土岩结合地层暗挖区间隧道下穿建筑物变形预测研究.doc

　　摘要： 本文结合了青岛地铁一期工程（3号线）土岩结合地层某浅埋暗挖区间隧道下穿既有建筑物这一工程，采用MIDAS-GTS二维平面应变弹塑性非线性方法进行分析，对土岩结合地层暗挖隧道上方建筑物的安全性进行预测。工程最大难点在于隧道下穿既有建筑物的施工期间不能影响建筑物的正常运营。施工中应在该范围内及时进行初期支护、封闭成环并及时进行初支背后回填注浆。分析结果对土岩结合地层区间隧道下穿既有建筑物分析研究提供借鉴，对后续工程的施工具有重要参考价值。
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　　Abstract： This article combines the first phase project of Qingdao Metro （No.3） combination of soil and rock strata of a shallow-buried subsurface excavated tunnel under existing buildings project， the combination of soil and rock strata and close-cut tunnel above the prediction of building security by MIDAS-GTS a two-dimensional plane strain Elasto-plastic nonlinear analysis methods. Engineering the greatest difficulty during the construction of the tunnel under existing buildings could not affect the normal operation of the building. Early construction should be carried out in the context of the timely support， closed into a ring and backfill Grouting behind early in a timely manner. Analysis on the combination of soil and rock strata tunnels through analysis of existing buildings to provide inspiration， great reference value for subsequent construction.
　　关键词： 土岩结合；区间隧道；建筑物；有限元；变形
　　Key words： combination of soil and rock；sectional tunnels；building；finite element；deformation
　　中图分类号：U231.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0031-03
　　0 引言
　　本文结合了青岛地铁一期工程（3号线）某浅埋暗挖区间隧道下穿既有建筑物这一课题，采用MIDAS-GTS二维平面应变弹塑性非线性方法进行分析，对土岩结合地层暗挖隧道上方建筑物的安全性进行预测，为青岛地铁后期建设和同类地层地铁施工建筑物安全控制具有重要借鉴和参考价值。
　　1 工程概况
　　青岛地处胶东半岛西南部，全市地形特征呈东高西低，南北两侧隆起，中间凹陷。燕山晚期稳固的花岗岩体以基底形式分布于地表或地下一定深度内，并在长期风化作用下形成了一定厚度的风化带，其上沉积了厚度不一的第四纪松散堆积物，是典型的“上软下硬”型的地质类型。
　　万年泉路站～李村站区间采用暗挖法施工，断面形式为马蹄形，复合衬砌暗挖结构，区间沿万年泉路转入京口路，地面为商业、商务办公、居住用地，区间覆土厚度约为11～21m。由于该区间下穿建筑物较多，本文只选取具有代表性的中国银行李村支行，如图1所示。该建筑位于李村河冲积平原区。地面最高标高为18.03m，李村河最低标高为12.01m。
