北京地鐵暗挖區間隧道地表沉降控制方案研究摘 要:結合具體工程的概況,分析了區間隧道施工對樓群的不利影響,采用有限元方法進行模擬,對可行的幾種加固方案進行比較,從而選擇出最優加固方案,以指導施工。關鍵詞:區間隧道,加固方案,地表沉降,監控量測引言 北京地鐵10號線勁松站至終點站區間隧道周圍條件極為復雜,尤其是要近距離穿越幾棟居民樓,最高的有16層、最低的有3層,在復雜的地質條件下施工必須確保居民樓的絕對安全,而且做到施工期間不擾民,因此,安全保障措施必須絕對可靠,決定對靠近居民樓的區間隧道采用人工挖孔樁加固,以下就幾種加固方案的加固效果進行研究,選取最優加固方案。1工程概況1.1工程地質及水文地質條件 該區間隧道穿越地段地表主要為東三環東側輔道路面,沿線的建筑物主要有農光里小區(3棟永6,1棟永3)、內燃機廠農光里宿舍(1棟永6,1棟永5,1棟永15)、龍輝大廈(永16),高層建筑距地鐵最近距離為4.3ｍ～6.55ｍ,受地鐵影響大。區間線路均在第四紀地層中穿過,隧道頂部覆土厚度為13ｍ～17ｍ。 該區間主要由人工堆積層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚世沖洪積層組成。區間線路均在第四紀地層中穿過,隧道洞身主要穿過地層為中粗砂、粉質粘土、粉土、粉細中砂。 勘測深度范圍內測量到三層地下水,第一層為上層滯水,水位埋深5.7ｍ;第二層為潛水,水位埋深11.8ｍ～13.0ｍ;第三層為層間潛水,水位埋深19.7ｍ～21.8ｍ。1.2周圍環境狀況 勁終區間靠近居民樓段隧道為一大跨隧道和小段面隧道兩條隧道,其中居民樓在大段面隧道一側,小段面隧道施工采用臺階法,大段面隧道采用雙側壁導坑法施工。典型段面開挖寬度為14.428ｍ,開挖高度為9.18ｍ,支護形式為復合式襯砌。2區間隧道施工對樓群的不利影響 由于暗挖隧道開挖跨度達14ｍ,覆土僅為1倍洞徑左右(13ｍ～17ｍ),上覆地層難以形成承載拱,上覆土柱荷載較大。 區間隧道施工對高層居民樓安全是不利的,主要表現在[1]:
1)區間隧道跨度大,采用雙側壁導坑法施工[1],施工步驟多加之需降水,造成對樓房基礎地層的多次擾動,如沒有穩妥可靠的技術措施保證,疊加后可能產生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來致命的危害。2)區間隧道,在初支施工過程中隨著開挖在樓房靜載作用下土層應力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎產生不均勻沉降[3]。3加固方案 為了控制開挖引起的地表沉降,避免對附近的居民樓造成影響,決定采取以下三種方案進行加固,為了研究各方案的加固效果,決定采用有限元進行模擬,找出最佳加固方案,并提出建議。 1)在靠近房屋一側施作直徑0.8ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。2)在靠近房屋一側施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。3)在靠近房屋一側施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁,并對左右線隧道之間的土體進行注漿加固改良(水泥漿或水泥砂漿),同時對靠近住宅一側的土體進行注漿加固改良。4 加固方案的數值模擬4.1 計算模型 采用平面三角形單元,隔離樁用梁單元模擬,其他均采用實體單元進行模擬,小導管加固地層,加固厚度取20ｃｍ,地面活載和房屋荷載均取20ｋＮ,計算范圍兩邊均取兩隧道最外側距離的3倍,隧道底部取隧道高度的5倍距離,拱頂以上取到地表。加固挖孔樁位置在右側隧道邊墻外3.5ｍ處,樁長取隧道底部以下3.5ｍ,房屋位置設想隧道邊墻外4ｍ處。采用同濟曙光有限元計算軟件進行分析。計算參數取值如表1所示。4.2 計算結果 計算時先采用臺階法開挖右洞,然后采用雙側壁導坑法開挖左洞。共設6個開挖步,15個增量步。4.3 結果分析1)不加固 從計算結果可以得出,加固前房屋所處位置處地表位移(節點113,357,770,1174,1415,1697)豎直位移最大值為-30.2ｍｍ(節點1174),最小值為-19.5ｍｍ(節點113),高差為10.7ｍｍ,平均值為-25.6ｍｍ,最大水平位移為16ｍｍ(節點113),樓房前點豎直位移超過了30ｍｍ,產生了不均勻沉降,可能危及樓房安全,因此需要加固。2)(0.8×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結果可以得出,加固后房屋所處位置處地表位移(節點314,812,1378,1948,2397,2809)豎直位移最大值為-30.6ｍｍ(節點1948),最小值為-9.8ｍｍ(節點314),高差為20.8ｍｍ,平均值為-24.77ｍｍ,最大水平位移為12.2ｍｍ(節點314),從節點位移可以看出加固后,地表沉降值稍有增大,水平位移增大到12.2ｍｍ。但房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。3)(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結果可以得出加固后房屋所處位置處地表位移(節點314,812,1378,1948,2397,2809),豎直位移最大值為-27.5ｍｍ(節點1948),最小值為-8.9ｍｍ(節點314),高差為18.6ｍｍ,平均值為-22.1ｍｍ,最大水平位移為10.9ｍｍ(節點2809),從節點位移可以看出加固后,地表沉降值減小,水平位移減小到8.9ｍｍ。房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。 總之,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的效果最好,其一地表沉降明顯減小,其二樓房所處位置地表不均勻沉降大大減小;加固后改變了邊墻的材料特性,提高了土體強度,有利于隧道的穩定。5 結論 與建議從計算結果分析,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的加固效果明顯,房屋受到影響較小,比較安全。但施工過程的影響因素較多,所以其實際的位移難以預測,這和施工有較大關系,因此施工中應特別注意監控量測。 從計算結果看防止房屋破壞的目的基本達到,但從施工模擬可以看出,左洞開挖的地表沉降較大,因此施工中應加強支護,同時施工中要及時形成封閉面,注意各施工環節之間的銜接,盡量控制地表沉降。建議施工時將超前支護(小導管注漿)改為大管棚注漿超前預支護,同時管棚每段長度不宜過長。施工中在擴大跨度的施工步中豎直位移增加較多,建議注意加強支護;還有采用雙側壁導坑法施工時,豎撐的拆除往往造成較大的豎直位移,且是影響地表沉降量的主要因素,因此,在這一環節的施工應多加注意。最后,對房屋地基沉降必須進行監控量測,注意位移的變化,出現較大沉降時及時改變施工方法和支護方法。參考文獻:[1]呂 勤.北京城地鐵暗挖區間隧道穿越樓群關鍵施工技術[Ｊ].中國安全科學學報,2003(11):45 47.[2]ＴＢ1003 99,鐵路隧道設計規范[Ｓ].[3]曲學兵.超淺埋隧道暗挖施工模擬[Ｊ].四川建筑科學研究,2002(4):51 53.
