软弱围岩隧道近距离下穿房屋施工控制技术.pdf

文章编号：１００９４５３９（２０１７）０２００７２０５·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６１１０２作者简介：董继涛（１９７８－），工程师，主要从事隧道工程等领域的施工管理工作。软弱围岩隧道近距离下穿房屋施工控制技术董继涛１程盼盼２陈国中１吴永波１（１．中铁七局集团第二工程有限公司陕西西安７１００３２；２．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海２０１８０４）摘要：在隧道工程修建过程中，有时不可避免地要从房屋、道路等建筑结构物下方穿过，并在不同程度上导致结构物变形、开裂甚者倒塌破坏，尤其是当隧道围岩比较软弱破碎时，存在的施工风险极高。为确保南华一号隧道能顺利下穿地表房屋，首先根据现场实际施工情况开展了数值计算，分析了隧道施工对房屋安全的影响；随后，结合建筑房屋沉降控制标准，提出了一系列的施工控制措施；最后，经现场监测结果分析，验证了施工控制措施的合理性。上述研究成果对同类工程有一定的借鉴意义。关键词：隧道软弱围岩数值模拟控制技术现场实测中图分类号：Ｕ４５５文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９-４５３９．２０１７．０２．０１７ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｏｆｔａｎｄＷｅａｋＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＲｏｃｋＴｕｎｎｅｌＰａｓｓｉｎｇＢｅｎｅａｔｈＥｘｉｓｔｉｎｇＢｕｉｌｄｉｎｇＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｔａＣｌｏｓｅＤｉｓｔａｎｃｅＤｏｎｇＪｉｔａｏ１，ＣｈｅｎｇＰａｎｐａｎ２，ＣｈｅｎＧｕｏｚｈｏｎｇ１，ＷｕＹｏｎｇｂｏ１（１．ＴｈｅＳｅｃｏｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，ＬｔｄｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｅｖｅｎｔｈＧｒｏｕｐ，Ｘｉ’ａｎＳｈａａｎｘｉ７１００３２，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｏａｄａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｓｏｍｅｔｉｍｅｓｉｎｅｖｉｔａｂｌｙｔｏｐａｓｓｂｅｎｅａｔｈｈｏｕｓｅｓ，ｒｏａｄｓａｎｄｏｔｈｅｒａｒ-ｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｕｓｕａｌｌｙｌｅａｄｓｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｇｒｅｅｓｏｆｄａｍａｇｅｓｔｏｂｕｉｌｄｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｓｕｃｈａｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｃｒａｃｋａｎｄｅｖｅｎｃｏｌｌａｐｓｅ．Ｕｎｄｅｒｔｈｉｓｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｒｉｓｋｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｈｉｇｈｗｈｅｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｉｓｗｅａｋ．ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅＮａｎｈｕａＮｏ．１Ｔｕｎｎｅｌｐａｓｓｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｓｍｏｏｔｈｌｙ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕ-ｌａｔｉｏｎｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅ，ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｕｎ-ｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｎｈｏｕｓｉｎｇｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｓｅｒｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｔｏｖｅｒｉ-ｆｙｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｔｕｎｎｅｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｓｏｆｔａｎｄｗｅａｋｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ１引言隧道施工会对复杂的岩土介质产生扰动，在软弱破碎围岩中修建隧道，因其岩性弱，围岩自稳能力差，常常会对其上覆建筑结构物产生较为严重的影响，为确保施工人员安全和施工进度，隧道近距离下穿建筑结构物的控制理论和技术一直是广大学者研究的重点内容之一。例如，易小明等［１］通过现场试验段变形监测及反馈分析，得到了可靠、可操作的浅埋大跨隧道下穿建筑物时的变形控制要素，方便了隧道的风险施工管理；王浩等［２］针对建筑物不均匀沉降和变形破坏的风险，制定了较为完善的安全管理措施，确保了隧道顺利施工；曹瑞琅等［３］研究了地形条件、地层产状、隧道和通道施工、地面荷载、地表坍塌造成的地层变形与建筑物位移的关系，从而找到控制建筑结构物变形的关键因素；肖凯成等［４］、吕志涛等［５］采用现场监测手段对２７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·隧道／地下工程·隧道施工引起建筑物的变形进行研究，分析了建筑结构物随时间和空间分布变化规律和特点；李进军等［６］、陈智慧［７］采用数值模拟对隧道下穿建筑的施工工法进行了分析，并通过现场实测对数值计算结果进行了验证，提出了减小建筑结构物变形的施工措施；康寅［８］分析了注浆加固技术在隧道下穿建筑物过程中的应用。虽然隧道下穿建筑结构物控制技术研究已经取得了大量的成果，但由于岩土介质的复杂性、地表建筑物与隧道空间关系的多样性、房屋建筑物质量的差异性等因素使得隧道在下穿建筑物时仍面临着较高的施工风险。以正在施工的南华一号隧道为例，该隧道围岩岩性软弱，在隧道进洞后约１００ｍ位置，地表房屋分布密集，房屋地基承载性能较差，施工风险极高。因此，很有必要开展南华一号隧道下穿地表房屋的施工控制技术研究。２工程简介２．１地质概况南华一号隧道全长１９００ｍ，用于２００ｋｍ／ｈ客货共线双线铁路，最大埋深９６ｍ左右。隧道进出口埋深较小，位于盆地边缘缓坡地带，进出口段围岩为Ⅴ级围岩。其中进口段上覆第四系全新统坡残积（Ｑ４ｄｌ＋ｅｌ）粉质黏土，下伏白垩系中统马头山组（Ｋ２ｍ）砂岩夹泥岩及下统普昌河组（Ｋ１ｐ）泥岩夹砂岩、泥灰岩，均属典型的滇中红层软弱围岩，如图１所示。图１隧道进口段地质纵断面图２．２施工情况根据设计技术资料，隧道下穿房屋建筑物区段施工采用ＣＲＤ工法，ＣＲＤ法隧道开挖分四部进行，每部开挖步距３～５ｍ。图２ＣＲＤ法施工示意图如图２所示，①、③部采用人工配合小型机具开挖，②、④部采用人工配合小型机械开挖，大型机械辅助。隧道初期支护采用格栅钢架、喷Ｃ２５砼、钢筋网、中空注浆锚杆，中隔壁及临时仰拱采用２０工字钢、喷Ｃ２５砼、钢筋网支护。２．３存在问题在隧道进洞后约１００ｍ位置，地表分布有密集的房屋建筑物，其中多数为砖混结构，少数是土坯房，如图３、４所示。房屋抗震性能和抗变形性能较差，易受施工扰动，极易变形、开裂，因此施工风险极高。图３隧道进口地表房屋建筑群图４地表土坯房３数值计算分析３．１计算模型以隧道下穿房屋建筑区段为分析内容。根据工程勘察报告，隧道围岩从地表至下依次为粉质黏土、全风化泥岩夹砂岩、强风化泥岩夹砂岩、弱风化泥岩。岩体采用Ｍｏｈｒ-ｃｏｌｕｍｂ模型，钢拱架和钢筋网采用线弹性模拟，初期支护采用ｓｈｅｌｌ结构单元。表１给出了计算中所需围岩及衬砌结构的物理力学参数。表１围岩和衬砌结构物理力学参数地层密度／（ｋｇ·ｍ－３）黏聚力／ｋＰａ摩擦角／（°）体积模量／ＭＰａ剪切模量／ＭＰａ（６－３）１９９０３６．３１２．６５４．１７１．９２（１２－１）Ｗ４１９６０４６．６３１０．９２８．３３３．８５（１２－１）Ｗ３２２００２２００３５９４０７１０（１２－１）Ｗ２２４００３０００４５４０００３０００衬砌１０００２５００３０１１６００８７５０二衬１０５０２８００２６１２７００８９７２图５为数值模拟的网格模型。分析时模型的上３７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·隧道／地下工程·边界与地表平齐，为消除模型边界效应的影响，左右及下边界取３倍洞径，即竖向（沿ｚ轴）、水平方向（沿ｘ轴）和纵向（沿ｙ轴）的尺寸分别为６０ｍ、９４ｍ和６０ｍ。假定计算边界处不受隧道开挖的影响，前后左右边界约束水平位移，下边界约束竖向位移，顶部设为自由面。