隧道扩挖对地层与邻近桩基的影响及控制研究

2022-03-26谭家麒

重庆建筑 2022年3期

谭家麒

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

0 引言

城市隧道下穿既有建筑的施工往往会导致周围岩土以及建筑基础发生不均匀沉降[1-3]，甚至导致建筑物破坏[4-5]。因此，众多学者针对城市隧道下穿既有建筑物施工做出了大量的研究。孔秋珍等[6]通过三维有限元模拟得出跨越凹凸区房屋的变形规律，认为隧道开挖时是房屋的最危险状态。郑学贵等[7]结合实际工程案例，建立连拱隧道下穿高层建筑安全性影响分析方法，并对隧道开挖后地基的变形与隧道支护的受力特性作出了安全性评价，认为隧道对近接建筑物安全性的影响应当综合考虑建筑结构的楼层高度、基础形式，隧道与建筑的位置关系，隧道结构形式、尺寸以及施工方法等。孙国庆[8]在对比多种建筑物保护方案后，提出采用注浆方式对地表建筑物进行保护，并通过试验得出注浆加固和跟踪注浆能有效控制建筑物沉降。刘继国等[9]采用管幕-支护结构组合体系浅埋暗挖法，成功地解决了复杂地质条件及复杂环境条件下的超浅埋大断面隧道下穿敏感建筑遇到的技术难题，建立了隧道下穿建筑的新方法。闫国栋[10]提出开挖隧道时必须与邻近建筑基础相距15m以上，并且由于开挖处出现应力集中，需在该处加强支护。

特殊情况下，须对已开挖的城市隧道进行扩挖施工，但由于隧道与建筑基础的相对位置关系颇为复杂，所以在选定施工方案时，应当充分考虑施工对建筑基础、围岩以及隧道结构本身的安全影响。本文以解放碑地下环道一期工程部分段落扩挖为例，参考上述相近研究成果，采用有限元软件对施工阶段进行安全性分析，并得出了满足安全条件下可行的施工方案。

1 工程概况

解放碑地下环道工程共分三期建设，由“一环、七联络、N连通”构成。其中，“一环”是一条地下车行循环道，总长约4km，线路走向为“临江门—较场口转盘—新华路—中华路—五一路—临江路—临江门”。其中，一期工程为从临江门到较场口转盘；二期工程为从较场口转盘到五一路口；三期工程为从五一路口到临江门。

根据消防需要，拆除原人防洞室K0+435～K0+444.5段老的衬砌结构，并进行横向1.028～1.543m不同宽度的扩挖施工，扩挖后新建的隧道为非对称异形结构，扩挖段起点K0+435与国贸中心桩基零距离接触，终点K0+444.5与主通道和支洞一交叉口处相接。工程平面图（局部）见图1。

图1 工程平面图（局部）

2 施工方案

针对实际工程概况，拟选用满堂支撑和锚杆悬吊两种方案。并对其分别进行施工阶段数值模拟。

通过对满堂支撑方案进行二维数值模拟，得出以下计算结果：

隧道拓宽开挖前拱顶最大沉降为2.9mm，底部最大隆起为4.4mm；隧道拓宽开挖后拱顶最大沉降为3.9mm，底部最大隆起为4.9mm。如果以原洞室衬砌施作后为变形零点，则隧道拓宽开挖诱发的拱顶围岩沉降为1.0（下降）。可以看出，隧道拓宽开挖对拱顶围岩沉降影响轻微。

隧道拓宽开挖前衬砌结构最大拉应力为132.4kPa，最大压应力为2847.5kPa；隧道拓宽开挖后衬砌结构最大拉应力为136.4kPa，小于C30混凝土抗拉设计强度，最大压应力为2701.7kPa，小于C30混凝土抗压设计强度，如图2所示。

图2 隧道扩挖后最大主应力云图

隧道拓宽开挖前满堂支撑最大轴力为0.51kN，支撑结构受压；隧道拓宽开挖后满堂支撑最大轴力为8.45kN，支撑结构受压，如图3所示。

图3 隧道扩挖后满堂支撑轴力云图

通过对锚杆悬吊方案进行二维数值模拟，得出以下计算结果：隧道拓宽开挖前拱顶最大沉降为2.9mm，底部最大隆起为4.4mm；隧道拓宽开挖后拱顶最大沉降为3.9mm，底部最大隆起为4.9mm。如果以原洞室衬砌施作后为变形零点，则隧道拓宽开挖诱发的拱顶围岩沉降为1.0（下降）。可以看出，隧道拓宽开挖对拱顶围岩沉降影响轻微。

拓宽开挖前衬砌结构最大拉应力为132.4kPa，最大压应力为2847.5kPa；隧道拓宽开挖后衬砌结构最大拉应力为134.6kPa，小于C30混凝土抗拉设计强度，最大压应力为2692.9kPa，小于C30混凝土抗压设计强度，如图4所示。

图4 隧道扩挖后最大主应力云图

隧道拓宽开挖前悬吊锚杆最大轴力为0.20kN，锚杆结构受拉；隧道拓宽开挖后悬吊锚杆最大轴力为8.49kN，锚杆受拉，如图5所示。

图5 隧道扩挖后悬吊锚杆轴力云图

考虑到若采用满堂支撑，将导致隧道扩挖施工无工作面，不具有可实施性，并且在拆除临时支撑后不能保证二衬的顺利施作，所以，通过将满堂支架作为临时支撑手段，和采用锚杆悬吊衬砌未破除部分两个方案进行对比分析，发现在都能保证施工安全的前提下，采用锚杆悬吊方案更具有可实施性。