1)區間隧道跨度大,采用雙側壁導坑法施工[1],施工步驟多加之需降水,造成對樓房基礎地層的多次擾動,如沒有穩妥可靠的技術措施保證,疊加后可能產生超量的不均勻沉降,給樓房的安全帶來致命的危害。2)區間隧道,在初支施工過程中隨著開挖在樓房靜載作用下土層應力釋放,引起的土體水平位移,使樓房基礎產生不均勻沉降[3]。3加固方案 為了控制開挖引起的地表沉降,避免對附近的居民樓造成影響,決定采取以下三種方案進行加固,為了研究各方案的加固效果,決定采用有限元進行模擬,找出最佳加固方案,并提出建議。 1)在靠近房屋一側施作直徑0.8ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。2)在靠近房屋一側施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁。3)在靠近房屋一側施作直徑1ｍ,間距1.2ｍ的隔離樁,并對左右線隧道之間的土體進行注漿加固改良(水泥漿或水泥砂漿),同時對靠近住宅一側的土體進行注漿加固改良。4 加固方案的數值模擬4.1 計算模型 采用平面三角形單元,隔離樁用梁單元模擬,其他均采用實體單元進行模擬,小導管加固地層,加固厚度取20ｃｍ,地面活載和房屋荷載均取20ｋＮ,計算范圍兩邊均取兩隧道最外側距離的3倍,隧道底部取隧道高度的5倍距離,拱頂以上取到地表。加固挖孔樁位置在右側隧道邊墻外3.5ｍ處,樁長取隧道底部以下3.5ｍ,房屋位置設想隧道邊墻外4ｍ處。采用同濟曙光有限元計算軟件進行分析。計算參數取值如表1所示。4.2 計算結果 計算時先采用臺階法開挖右洞,然后采用雙側壁導坑法開挖左洞。共設6個開挖步,15個增量步。4.3 結果分析1)不加固 從計算結果可以得出,加固前房屋所處位置處地表位移(節點113,357,770,1174,1415,1697)豎直位移最大值為-30.2ｍｍ(節點1174),最小值為-19.5ｍｍ(節點113),高差為10.7ｍｍ,平均值為-25.6ｍｍ,最大水平位移為16ｍｍ(節點113),樓房前點豎直位移超過了30ｍｍ,產生了不均勻沉降,可能危及樓房安全,因此需要加固。2)(0.8×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結果可以得出,加固后房屋所處位置處地表位移(節點314,812,1378,1948,2397,2809)豎直位移最大值為-30.6ｍｍ(節點1948),最小值為-9.8ｍｍ(節點314),高差為20.8ｍｍ,平均值為-24.77ｍｍ,最大水平位移為12.2ｍｍ(節點314),從節點位移可以看出加固后,地表沉降值稍有增大,水平位移增大到12.2ｍｍ。但房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。3)(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固 從計算結果可以得出加固后房屋所處位置處地表位移(節點314,812,1378,1948,2397,2809),豎直位移最大值為-27.5ｍｍ(節點1948),最小值為-8.9ｍｍ(節點314),高差為18.6ｍｍ,平均值為-22.1ｍｍ,最大水平位移為10.9ｍｍ(節點2809),從節點位移可以看出加固后,地表沉降值減小,水平位移減小到8.9ｍｍ。房屋所處位置沉降曲線比較緩和,沉降比較均勻。 總之,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的效果最好,其一地表沉降明顯減小,其二樓房所處位置地表不均勻沉降大大減小;加固后改變了邊墻的材料特性,提高了土體強度,有利于隧道的穩定。5 結論 與建議從計算結果分析,(1×1.2)ｍ樁加固和邊墻同時加固的加固效果明顯,房屋受到影響較小,比較安全。但施工過程的影響因素較多,所以其實際的位移難以預測,這和施工有較大關系,因此施工中應特別注意監控量測。 從計算結果看防止房屋破壞的目的基本達到,但從施工模擬可以看出,左洞開挖的地表沉降較大,因此施工中應加強支護,同時施工中要及時形成封閉面,注意各施工環節之間的銜接,盡量控制地表沉降。建議施工時將超前支護(小導管注漿)改為大管棚注漿超前預支護,同時管棚每段長度不宜過長。施工中在擴大跨度的施工步中豎直位移增加較多,建議注意加強支護;還有采用雙側壁導坑法施工時,豎撐的拆除往往造成較大的豎直位移,且是影響地表沉降量的主要因素,因此,在這一環節的施工應多加注意。最后,對房屋地基沉降必須進行監控量測,注意位移的變化,出現較大沉降時及時改變施工方法和支護方法。參考文獻:[1]呂 勤.北京城地鐵暗挖區間隧道穿越樓群關鍵施工技術[Ｊ].中國安全科學學報,2003(11):45 47.[2]ＴＢ1003 99,鐵路隧道設計規范[Ｓ].[3]曲學兵.超淺埋隧道暗挖施工模擬[Ｊ].四川建筑科學研究,2002(4):51 53.