计算时先进行初始地应力平衡，然后按照图２所示工序分部开挖和施作初期支护，每步开挖进尺为３ｍ。图５计算模型网格划分图３．２计算结果分析为分析隧道施工对地层横断面内的扰动范围，选取了连续４次开挖循环的计算结果进行分析。图６给出了ｙ＝３ｍ处横断面地表竖向位移发展曲线。由图可知，隧道中心向左右两侧２０ｍ范围内为施工强烈扰动区域，随着施工的推进，地表位移逐渐增大，最大值可达３５ｍｍ，隧道中心线左右两侧围岩的变形不对称，并且先行施工部位（左侧）地表变形要大于后施工的部位（右侧）。故在施工时应对隧道中心线２０ｍ范围内的房屋建筑物基础进行加固，且中心线左侧的加固措施应加强。图６ｙ＝３ｍ处横断面内地表竖向位移变化曲线为确定隧道施工对地层的纵向影响范围，沿隧道中心线每隔５ｍ在地表布设监测点，测得沿隧道中心线地表变形分布变化曲线如图７所示。由图可知，隧道施工将对２０ｍ（约两倍洞径）范围内的围岩产生扰动，故施工时应对该范围内围岩做好超前支护，以减小隧道施工的空间效应。图７沿隧道中心线地表竖向变形变化曲线图８为ｙ＝３ｍ处地表中心点位移随施工步的变化关系曲线，由图可知，施工步４（右下台阶）会使地表沉降值大幅增加，约１２个施工步（３次开挖循环）后，地表的变形才逐渐趋于稳定，故施工时应严格控制右下台阶的施工进尺和施工速率，以减小对地层的扰动。图８地表位移随施工步变化关系４隧道下穿房屋建筑物控制基准４．１常用砌体建筑物允许变形控制标准隧道施工对地表建筑物的影响程度与地层的岩性、建筑物与隧道空间位置关系、建筑物基础结构形式等有着密切的关系，因此各规范中建筑物容许控制标准也不尽相同。《基坑工程手册》以建筑物不均匀沉降值为标准来衡量建筑物受基坑施工的影响程度，δ／Ｌ（δ为差异沉降值，Ｌ为建筑物长度）值达到１／１５０时，分隔墙及承重墙就会产生相当多裂缝，可能发生结构４７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·隧道／地下工程·性破坏。《岩土工程手册》中从拉伸、倾斜等入手给出建筑物的容许变形值，其中明确规定我国的标准如下：拉伸容许值２ｍｍ／ｍ，倾斜容许值３ｍｍ／ｍ。《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７－２００２）中规定了各类建筑较为敏感的变形指标控制值，对于砌体结构而言主要是局部倾斜（斜率），在中低压塑性土中其允许值为０．００２，高压缩性土中为０．００３。４．２南华一号隧道建筑物控制标准隧道下穿建筑应主要控制其差异沉降。南华一号隧道上覆建筑物主要是砖石砌体结构，综合各类控制标准和前人研究成果，选定差异沉降为南华一号隧道的下穿建筑的控制指标，δ取值如下：δ＝２０（ｌ１５０≥２０）ｌ１５０（ｌ１５０＜２０{）（１）式中：δ为差异沉降值（ｍｍ）；ｌ为基础长度（ｍ）。５隧道下穿房屋控制措施５．１超前地质预报隧道施工前先采取措施进行超前地质预报，先行了解掌子面前方围岩的岩性、整体性和赋水状“”态，做到知此知彼，有助于对潜在的施工风险实施针对性措施，从而大大提高施工效率和安全性［９－１０］。为此，在南华一号隧道施工前，对下穿房屋建筑物围岩区段进行超前水平钻探，掌握和核实地质勘探资料。图９为超前水平钻探现场，钻探揭图９超前水平钻探示隧道下穿房屋段掌子面前方围岩为红褐色泥岩，局部灰褐色、深灰色砂岩，砂岩夹泥质结构，岩体整体性较差，层间结合弱，稳定性较差。５．２地表注浆随着浆液在岩土介质中的扩散，注浆孔周围土体被挤压充填，注浆孔周围的岩土介质的密实性和强度可以大大提高，同时，对隧道正上方建筑物基础进行注浆预抬升，可以减小由于施工扰动带来的沉降值和差异沉降值［１１－１２］。根据数值计算分析，沿隧道中心线左右两侧１０ｍ、开挖面前２０ｍ范围内的地表和房屋基础下方进行钻孔注浆。浆液采用纯水泥浆，水灰比为∶１１５文，注浆压力为０．５～１ＭＰａ。５．３采取联合支护措施南华一号隧道下穿房屋建筑物前，施作长为２０ｍ的大管棚（章１０８钢管）并进行注浆加固，改善围岩的承载能力，防止由于洞顶围岩松弛和坍塌造成地表房屋建筑物的较大沉降。同时，隧道开挖时采用ＣＲＤ法施工右下台阶时，合理调度人员和机械设备，缩短开挖后架立钢拱架和喷射混凝土的时间。除此之外，在开挖下台阶时，还采取了放大拱脚的措施，增大拱脚衬砌结构与围岩的接触面积，防止由于基底刚度不足而整体下沉，从而减小地层的位移。６现场实测数据分析隧道施工时会对地层产生扰动，地层在应力调整过程中伴随着位移和变形，从而带动建筑物基础的位移。为了对南华一号隧道下穿房屋建筑物控图１０房屋与隧道的平面位置关系制措施开展分析评价，施工前对地表上分布在隧道中心线附近的两栋建筑物基础布设了测点，进行沉降观测，房屋建筑物与隧道的空间位置关系如图１０所示。图１１为砖砌房建筑基础随时间变化的沉降曲线。