建筑结构上跨多重隧道结构施工安全影响分析.pdf

专家荐稿:./.建筑结构上跨多重隧道结构施工安全影响分析收稿日期:科研课题:浙江省交通运输厅科技计划项目()作者简介:杨 明()男高级工程师从事交通工程建设管理工作杨 明 郑晓卿 张雨帆 陈礼明(.温州市交通工程管理中心浙江 温州 .浙江数智交院科技股份有限公司浙江 杭州)摘 要:为分析建筑结构施工对下方多重既有隧道结构的受力及安全性影响依托某隧道上方房建项目施工利用/有限元软件分析了建筑结构施工作用下既有隧道结构的位移与受力变化特征结合相关规范确定隧道的裂缝宽度与安全系数等指标评估了房建施工对既有隧道结构的安全影响 研究结果表明:施工引起既有多重隧道的竖向位移量大于横向位移量公路隧道和轨道隧道的最大竖向位移分别为.公路隧道和轨道隧道的结构安全系数分别为.最大裂缝宽度分别为.各项评估指标均满足规范要求施工不会影响既有隧道的结构和运营安全 施工过程中的位移量与裂缝宽度监测结果均小于计算量证明了该评估方法的可靠性关键词:已建隧道房建施工数值模拟安全评估中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言随着城市建设用地逐渐紧张房建工程建设与既有交通隧道相交的情况越来越多 房建基坑开挖和后续结构施工会改变围岩的应力状态破坏既有隧道原有的受力平衡导致既有隧道结构位移和受力的变化 隧道结构是变形控制极为严格的地下构筑物尤其轨道隧道结构 建筑结构施工前必须进行严格的安全影响评估避免对既有隧道结构与运营造成安全隐患鉴于此针对房建施工对既有隧道结构安全影响评估国内外有较多相关研究在理论计算方面魏纲、郭鹏飞等基于基坑开挖对下卧盾构隧道影响的工程案例统计分析得到隧道最大隆起变形预测模型张治国、周泽林等建立土体附 加应力对隧道影响的控制微分方程进而得到隧道纵向位移和内力计算表达式 数值模拟方法在实际应用研究中愈加广泛伍尚勇等采用/数值模拟与实测数据对比分析研究了广州某临近地铁隧道双侧深基坑按不同顺序开挖对穿越期间 已运营地铁隧道影响 袁静等以杭州某综合体 施工为背景结合分层总和法、有限软件对粉砂土地基降水和基坑开挖对临近隧道基础沉降 的叠加影响分析 高广 运运用 模拟 上 海 某 临近地铁隧道基坑施工研究单侧基坑开挖对隧道工程 影 响 并 提 出 应 对 措 施徐 长 节 等采 用 有限元数值模拟与简化的规范角点法对比分析评价隧道上方基坑开挖和后续结构施工对既 有公路隧道的影响针对建筑结构跨多重既有隧道结构施工的工程案例与工程影响研究较少 因此本文结合某上跨多重隧道的建筑结构施工基于地层 结构法和荷载 结构法利用 有 限 元 模 拟 施 工 过程从位移量、结构安全系数等多方面既有隧道结构安全进行安全影响评估研究方法和结论可为类似工程提供参考工程背景与风险特性.工程概况本房建项目为一栋地上 层、地下 层的社区管理综合楼采用钢结构建筑基础采用独立基础和桩基础本项目位于某公路交通隧道正上方某轨道交通线隧道的侧上方两工程线路平面逐渐靠近至重叠三者平面关系如图 所示 建筑基础直接作用于公路隧道中墙公路隧道位于轨道隧道正上方三者竖向上相重叠剖面位置关系如图 所示 公路隧道为双向四车道城市隧道明挖型 隧道衬砌轨道隧道为单洞双线隧道隧道断面形式 型断面采用控制爆破 法开挖据地勘报告勘察区出露的地层由上而下依次为第四系全新统人工填土层()、残坡积层()、冲积层()及侏罗系中统上沙溪庙组()沉积岩层 拟建项目位于长江与嘉陵江之间的河间坪状丘陵分水岭总体上不利于地下水的赋存属水文地质条件简单的区域场地地基稳定岩质地基稳定施工过程中受基坑开挖、结构施作、场地回填等扰 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .动轨道区间隧道原有应力平衡状态重新调整进而产生影响 为保障隧道结构与运营安全必须进行结构安全影响评估30 m24.4 m2112公路隧道；轨道隧道；建筑边界；建筑基础图 1平面关系图建筑结构回填公路隧道轨道隧道240238236234232230228226224222220218216214212高程/m图 2基坑与隧道相对位置关系.风险特性根据/城市轨道交通结构安全保护技术规范两座隧道与外部作业水平净距为 施工作业区域属于强烈影响区接近程度属于非常接近 依据规范项目影响等级判定表确定房建项目的实施对公路与轨道隧道结构影响程度为特级 项目主要风险有:)开挖卸荷将引起围岩内部的应力调整和变形隧道结构也产生一定的变形故需结合地层结构法对区间结构的变形进行验算)项目建成后新建项目的基础荷载可能传递至区间隧道结构上从而改变作用在其上的既有荷载 因此需要重新计算项目建成后区间结构上承载能力与裂缝宽度 既有隧道位移影响分析.