中铁二十一局第二工程有限公司 甘肃省兰州市 730015
摘要：以城市轨道交通隧道下穿建筑物为工程背景，开展隧道近距离下穿民房施工措施研究。详细介绍隧道下穿民房段的施工方案，并通过数值模拟手段对施工过程的力学性态进行了研究。现场监测结果表明，采用CD法开挖可满足沉降控制标准，保证房屋的结构的安全。
关键词：城市轨道交通；下穿民房；数值模拟；CD法
Construction control technology of subway tunnel closely passing below residential house
Abstract: Relying on the engineering of urban rail traffic tunnel passing below building , this paper make analysis of the construction measure of tunnel closely passing below residential house. The construction technology passing below residential house is detailedly introduced, and the mechanical behavior of construction process is studied by means of numerical simulation. Field monitoring result shows that the control effect of residential house deformation is obvious. It proves that using CD method of excavation can meet settlement control standard and ensure the safety of residential house.
Key words: Urban rail traffic； Construction passing below residential house； Numerical simulation； CD method
1 工程概况
城市轨道交通的修建，往往会遇到新建隧道下穿既有构筑物的情况，新建隧道的施工方法需要经过详细的研究论证方可采用，力图将施工对既有建筑的影响降低到最小，保证既有构筑物的安全。现有一铁路双线隧道在里程K23+895~K23+915段下穿一栋3层砖混结构的民房，此段隧道顶部与上述民房垂直距离约18m，如图1~图2所示。隧道开挖跨度11.84m，高度9.827m，采用马蹄形断面、复合式衬砌结构。
图1 轨道交通线进口段纵断面图
图2 轨道交通线进口段平面图
民房为3F砖混结构，房屋层高为3.3m，长17.9m，宽4.6m总高约10m。第一、二层为240mm厚砖墙，第三层为120mm厚砖墙，无构造柱和圈梁，抗震性能极差，据调查，地基为浆砌片石基础，房屋室内外地坪均为回填土，房屋沉降开裂较为严重。
2 施工方法及支护措施
在K23+885~K23+925Ⅳ级围岩下穿民房段，选择cd法进行施工，一方面可以提高施工速度、节省成本，另一方面可以有效控制爆破振动。为确保房屋的结构安全和住户生命财产安全，将采取相应措施。具体方案如下：
（1）施工顺序
开挖上断面左导坑并初喷砼→施作系统砂浆锚杆和临时砂浆锚杆→架立格栅拱架挂网复喷砼→开挖上断面右导坑并初喷砼→施作系统砂浆锚杆→架立格栅拱架挂网复喷砼→开挖下断面左导坑并初喷砼→施作系统砂浆锚杆和临时砂浆锚杆→架立格栅钢拱架挂网复喷砼→开挖下断面右导坑并初喷砼→施作系统砂浆锚杆→架立钢格栅拱架挂网复喷砼→敷设防水层及仰拱→敷设防水层并施作二次衬砌。施工开挖工序如图3所示。
图3 施工开挖工序示意图