可以看出，该基础的差异沉降值随时间的变化而波动，整体差异沉降值较小，控制在５ｍｍ以内，远小于施工前提出的控制标准。通过现场走访调查，也未在房屋墙面上发现新的裂缝，可知施工采取的房屋变形控制措施是合理的。由图还可知，在隧道施工前１５ｄ内，地表的沉降较小，最大沉降值约４ｍｍ，差异沉降值在２ｍｍ以内，这主要是ＣＲＤ上台阶施工对地表的沉降影响较小，在３５ｄ时，砖砌房基础沉降值迅速增大，最大沉降值约１６ｍｍ，但差异沉降仍控制在５ｍｍ以内，这主要是由于施工ＣＲＤ下台阶和仰拱的开挖引起的，待仰拱填充完毕，砖砌房屋基础沉降保持稳定，可见施工时及时进行初支封闭和仰拱填充可以有效抑制房屋基础的沉降。５７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据·隧道／地下工程·图１１砖砌房基础累积沉降量－时间曲线图１２为土坯房屋基础的累积沉降量随时间的变化曲线。由图可知，该土坯房基础的最大差异沉降值约１３ｍｍ，仍处在变形控制范围之内，通过现场走访调查也未出现裂缝现象，但相比图７砖砌房屋基础的沉降值而言，其差异沉降值较大，这主要是由于土坯房屋基础的承载能力较差，对地层扰动的响应更为敏感。由图１２还可知，该土坯房屋基础的竖向累积沉降随时间的变化大致可以分为三个阶段，前１０ｄ内，该基础的沉降较为缓慢，累积沉降值也较小，在第１０～３０ｄ，其竖向累积沉降值变化较小，但差异沉降值增大到１０ｍｍ，此后差异沉降值保持相对稳定，这主要是隧道施工的空间效应所致，施工前应按要求做好超前支护，减小空间效应的影响。大约３５ｄ左右，该基础的竖向沉降值迅速增大，这是ＣＲＤ下台阶施工所致，可见不同房屋建筑基础其对隧道施工步的响应是一致的，图１１和图１２共同表明下台阶的施工是控制围岩变形的关键。图１２土坯房基础累计沉降量－时间曲线７结束语（１）南华一号隧道采用ＣＲＤ施工时，沿隧道纵横向约２倍洞径的范围内围岩易受到施工的扰动，施工时应对该范围进行加固，下台阶的施工是控制地层变形的关键施工步，施工时应缩短初期支护的时间以控制地表变形。（２）控制砌体房屋建筑物基础的差异沉降是隧道顺利穿越房屋建筑物的关键，施工前应根据相应的规范和地质情况制定相应的控制标准。（３）不同房屋建筑物基础对隧道施工引起的地层变位响应不同，房屋基础的差异沉降值有较大不同，但随施工步的变化规律基本一致。综合现场监控量测数据结果分析，施工时采用的地表注浆和联合支护措施是合理的。参考文献［１］易小明，张顶立．浅埋大跨隧道下穿建筑物时的变形控制标准［Ｊ］．都市快轨交通，２００８（６）：４６－５０．［２］王浩，覃卫民，焦玉勇．浅埋大跨隧道下穿建筑物群的施工期安全风险管理［Ｊ］．岩石力学，２０１０（Ｓ１）：３１０－３１６．［３］曹瑞琅，贺少辉，李子峰．偏压富水软岩大断面隧道下穿建筑物地层变形及影响分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２（５）：９８２－９９０．［４］肖凯成，曹利．隧道下穿建筑物结构变形监测与分析［Ｊ］．施工技术，２０１３（２３）：１０８－１１３．［５］吕志涛，张生，邓怡虎，等．围岩蠕变对隧道下穿建筑物施工变形的影响［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１４，１０（６）：１３８０－１３８６．［６］李进军，王显春，庄纪栋，等．浅埋暗挖隧道穿越楼房基础的三维数值模拟［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００５，１（１）：７８－８９．［７］陈智慧．大跨隧道下穿建筑物施工方案对比分析及施工技术［Ｊ］．石家庄铁道大学学报，２０１５（２）：５０－５６．［８］康寅，孙付峰，程都，等．注浆加固技术在隧道下穿建筑物过程中的应用［Ｊ］．青岛理工大学学报，２０１３，３４（２）：２１－２６．［９］李星．隧道超前地质预报物探方法应用效果分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１０）：２３－２６．［１０］杨新民．隧道超前地质预报方法针对性选定及组合应用研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（９）：５－８．［１１］刘国强．可溶岩中隧道初支局部堵水注浆施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（９）：１３－１７．［１２］翟瑞超．软弱围岩隧道帷幕注浆施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（３）：１－４．６７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０２）万方数据