模型构建为研究该工程基坑开挖及后续建筑荷载施加对隧道位移的 影 响 选 取 地 层 结 构 模 型 进 行 分 析 采 用 有限元分析软件建立二维工程模型 模拟剖面选取风险等级最高最不利的剖面 计算模型如图 所示对填土、岩体采用/自带的 本构模型其余采用弹性模型 地层结构计算过程中左、右侧边条法向约束底部边界固定 按照基坑开挖、建筑加载、场地回填施工过程进行模拟具体分析步骤如下:)初始应力计算位移清零)轨道区间隧道施工位移清零)公路隧道基坑开挖)公路隧道结构施工)公路隧道结构两侧及顶部回填位移清零)社区用房基坑开挖)社区用房上部结构基础荷载施加)地面恢复至设计标高图 3计算模型.参数取值土体力学参数根据某工程地质详细勘察报告确定具体力学参数见表 计算过程中在模拟公路隧道开挖时考虑轨道区间隧道爆破施工引起的围岩损伤将岩土层的参数折减 在模拟上部基础开挖时主要考虑公路隧道施工时采用机械开挖围岩损伤较小再将岩土层参数折减 表 计算采用岩土力学参数岩土参数容重/()弹性模量/泊松比 黏聚力/内摩擦角/()弹性抗力参数/()填土层.砂质泥岩.砂岩.混凝土.混凝土.计算结果.公路隧道结构位移分析施工引起隧道的竖向变形量总体大于横向变形量因此主要考虑竖向变形的影响 建筑结构基坑施工将引起区间隧道周边围岩的整体上隆公路隧道靠近施工场地一侧的左侧顶板跨中位置上隆量达到.如图 所示 建筑结构施工完成后建筑结构的荷载将抵消基础开 挖施工引起 的隆起变形并引起围岩沉降公路隧道中墙及顶板左侧沉降量较大达到.如图 所示 回填土体荷载将进一步加大围岩沉降变形隧道沉降变形增加至.如图 所示此状态为隧道结构最不利状态 而施工过程中横向位移量最大为.远小于竖向位移量.轨道隧道结构位移分析施工过程引起轨道隧道变形过程与公路隧道近似位移量不同 基坑开挖后轨道隧道结构靠近建筑结构一侧的左拱肩至左拱脚竖向上隆量最大达到.如图 所示 房建完成后轨道隧道结构变形由上隆变形转为沉降相同位置的最大沉降量为.如图 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 DISPLACEMENTTY，mm+2.17+1.97+1.77+1.57+1.37+1.17+0.97+0.77+0.56+0.36+0.16图 4基坑开挖后公路隧道变形云图DISPLACEMENTTY，mm-1.50-2.09-2.68-3.27-3.86-4.45-5.04-5.63-6.22-6.81-7.40图 5房建完成后公路隧道变形云图DISPLACEMENTTY，mm-1.65-2.23-2.81-3.39-3.96-4.54-5.12-5.70-6.28-6.85-7.43图 6场地回填后公路隧道变形云图所示 场地回填后轨道隧道进一步沉降最大沉降为.如图 所示 施工过程中轨道隧道横向位移量最大为.远小于竖向位移量DISPLACEMENTTY，mm+0.79+0.74+0.69+0.64+0.59+0.54+0.49+0.43+0.38+0.33+0.28+0.23+0.18图 7基坑开挖后轨道隧道变形云图DISPLACEMENTTY，mm-1.49-1.78-2.07-2.36-2.64-2.93-3.22-3.51-3.79-4.08-4.37-4.66-4.94图 8房建完成后轨道隧道变形云图项目实施对轨道区间结构的变形影响较小施工过程中仰拱的最大竖向变形约为.横向变形约为.计算采用岩土力学参数(见表).结果分析/城市轨道交通结构安全保护技术DISPLACEMENTTY，mm-1.60-1.89-2.18-2.46-2.75-3.04-3.33-3.62-3.91-4.19-4.48-4.77-5.06图 9场地回填后轨道隧道变形云图规范规定城市轨道交通结构安全控制指标值应符合:隧道的水平和竖向位移预警值小于 轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于 公路隧道结构最大横向位移约为.最大竖向位移约为.轨道隧道结构的最大横向位移约.最大竖向位移约.均远远小于规范规定的 拟建项目基坑开挖与建筑加载不影响隧道结构的安全轨道 隧 道 区 间 结 构 仰 拱 的 最 大 竖 向 位 移 约.最大横向位移约.因而引起的轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于规范规定的 拟建项目的建设与运营不影响轨道隧道的安全运营 既有隧道结构承载安全分析.