　　区间隧道下穿的建筑物中中国银行李村支行为地上6层局部7层的砖砌体结构，建成年代为1990年，无地下室，位于夏庄路，距离李村站约22m，基础为钢筋混凝土条形基础独立柱基，区间隧道与建筑物基础垂直距离为10.87m。区间隧道洞身位于半砂半岩的地层中，区间隧道上半部处于富水砂层中，上覆地层为素填土（2.2m）、粉质粘土（5.4m）、粗砂（7.4m），区间隧道上部处于富水砂层中，砂层渗透系数为40m/d，下部处于中风化岩层中，上软下硬的特殊地层，给施工带来极大困难，施工风险极大，由于中国银行李村支行具有典型代表性，因此本问选取区间隧道下穿中国银行李村支行段进行计算分析。区间隧道与中国银行李村支行的位置关系如图2～3所示。
　　2 施工期间建筑物变形分析
　　2.1 计算模型及计算简图 分析采用MIDAS-GTS二维平面应变弹塑性非线性方法进行计算，模型为二维模型，采用地层结构模式，计算模型中，地层材料采用平面单元模拟，初支采用平面梁单元模拟。考虑边界效应的影响，计算模型的尺寸取为72m×45m。边界条件为左右和底部为法向约束，上部为自由面。计算只考虑隧道开挖及初期支护阶段。隧道采用台阶法开挖。计算时考虑小导管及全断面注浆对周围土体的整体加固作用，小导管加固区域及深孔注浆区域将围岩等级提高一级（加固区域按Ⅴ围岩取值），地面房屋荷载每层取20kN/m均布荷载，共计7×20kN/m=140kN/m。区间隧道采用台阶法开挖。
　　由于计算主要目的为分析施工过程力学效应，故未对二衬进行相应的分析，支护结构力学参数如表1、表2所示，有限元模型如图4所示。
　　2.2 计算结果及分析 由于区间隧道下穿中国银行，为保证银行的正常运营，防止由于隧道开挖导致建筑物沉降变形，此处重点分析区间隧道开挖过程中，建筑物的竖向位移变形量、地表沉降量及隧道拱顶的下沉量，计算结果如图5、图6所示。 　　通过图5可知，在隧道左线开挖完成后，隧道拱顶下沉5.2mm，引起地面下沉为2.2mm，隧道右线开挖完成后，隧道拱顶下沉8.0mm，引起中国银行李村支行下沉为4.1mm，小于对既有建筑的控制指标。但考虑土体结构本身的复杂性，在施工过程中要加强对区间隧道的监测，实时调整注浆压力和顶进力，确保既中国银行李村支行结构的安全。
　　根据沉降的成因分析，应分为三部分：①未开挖阶段的沉降，该沉降主要由掌子面的变形，引起前方地层的先期沉降；②开挖阶段，由于地层应力重分布过程中的开挖引起的沉降；③开挖后的固结沉降，由于之前的施工活动，对地层的扰动，引起地层土体间的不均匀变形，之后又重新固结、达到一个新的平衡。
　　从分析来看，第2个沉降是地层的主要影响因素，因此从我们所采取的技术措施、手段来说，关键在于如何缩短地层的应力重分布时间，也就是通过初期支护结构快速、有效地给地层提供一个满足刚度要求的约束（采取短进尺—每循环进尺50cm、型钢支撑）。其次为减小先期开挖的沉降因素，通过超前小导管注浆、封闭掌子面等措施来尽可能地达到目的。最后，为减小后期沉降的影响，通过初期支护背后回填注浆、增加型钢锁脚锚杆的措施、及时封闭初期支护等措施。
　　通过上述分析，可以说明通过注浆加固能够很好改善隧道开挖过程中对地面沉降及建筑物沉降的影响，通过行之有效的注浆加固措施，可以最大限度的减少因区间隧道开挖对上部建筑物的影响。
　　3 结论
　　①在“土岩结合”结合地层采用矿山法修建隧道，同时下穿建筑物在国内工程中比较罕见。本工程施工的最大难点在于确保隧道施工期间建筑物的正常运营。因此，在施工过程中，洞内深孔注浆，开挖断面3.0m范围内砂层进行加固，拱部超前小导管，L=3.0m，环纵间距0.3m以及间距0.5m的型钢拱架，减小先期开挖的沉降因素。
　　②随着隧道开挖，开挖循环时间增加，导致支护时间延后，也是造成地表沉降的主要原因之一；另外，隧道拱部属软弱围岩，钻爆法施工对岩层的扰动及破坏是造成地表沉降过大的另一原因，所以如何缩短地层的应力重分布时间是关键，也就是通过初期支护结构快速、有效地给地层提供一个满足刚度要求的约束。
　　③运用MIDAS-GTS二维平面应变弹塑性非线性方法进行分析计算，从区间隧道左右线相互影响的角度分析隧道拱顶下沉、地表沉降及建筑物沉降，分析结果满足建筑的控制指标。
　　④通过注浆加固能够很好改善隧道开挖过程中对地面沉降的影响，可以最大限度的减少因区间隧道开挖对上部建筑物的影响，为减小后期沉降的影响，通过初期支护背后回填注浆、增加型钢锁脚锚杆的措施、及时封闭初期支护等措施。
　　⑤本工程所提出的建筑物及区间隧道加固方案、超前支护措施和隧道开挖与支护措施对国内类似下穿建（构）
　　筑物的地下工程的施工具有重要的参考价值。
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