縫出現(xiàn)并使原有裂縫表現(xiàn)活躍。(3)頻繁的地面注漿對大里程方向地表影響很大,地面上抬現(xiàn)象明顯,最大上抬高度接近1m(見圖13),需要進行善后處理。5.4左洞開挖順序比選根據(jù)隧道CRD法各部掌子面穿過典型測點的時間分別統(tǒng)計其階段性沉降值,見表2。隧道左洞下穿前排測點的開挖順序為:CRD1→CRD3→CRD2→CRD4。CRD3部通過前排測點時,由于上半洞變形場的疊加,前排測點的下沉速率加快(見圖9(a)),CRD3~CRD4階段性下沉最大值為-47.2mm,即便采取地表注漿所取得的止沉效果也不理想。根據(jù)左洞下穿前排測點的經(jīng)驗,左洞下穿后排測點的開挖順序應(yīng)改為:CRD1→CRD2→CRD3→CRD4。CRD2部通過后排測點時,由于左半洞變形場的疊加,后排測點也出現(xiàn)下沉速率加快的現(xiàn)象,CRD2~CRD4階段性下沉最大值為-33.6mm。由此可見,開挖順序的改變對于控制沉降取得了一定的效果。圖14為典型裂縫擴展寬度時程曲線。從圖14可以看出,左洞CRD1部到達后的短期時間里,裂縫經(jīng)歷了一個閉合的過程,其中累計閉合值較大的L16和L17測點進一步閉合的狀態(tài)持續(xù)到CRD4部通過;右洞CRD5部臨近及到達使附近裂縫測點表現(xiàn)出一定程度的擴展趨勢;在總結(jié)左洞施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,右洞CRD5~CRD7部步距保持在15~20m。隨著施工進度的加快,樓房的下沉速率較左洞相同施工階段大,地面頻繁采取注漿抬升措施,樓房的不均勻沉降狀態(tài)出現(xiàn)反復(fù)波動的情況,已有裂縫表現(xiàn)活躍。從樓房不均勻沉降監(jiān)測和現(xiàn)場巡視檢查來看,2008年4月30日~5月2日,對34#樓進行地面注漿抬升,上抬區(qū)域集中在隧道小里程方向,最大上抬值為29.4mm。2008年5月5日在對應(yīng)的不均勻沉降測點C9~C22發(fā)現(xiàn)新裂縫L16,L17(見圖5),新裂縫出現(xiàn)的部位與有限元計算成果應(yīng)力集中部位是一致的。6房下穿樓順序(1)隧道內(nèi)采用全斷面帷幕注漿提高全