软岩浅埋大跨隧道施工过程中厂房安全运行研究

软岩浅埋大跨隧道施工过程中厂房安全运行研究

1隧道空间分布厦门市成功大道梧村隧道整体呈sn走向。这是一条双向六车道的隧道。单个隧道净宽13.5m，高5.0m。JC3标段暗挖隧道位于莲前西路两侧的龙山山前台地和浦南工业区,总长650m,人口稠密,工业、民用建筑林立,城市环境复杂。隧道以浅埋、大跨形式通过,为开挖跨度达34m的小间距连拱隧道,该路段地形较平缓,进口段隧道埋深仅9m。隧道上方楼房大部分为陈旧砖混结构,极少数为钢筋混凝土结构。被隧道从正下方完全穿过的楼房有14栋;被隧道从侧下方穿过、交叉部分不足楼房结构1/2的有20栋;被隧道从侧下方穿过、且平面上无交叉的楼房有40栋。34#楼是隧道下穿线路上的典型建筑物,为一栋6层砖混结构楼房,在平面位置上隧道几乎完全穿过该楼房,埋深约18m。如何保证34#楼在隧道施工过程中的安全,是隧道施工组织设计的重点。2全断面幕墙注浆34#楼区域地层自上而下分别为薄层杂填土、泥质粗砂、残积亚黏土和V,VI级强风化花岗岩(见图1)。隧道下穿34#楼采用CRD法施工(见图2),各部开挖步距控制以初支快速封闭成环为原则,尽可能缩短台阶距离。为控制隧道变形,二次衬砌与掌子面距离不大于30m。由于上覆层地质条件差,在隧道下穿34#楼前采取全断面帷幕注浆,同时在掌子面进行超前预注浆(见图3),采用φ108mm超前大管棚和超前小导管等超前预支护措施(见图4),可保证隧道施工安全和控制变形。隧道初期支护措施有型钢拱架、锁脚锚管、系统锚管和二次初期支护等。全断面帷幕注浆每循环纵向加固长度为30m,开挖24m,预留6m作为下一循环的止浆岩盘;止浆墙采用150cm厚的C30混凝土。全断面帷幕注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外6m。φ108mm管棚长30m,远超过34#楼沿隧道纵向的尺寸,管棚环向间距为45cm,采用孔内分段后退式注浆工艺,浆液为膨胀性超细水泥浆液。超前小导管预注浆采用外径φ42mm、壁厚4mm热扎无缝钢管加工,管长350或500cm,环向间距40cm。通过小导管注浆对掌子面前方围岩进一步固结止水,实现了堵水与超前支护的双重目的。由于隧道洞身地质条件差,在V,VI级围岩隧道开挖上台阶时保留核心土,开挖进尺为每循环0.6m(拱架的间距);下台阶中间留土柱,左右交替开挖,开挖进尺最大为每循环1.2m(2榀拱架的距离),土柱在仰拱施工时挖除,以确保施工安全;此外,及时喷砼封闭岩面,减少围岩暴露时间。在此之前,隧道下穿试验房过程中出现的建筑物沉降值较大,在进行下穿34#楼的施工准备时,先在34#楼前后和左侧施作止浆帷幕注浆孔:在房屋前方采用2排旋喷桩,在房屋后方采用4排垂直注浆孔,在房屋左侧设置2排垂直注浆孔,这些注浆孔均作为止浆帷幕。然后在止浆帷幕范围内施作3排注浆孔,注浆孔由内到外与水平面的夹角分别为30°,45°和60°,孔深分别为11,13和15m。在施工组织设计中,对房屋下伏地层进行充填注浆以提高地基承载力,注浆压力为0.5~0.8MPa;同时通过跟踪注浆对该楼房的沉降状况进行调节,注浆压力为0.8~1.0MPa,将单次抬升最大值控制在3mm以内。3分析技术路线梧村隧道具有浅埋、大跨度的工程特点,且34#楼所处地层的地质条件极差,因此施工难度极大。根据王梦恕等[3~12]关于隧道工程的研究成果及相关行业标准,确定采用现场监测与数值模拟相结合的手段,分析隧道施工对周边环境以及隧道自身结构的影响。