隧道结构承载安全分析方法采取荷载 结构法求取衬砌结构内力荷载 结构法是将岩体对结构的围岩压力作用简化为荷载直接施加于结构上进行内力计算通过计算所得的内力进行分析从而达到检验结构安全性的目的利用 计算软件计算结构受力模型建立过程中地基岩土体对衬砌结构约束作用简化为仅受压弹簧单元其弹性抗力系数大小反映地基对衬砌结构约束作用的强弱衬砌结构简化为梁单元其材料类型为钢筋混凝土其断面宽度为二衬混凝土厚度纵向长度为 松散岩土体对衬砌结构的作用简化为竖向荷载与水平荷载具体模型参数参考.节根据 .公路隧道设计规范规定钢筋混凝土按荷载基本组合求得的结构安全系数不应小于.混凝土结构设计规范规定钢筋混凝土衬砌结构构件按荷载基本组合求得的最大裂缝宽度 不应大于.计算隧道衬砌的安全系数与裂缝宽度分析隧道结构安全.公路隧道结构承载安全分析.公路隧道结构荷载项目建设后作用在公路隧道结构上的荷载包括竖向围岩压力、侧向围岩压力、建筑主基础附加集中荷载结构左侧覆土高度.右侧覆土高度.填土完成后隧道为超浅埋作用于衬砌结构上的荷载求取方法参照 .公路隧道设计规范中超浅 第 卷 第 期 年 月 杨 明等:建筑结构上跨多重隧道结构施工安全影响分析埋隧道荷载求值方法 结构施工完成后一排基础结构落于公路隧道中墙上如图 所示建筑荷载选取最右侧最大基础荷载建筑基础集中荷载为 考虑建筑结构传递下来的荷载和覆土荷载不考虑纵向扩散作用在公路隧道总荷载如图 所示基础 Fs=4 050 kN覆土荷载 qs=1.921.0=39.9 kN/m覆土荷载 qs=6.121.0=128.1 kN/m侧向土压力e1=0.1739.9=6.8 kN/m侧向土压力e1=0.17128.1=21.8 kN/m侧向土压力e2=0.1721.0（1.9+7.6）=33.9 kN/m侧向土压力e2=0.1721.0（6.1+7.6）=48.9 kN/m图 10公路隧道荷载作用示意图.公路隧道安全系数与裂缝宽度荷载变化后公路隧道结构的弯矩和轴力分布如图 所示隧道右侧顶板跨中和顶板中墙位置弯矩最大达到 .和 .根据规范计算该位置处安全系数与裂缝宽度计算结果如表 所示 公路隧道顶板中墙受影响较顶板跨中更为不利顶板中墙的安全系数为.裂缝宽度为.能够满足规范要求因此建筑结构施工不会影响公路隧道的结构安全BEAM FORCEBENDING MMNT Y，kN m+1 067.92+864.08+660.24+456.40+252.56+48.72-155.12-358.96-562.80-766.64-970.48-1 174.32-1 378.16BEAM FORCEAXIAL FORCE，kN-196.54-299.49-402.44-505.39-608.33-711.28-814.23-917.17-1 020.12-1 123.07-1 226.02-1 328.96-1 431.91（a）区间结构弯矩分布图（b）区间结构轴力分布图图 11公路隧道受力分布图表 公路隧道截面安全系数与裂缝宽度验算截面位置厚度/主筋内力弯矩/()轴力/()截面安全系数裂缝宽度/顶板跨中 .顶板中墙 .轨道隧道结构承载计算.轨道隧道结构荷载项目建设后作用在轨道区间结构上的荷载包括:公路隧道基底传递的竖向荷载、侧向荷载及公路隧道基底以下围岩竖向荷载与侧向压力利用 计算软件计算公路隧道的围岩抗力公路隧道围岩抗力分布如图 所示 然后根据围岩抗力提取地基反力地基反力如图 所示取 个峰值段的平均值作为公路隧道基底传递荷载SPRING STRESSTX TRANS，kN+0.00-20.70-41.40-62.11-82.81-103.51-124.21-144.92-165.62-186.32-207.02-227.72-248.43图 12公路隧道围岩抗力分布-10-50510-50-100-150-200-250-300地基反力/kN水平距离/m图 13地基反力分布将公路隧道地基反力作为荷载作用在轨道区间隧道上公路隧道基底荷载传递示意图如图 所示传递至轨道隧道的荷载 ./././同时考虑作用在区间隧道覆土荷载作用在轨道区间的总荷载分布图如图 所示基础公路隧道Q3=113.9 kN/mQ1=158.5 kN/mQ2=189.7 kN/m轨道隧道图 14公路隧道基底荷载传递示意图e2=0.10（76.0+49.2+7.625.9）=32.2 kN/mqs2=146.6 kN/mqs1=1.925.9=49.2 kN/mq2=58.3 kN/mq1=76.0 kN/m侧向土压力e1=0.10（76.0+49.2）=12.5 kN/m侧向土压力侧向土压力e3=44.50 kN/m图 15作用在轨道区间结构上的荷载图.轨道隧道安全系数与裂缝宽度房建施工作用下轨道隧道衬砌的弯矩与轴力分布图如图 所示在建筑完工后荷载作用下拱顶位置弯矩和轴力最大拱肩次之 因此针对拱顶和拱肩计算其截面安全系数和裂缝宽度结果如表 所示隧道拱顶的安全系数为.