浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究

第28卷第1期岩石力学与工程学报Vol.28No.12009年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，2009收稿日期：2008–06–13；修回日期：2008–09–30基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778011)；国家高技术研究发展计划(863计划)(2006AA11Z119)作者简介：张顶立(1963–)，男，1995年于中国矿业大学采矿工程系获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究张顶立，李鹏飞，侯艳娟，骆建军(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京100044)摘要：厦门机场路一期工程在大跨、浅埋及复杂地质等工程条件下穿越地表密集的建筑物群，受隧道施工影响的建筑物多达90余栋。在隧道施工过程中，既要保证新建隧道结构的安全，同时还要保证地表既有结构的安全，而后者显得更加重要。隧道施工面临着全风化花岗岩遇水软化、隧道结构整体沉降、地层大变形、建筑物差异沉降及裂缝控制等诸多难题。在对该工程特点和控制方案系统分析的基础上，为保证控制方案的可靠性，对拟拆迁的104#和105#楼房进行试验研究，通过施工过程的注浆抬升和变形监测结果，论述地层沉降、建筑物沉降及裂缝产生、发展随隧道开挖的变化规律，并提出优化洞内施工与地面注浆抬升建筑物相结合方案，控制围岩大变形和有效保护建筑物的工程措施。试验数据表明，将核心控制指标—建筑物差异沉降量控制在20mm以内可保证建筑物的安全；地表注浆与洞内注浆相结合可实现对建筑物的抬升，并有效地减小建筑物的差异沉降并控制裂缝的发展。研究结果为机场路隧道后续穿越重点建筑物的施工提供了技术支撑和安全保障，也为今后类似工程的设计、施工和研究提供了有益的借鉴和参考。关键词：隧道工程；浅埋大跨隧道；变形机制；建筑物沉降；差异沉降；工程控制中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)01–0095–08EXPERIMENTALSTUDYONSAFETYCONTROLOFBUILDINGSDURINGCONSTRUCTIONOFSHALLOW-BURIEDSOFTROCKTUNNELWITHLARGE-SECTIONZHANGDingli，LIPengfei，HOUYanjuan，LUOJianjun(EngineeringResearchCenterofTunnelandUndergroundEngineering，MinistryofEducation，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China)Abstract：Thefirst-stageprojectofXiamenAirportRoadcontainslarge-sectiontunnelwithspanof34minshallowdepth，whichpassesthroughthebottomofmorethan90existingbuildings.Duringitsexcavationprocess，thesafetyofthetunnelitselfmustbeguaranteed，whilemoreattentionsshouldbepaidtothesafetyoftheexistingbuildings.Astothistunnelconstruction，itisfacedwithmanytechnicaldifficulties，especiallysofteningoffully-weatheredgranitesingroundwater，settlementofthewholetunnelstructure，largedeformationofstrata，anddifferentialsettlementsandcrackingofbuildings，etc..Basedonsystematicanalysisoftheprojectfeaturesanditscontrolscheme，buildings#104and#105plannedtoberemovedarereservedasexperimentalbuildingforensuringthereliabilityofthisscheme.Throughtheupliftgroutingandin-situdeformationmonitoringduringtunnelconstruction，itisdiscussedhowthestratasubsidence，settlementandcracksofbuildingsdevelopwithexcavationstep.Besides，themethodofoptimizingconstructionschemecombinedwithsurfaceupliftgroutingisproposedtocontrolthelargedeformationofstrataandtoprotectbuildings.In-situdatashowthatthedifferential•96•岩石力学与工程学报2009年settlementsofbuildingsshouldbecontrolledwithin20mm；thesynchronousmeasureofgroutingfromsurfaceandfrominsidetunnelcancontrolthebuildingsuplift，reducetheirdifferentialsettlements，andholdtheircrackingdevelopment.Theresearchresultscanprovidetechnicalsupportandinsuranceforsubsequentconstructionwhenmoreimportantbuildingsexist，aswellasfavorablereferencefordesign，constructionandstudyoffuturesimilarprojects.Keywords：tunnellingengineering；shallow-buriedandlarge-spantunnel；deformationmechanism；buildingsettlement；differentialsettlement；constructioncontrol1引言厦门机场路一期工程下穿隧道浦南暗挖段总长约1000m，在密集的建筑物下穿过，其影响范围内的建筑物多达90余栋。暗挖隧道平面布置为分岔式结构，即由连拱隧道和小净距隧道组成，设计纵坡为－2.44%。起点接明挖下穿隧道，终点与分离式梧村山隧道相连。该路段地形较平缓，进口段560m以内隧道埋深较浅，为9～22m。该工程具有浅埋、大跨、围岩软弱、周边施工环境复杂以及地质条件差等显著特点。由此可见，如何在隧道施工中保证既有建筑物的安全是该工程成功的关键。受隧道施工的影响，建筑物的安全性控制是一个极其复杂的系统工程。为了保证施工过程中建筑物的绝对安全，需采取非常严格的控制程序和方法，通常包括以下5个步骤[1，2]：(1)建筑物的现状评估和安全性评价；(2)施工影响预测与方案设计；(3)过程控制方案制定与实施；(4)监控量测与信息反馈；(5)工后评估与结构状态恢复。通过对施工影响下建筑物的安全性分析，分别对90余栋建筑物提出了相应的分级、分类方案[3]，明确了将34#和39#楼群作为本工程控制的重点，并给出了相应楼房沉降及差异沉降的控制标准。鉴于本工程的复杂性和高风险特性，为做到施工过程中控制方案的万无一失，在隧道穿越重点建筑物之前，对拟拆迁的104#和105#楼房进行了较为全面的试验研究。2试验楼房概况及试验研究目的2.1试验楼房概况用于试验的104#和105#楼房为2栋联体楼(见图1)，位于厦门机场路隧道YK7+520～YK7+543段正上方，其中104#楼房为3层，砌体结构，绝大部分楼板已拆除，破损严重；105#楼房为4层，框架结构，破损较小，房屋总体长82.0m，宽10.3m，图1试验楼房外观图Fig.1Appearanceofthebuildingsforexperiment基础厚0.5m，宽2.1m，两侧各挑出0.9m。房屋基础断面及其与隧道关系见图2。图2试验楼房基础断面及其与隧道位置关系图Fig.2Relationshipschemeoffoundationcross-sectionofbuildingsforexperimentandtheirlocations此段围岩分级为VI级，地表以下0～3m范围内为填筑土，多以生活垃圾为主；3～7m范围内为泥质粗砂，呈松散～松软状，流动性较强；7m以下为全风化花岗岩，稳定性很差，遇水很容易流失、塌陷，地下水埋深3～5m。2.2试验研究目的(1)通过对建筑物裂缝发展规律的监测，验证建筑物沉降及差异沉降控制标准的合理性和可靠性。(2)通过对建筑物沉降过程的监测和分析，确定附加影响最小的合理施工步序和变位分配方法。(3)通过调整注浆参数和工艺，验证既定隧道帷幕注浆方案的可行性和有效性。(4)验证建筑物结构注浆抬升方案的可行性，并为过程抬升方案的优化提供依据。(5)对紧急预案进行演示，进一步验证预案的可实施性，为施工安全提供保障。通过对建筑物受施工影响的监测及结构恢复等过程的系统试验，为本工程中隧道穿越重点建筑物的安全施工提供技术支撑。单位：m第28卷第1期张顶立，等.浅埋大断面软岩隧道施工影响下建筑物安全性控制的试验研究•97•3现场监测结果与分析隧道施工采用连拱隧道常用的三导洞法施工，如图3所示。图3连拱隧道洞口外观图Fig.3Entranceofdouble-archedtunnel3.1地表沉降对同一断面来说，由于施工开挖时间的不同，每次开挖后，隧道的变形及周边土体的应力分布都随着开挖的扰动发生变化。同样，地表产生沉降的范围及沉降量均在不断变化之中[4]。在试验楼房后YK7+543断面隧道上方地表对称布设沉降监测点。其中，中间和两端测点分别位于隧道中线和开挖边线上方，沉降曲线见图4，5。图4不同施工阶段地表沉降曲线Fig.4Surfacesettlementcurvesduringdifferentconstructionphases图5隧道施工过程的地表沉降曲线Fig.5Surfacesettlementcurveduringtunnelconstruction从图4，5可以看出：(1)实测地表沉降最大值约为90mm，地层变形量较大，分析认为隧道埋深浅、跨度大，地质条件差，围岩力学参数较低，隧道结构整体沉降较大是造成地表沉降大的主要原因，后续施工地层变形控制需要进一步加强。(2)从变形时间历程看，地表变形存在以下3个阶段[5]：①微小变形阶段：当掌子面开挖到距测点约1.5倍洞径时，隧道开挖就开始使地面产生一定范围的沉降，变形量占总变形量的10%～15%，这主要是由于工作面的开挖导致前方地层应力释放以及土体中地下水的流失而引起的。②变形急剧增大阶段：随着掌子面向前推进，从开挖面接近测点到越过测点约3倍洞径时段内，地表变形速率加速增长，变形量急剧增大，此阶段变形量占总变形量的60%～70%。该阶段变形主要是由于隧道的开挖而造成边界条件发生改变，从而对上覆层土体、水体产生扰动，引起应力场、渗流场的重分布，产生卸载效应和有效应力场的改变所造成的。③缓慢变形阶段：当掌子面向前开挖超过测点3倍洞径以后，变形速率开始减缓，变形量缓慢增加，沉降曲线逐渐收敛。这种变形主要是隧道支护封闭成环后，覆土的进一步压密造成的。(3)从变形与开挖步序的关系看，各施工阶段造成的地表沉降均比较大