本文所采用的技术路线如下:(1)采用数值模拟方法,用FLAC3D软件对隧道施工引起的周边环境的沉降进行分析、预测。(2)将常规监测与自动化监测相结合,针对隧道施工对周边环境的影响进行监测,重点关注34#楼的沉降和裂缝变化情况(见图5),以评估楼房的安全性。(3)将施工过程快速监测、分析与数值模拟、反分析相结合,研究并实施复杂地质情况和周边环境条件下,隧道施工的动态反馈分析方法。4地表沉降结果计算范围为隧道里程ZK7+630~680,围岩材料模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型。在隧道地层有限元计算中,将全断面帷幕注浆和超前大管棚作为隧道支护的重要手段分别考虑,支护后的效果用地层弹性模量的提高来表示。计算过程按隧道每步开挖之后及时支护考虑,初期支护采用与开挖过程相同的步长及时施作。计算参数取值见表1。距离34#楼约10m处的ZK7+640断面竖向位移云图如图6所示。计算中假定全断面帷幕注浆和大管棚等超前加固体发挥了较好的效果,超前加固体的弹性模量提高至全风化花岗岩弹性模量的3倍。图7为ZK7+640断面地表沉降计算值与实测值对比图。图7中计算值1对应于不考虑全断面帷幕注浆效果的工况1,计算值2对应于超前加固体的弹性模量提高至全风化花岗岩弹性模量的3倍的工况2。从图7中可以看出:断面测点实测值介于工况1和工况2的计算值之间,且更接近于工况1。采用全断面帷幕注浆提高全风化花岗岩强度取得一定的效果,但远未达到工况2的效果。根据工况1对应的有限元计算结果,在34#楼以外的地表断面上,沉降最大值出现在34#楼前端,且在隧道中轴线处,最大计算值为-220mm;而在34#楼以内的地表断面上,沉降最大值出现在34#楼长边中轴线且在隧道中轴线偏右8.56m处,最大计算值为-268mm。图8为34#楼区域沉降等值线图,对应于工况1。5监控性能分析5.1部观测中沉降点的变化在隧道下穿34#楼的施工组织设计中,要求对建筑物的沉降实行严格的控制,对建筑物累计沉降值设定了-30mm的控制值,根据现场监测成果来指导施工。34#楼典型建筑物前、后排测点沉降值时程曲线见图9。从图9中可以看出,在CRD1部到达34#楼前,该楼在2008年4月30日~5月2日经历了一次较大程度的上抬过程,隧道平面范围内小里程方向测点的阶段性上抬值大都超过20mm,最大值为29.4mm,而大里程方向测点的阶段性上抬最大值仅为5.9mm。随着CRD1部掌子面的临近及通过,隧道平面范围内的沉降测点经历了一个明显下沉的阶段。由于处于隧道右线20m以外,C6和C7测点受到注浆抬升的影响较小,监测期间处于缓慢下沉状态,这是由于该处地层经受较长时期失水而出现持续的固结沉降所致。从监测成果来看,累计沉降值绝大多数都在-30mm以内,该楼房采用的注浆抬升控制沉降措施基本达到预期要求。5.2新裂缝的出现与房屋不均匀沉降状态的关系在隧道CRD1部掌子面离34#楼尚远时对该楼房进行了初查,并布置25处裂缝测点L1~L25(见图5)。隧道CRD1部施工靠近34#楼时,开始进行裂缝监测。截止2009年6月26日,共发现10处新生裂缝。从监测成果看,所监测的裂缝变化速率较小,累计变化值较大的裂缝多集中在楼房小里程方向中部。在25处裂缝测点中,裂缝扩展最大值出现在L19测点,累计扩展值为0.72mm;裂缝闭合最大值出现在L16测点,累计闭合值为-0.78mm(见图10)。新裂缝的出现大都与其所在区域经历了较大的不均匀沉降过程有关,而楼房不均匀沉降状态的反复波动也会催生新裂缝出现并使原有裂缝表现活跃。