3 主隧道扩挖模拟分析

3.1 计算参数取值

根据《解放碑地区人防工程停车场改造一期工程地质详细勘察报告》，隧道洞身主要位于中风化砂岩段，其厚度达25m，地表为1～2m厚人工填土。由于现扩挖段存在严重渗漏水现象，同时考虑到该扩挖段历史上经历过多次工程建设，如人防洞室爆破施工、国贸中心基坑开挖、该工程建设等，故本次模拟在对地勘报告提供的岩土体物理力学参数的基础上，结合现行《公路隧道设计规范》的建议值对地勘参数建议值进行了修正，采用的具体计算参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

计算中，围岩开挖阶段释放60%围岩压力，结构承担40%围岩压力。

3.2 计算模型

本次计算分析中，岩体力学模型采用理想弹塑性本构关系，服从Mohr－Coulomb屈服准则。

（1）有限元模型

Saint Venant原理及相关文献资料表明，地下工程洞室结构的三倍洞径以外的围岩受隧道施工的影响已很微弱，因此本次数值计算据此进行建模。建成后的模型宽度为100m，纵向长度为100m，如图6所示。

图6 隧道及桩基模型

（2）边界条件

计算模型的左右和前后边界为水平方向约束，底部为竖直方向约束，顶部为自由边界。

（3）计算步序

整个施工过程按4个步序进行模拟：

①模拟影响区域内地层的初始应力场（本次计算初始应力场只考虑岩体自重应力）；

②模拟原人防洞室开挖支护；

③模拟地下环道的支洞及风机洞室施工；

④模拟人防洞室扩挖施工。

3.3 桩基荷载

国贸中心桩基复杂，受客观因素限制，计算采用建筑基础+上部荷载模拟，上部荷载计算如下：

（1）屋面活荷载

民用建筑屋面均布活荷载标准值，按上人屋面取为2kN/m2。

（2）楼面活荷载

民用建筑屋面均布活荷载标准值按办公楼或住宅取为2kN/m2。

（3）隔墙重量

根据相关资料估计，取3kN/m2。

（4）单层结构自重

按表2估计，依据框架结构砖墙体材料取值，结构自重取12 kN/m2。

表2 高层建筑的结构自重

（5）荷载总计

按照标准组合进行设计，结构自重等组合系数为1.0，活荷载组合系数为0.7。单层楼面总的荷载大小为：0.7×2+1.0×（12+2+3）=18.4kPa。国贸中心为44层建筑，均布总荷载大小为：44×18.4=809.6kPa。由于该建筑以桩基础为主，局部为柱基础，考虑所有荷载均由基础承担，计算得出各桩基础轴力N如下：

1号桩基础N=28800kN；2号桩基础N=30400kN；3号桩基础N=31200kN；4号桩基础N=11200kN；5号桩基础N=20000kN；6号桩基础N=13200kN。

3.4 计算结果

（1）对国贸中心桩基的影响

经计算，桩基竖向位移最大值位于1号桩基处，隧道扩挖前桩基最大竖向位移为6.45mm，扩挖后桩基最大竖向位移为6.52mm，远小于现行《建筑地基基础设计规范》[11]对沉降差和倾斜值的要求。隧道扩挖前后各桩基竖向位移见表3。

表3 隧道扩挖前后各桩基竖向位移

（2）围岩稳定性影响

隧道扩挖前后围岩最大位移值均出现在扩挖段起点段拱顶围岩处，扩挖前围岩竖向位移最大值为4.54mm，最大主应力为200kPa，最小主应力为3.46MPa，如图7、图8所示；扩挖后围岩竖向位移最大值为4.73mm，最大主应力为200kPa，最小主应力为3.46MPa。

图7 隧道扩挖后最大主应力云图

图8 隧道扩挖后最小主应力云图

扩挖前后围岩竖向位移差值为0.19mm，围岩位移变化值较小；扩挖前后围岩最大主应力与最小主应力基本无变化，小于砂岩的抗拉强度值482kPa与饱和单轴抗压强度值24.8MPa。

（3）既有洞室衬砌结构的影响

扩挖前既有风机洞室和支洞一衬砌结构最大主应力值为811kPa，最小主应力值为5.36MPa，如图9所示；扩挖后既有风机洞室和支洞一衬砌结构最大主应力值为1080kPa，最小主应力值为11.3MPa。最大主应力增长了269kPa，增长率为33%，最小主应力增长了5.94MPa，增长率为111%。

图9 扩挖前风机洞室及支洞最小主应力云图

扩挖后新建衬砌结构最大主应力为116kPa，如图10所示，最小主应力为-83.7 kPa。

图10 新建衬砌结构最大主应力云图

扩挖前既有主通道衬砌最大主应力为3.64MPa，最小主应力为-6.42MPa；扩挖后最大主应力为3.88MPa，如图11所示，增加值为0.24MPa，位于交叉口顶部处，由于模型中结构在此处发生突变，引起局部应力集中，而该处有结构加强，且为钢筋混凝土，所以未出现开裂破坏，最小主应力为-9.30MPa，增长率为6.6%，位于扩挖段终点端与交叉口结构相接拱腰处，主要是因为隧道扩挖后，围岩压力由分叉段衬砌结构承担，导致其压应力增加较多。