裂缝宽度为.大于拱肩位置 隧道的截面安全系数与裂缝宽度均满足规范要求因此新建建筑结构不会影响既有轨道隧道安全第 卷 第 期 年 月 山西建筑 -260.34-294.14-327.94-361.74-395.54-429.34-463.14-496.94-530.74-564.54-598.34-632.13-665.93BEAM FORCEAXIAL FORCE，kNBEAM FORCEBENDING MMNT Y，kN m+249.65+199.18+148.71+98.25+47.78-2.69-53.16-103.63-154.09-204.56-255.03-305.50-355.96（a）区间结构弯矩分布图（b）区间结构轴力分布图图 16轨道隧道受力分布图表 公路隧道截面安全系数与裂缝宽度验算截面位置厚度/主筋内力弯矩/()轴力/()截面安全系数裂缝宽度/拱顶.拱肩.施工现场监测对比为了保证在房建项目实施过程中既有隧道结构安全对房建项目附近 的隧道进行沉降与收敛监测、裂缝监测 重点监测公路隧道顶板跨中与顶板中墙部位以及轨道隧道拱顶和拱肩部位实测位移量与计算位移量较为接近 实测公路隧道在基坑开挖、附属结构加载、场地回填三个阶段的竖向位移量最大值分别为.均在计算值.的安全范围内 轨道隧道实测值分别为.均在计算值.安全范围内施工过程中在公路隧道顶板跨中部位发现一条宽度约.长度约.裂缝并未继续发育符合相关规范(见表)整体而言评估结果与实际施工结果一致 结论本文依托建筑结构跨多重既有隧道结构施工项目结合地层 结构法和荷载 结构法分析了建筑结构施工对叠加的两种隧道的位移、受力等影响并评估了施工对既有隧道结构安全性的影响 得到以下结论:)基坑开挖导致既有隧道产生隆起变形建筑结构施工及场地回填导致既有隧道沉降变形靠近施工场地一侧隧道位移量最大 施工荷载作用下公路隧道的顶板跨中及顶板中墙、轨道隧道的拱顶及拱肩的轴力和弯矩较大)公路隧道和轨道隧道的最大竖向位移分别为.均小于/城市轨道交通结构安全保护技术规范规定的 )轨道隧道结构仰拱的最大竖向位移约.最大横向位移约.引起的轨道横向高差、轨向高差、轨间距均小于/城市轨道交通结构安全保护技术规范规定的 )公路隧道和轨道隧道的结构安全系数分别为.最大裂缝宽度分别为.满足规范要求)施工过程中对影响区域的监测结构均小于计算结果建筑结构施工对既有隧道安全未造成影响参考文献:高广运高盟杨成斌等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究.岩土工程学报():.魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析.岩土力学():.郭鹏飞杨龙才周顺华等.基坑开挖引起下卧隧道隆起变形的实测数据分析.岩土力学(增刊):.张治国张孟喜王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法.岩土力学():.周泽林陈寿根陈亮等.基坑施工对下卧地铁隧道上抬变形影响的简化理论分析.岩土工程学报():.伍尚勇杨小平刘庭金.双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响的分析.岩石力学与工程学报(增刊):.袁静刘兴旺陈卫林.杭州粉砂土地基深基坑施工对邻近地铁隧道、车站的影响研究.岩土工程学报(增刊):.徐长节王伊丽徐芫蕾等.新建工程基坑开挖及结构施工对既建下卧隧道的影响研究.岩土力学():.中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通结构安全保护技术规范:/.北京:中国建筑出版社.符亚鹏.膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响.铁道建筑():.重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范:.北京:人民交通出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:.北京:中国建筑工业出版社.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月 杨 明等:建筑结构上跨多重隧道结构施工安全影响分析.():.:.():.():.():.():.():.:.:(上接第 页)(.):/.:第 卷 第 期 年 月 李 奇等:地下废弃管道破损内渗诱发地面沉降性状研究