如裂缝L16~L18出现于2008年5月5日,而4月30日至5月2日该区域出现一次较大程度的上抬,两端沉降测点C9~C22的不均匀沉降阶段性变化值为1.32‰。2009年3月下旬起,C9~C22的不均匀沉降状态出现反复波动,L16测点呈现进一步闭合的趋势(见图11),但裂缝的长度有所增大。5.3#楼地面注浆升降控制值2008年3月CRD1部进行全断面帷幕注浆,34#楼上抬最大值仅为1.4mm,因此隧道内帷幕注浆对楼房上抬的影响非常小。地面抬升注浆对楼房的影响较为直接,需要根据楼房沉降监测成果调整注浆参数。根据34#楼地层的有限元计算成果,楼房与隧道平面重合区域的沉降值大都超过-200mm,最大沉降值出现在该楼房中轴线偏右8.5m处,计算值为-268mm。由于34#楼经受了频繁的注浆抬升过程,有必要对沉降实测成果进行处理,得到剔除注浆抬升因素后的前、后排测点沉降值时程曲线(见图12)。从图12中可以看出,楼房与隧道平面重合区域经过处理后的累计沉降均超过-200mm,这与有限元计算成果比较接近。截止2009年6月26日,34#楼累计沉降实测最大值为-36.9mm,由此可见采用地面注浆抬升措施控制楼房下沉效果明显。尽管在34#楼进行地面注浆抬升取得明显的止沉效果,但仍然存在不足:(1)在地面抬升注浆初期,注浆压力控制不好,34#楼在2008年4月30日~5月2日经历了一次较大程度的上抬过程,阶段性上抬值最大值为29.4mm,随后出现L16~L18三条新裂缝。(2)由于注浆设备数量不足,没能达到全面均匀抬升楼房的效果,楼房不均匀沉降状态的反复波动催生新裂缝出现并使原有裂缝表现活跃。(3)频繁的地面注浆对大里程方向地表影响很大,地面上抬现象明显,最大上抬高度接近1m(见图13),需要进行善后处理。5.4左洞开挖顺序比选根据隧道CRD法各部掌子面穿过典型测点的时间分别统计其阶段性沉降值,见表2。隧道左洞下穿前排测点的开挖顺序为:CRD1→CRD3→CRD2→CRD4。CRD3部通过前排测点时,由于上半洞变形场的叠加,前排测点的下沉速率加快(见图9(a)),CRD3~CRD4阶段性下沉最大值为-47.2mm,即便采取地表注浆所取得的止沉效果也不理想。根据左洞下穿前排测点的经验,左洞下穿后排测点的开挖顺序应改为:CRD1→CRD2→CRD3→CRD4。CRD2部通过后排测点时,由于左半洞变形场的叠加,后排测点也出现下沉速率加快的现象,CRD2~CRD4阶段性下沉最大值为-33.6mm。由此可见,开挖顺序的改变对于控制沉降取得了一定的效果。图14为典型裂缝扩展宽度时程曲线。从图14可以看出,左洞CRD1部到达后的短期时间里,裂缝经历了一个闭合的过程,其中累计闭合值较大的L16和L17测点进一步闭合的状态持续到CRD4部通过;右洞CRD5部临近及到达使附近裂缝测点表现出一定程度的扩展趋势;在总结左洞施工经验的基础上,右洞CRD5~CRD7部步距保持在15~20m。随着施工进度的加快,楼房的下沉速率较左洞相同施工阶段大,地面频繁采取注浆抬升措施,楼房的不均匀沉降状态出现反复波动的情况,已有裂缝表现活跃。从楼房不均匀沉降监测和现场巡视检查来看,2008年4月30日~5月2日,对34#楼进行地面注浆抬升,上抬区域集中在隧道小里程方向,最大上抬值为29.4mm。2008年5月5日在对应的不均匀沉降测点C9~C22发现新裂缝L16,L17(见图5),新裂缝出现的部位与有限元计算成果应力集中部位是一致的。6房下穿楼顺序(1)隧道内采用全断面帷幕注浆提高全