（2）安装钢格栅拱架
钢拱架采用钢格栅，钢格栅拱架在初喷3～5cm时安设。确保钢拱架外缘有足够的混凝土保护层厚度，在安设过程中当钢拱架和围岩间有空隙时，加钢楔塞紧。锁脚锚杆施作是在拱架安装完成后进行，并与砂浆锚杆一端与钢架点焊在一起，另一端锚入围岩中，钢拱架应严格按设计1.0m间距进行安装，拱架间设φ22纵向连接筋，环向间距1.0m。
（3）支护锚杆
本段支护锚杆设计为二种，一种是系统锚杆φ22砂浆锚杆，永久性支护，第二种是侧壁导坑的中壁临时支护锚护锚杆，长度1.5m。钻孔采用YT28手持风钻成孔，成孔后进行检查和用高压风或高压水进行清孔；人工用锤击或钻机将锚杆顶入孔内，尾部外露部分与钢拱架焊接在一起。锚杆安装完成后，铺设φ8@200x200mm的钢筋网，并与拱架锚杆焊接在一起。
（4）喷射混凝土
喷射混凝土是初支的最后一道工序，喷射混凝土分两次完成。第一次初喷是在开挖轮廓线修整完成后进行；第二次是复喷，复喷混凝土是待锚杆、拱架、钢筋网安装等工序完成后进行。喷射采用C25早强混凝土，喷射厚度25cm，材料采用强制性搅拌机拌合。按湿喷混凝土设计，分层进行喷射，每次喷层厚度控制在5~7cm，分4~5次完成。喷射顺序从下往上顺序进行，禁止从上往下的顺序，避免空洞和虚喷。喷射混凝土表面要求平顺，并要求保证钢拱架有足够的保护层厚度。
（5）二次衬砌
二次防水混凝土衬砌在开挖支护完成围岩量测稳定后尽快施工，先安装钢筋，再安装模板，最后浇筑混凝土。钢筋在洞外钢筋加工车间下料加工，运到洞内后由人工现场绑扎焊接，二衬混凝土采用商品混凝土，混凝土搅拌输送车运输混凝土，混凝土输送泵灌注，插入式振捣器振捣。
3 隧道施工过程力学性态分析
为研究CD法在下穿房屋段的应用效果，对CD法施工过程进行力学模拟，计算结果提取了初期支护的主应力、初期支护变形，围岩位移场、塑性区和掌子面位移数据。
3.1 计算模型
计算采用三维模型[2~3]，模型纵向长为40m，两侧离隧道开挖边界为75m，底部边界离隧道轨面75m。共有88080个单元，共有节点数92127个。模型网格、开挖台阶布置如图4、图5所示。
图4 网格剖分图
图5 开挖台阶布置效果图
3.2 计算结果及分析
为了消除边界影响，选取距离边界20m处作为研究断面（如图6所示）。本次计算提取初期支护的计算数据时，集中在二次衬砌施工以前的过程。这个过程分为5个工况，工况1：1部开挖至研究断面，工况2：2部开挖至研究断面，工况3：3部开挖至研究断面，工况4：4部开挖至研究断面，工况5：隧道贯通。（掌子面开挖分块如图3所示）
图6 研究断面示意图
（1）初期支护应力分布规律
限于篇幅限制，仅给出工况5的支护结构的应力分布情况如图7所示，各工况应力分布情况见表 2。
a.最大主应力
b.最小主应力
图7 工况5初期支护主应力分布云图
表1 初期支护主应力分布情况
由图7和表 1可以看出：
1）初期支护在施工过程中出现了应力集中，拉应力集中主要发生在拱顶处；压应力集中主要发生在中间临时支撑。因此，这些地方为支护结构的薄弱环节，可能出现破坏截面。
2）随着施工的推进，应力有增加的趋势。最大主应力集中位置没有多大改变；最小主应力集中发生的地方由中间临时支撑，变化到拱顶周围。
3）施工过程中，最大主应力为1.26MPa，最小主应力为-5.05MPa。
（2）初期支护变形
对于初期支护变形分析，主要从研究断面的拱顶沉降、拱脚收敛、墙中收敛等方面进行分析，选取分析控制点如图8所示。
图8 变形分析控制点布置图
1）拱顶沉降
图9 初期支护拱顶沉降变化曲线
由图9可以看出：
①随着开挖的推进，当1部开挖到研究断面时，沉降逐渐增长，4部通过研究断面后，沉降速度减慢，直到隧道快贯通时开始收敛。
②初期支护拱顶沉降不大，最终拱顶沉降值约为12.7mm。
2）水平相对位移
(a) 拱脚收敛变化曲线
(b) 边墙中收敛变化曲线
图10 初期支护控制点收敛变化曲线
由图10可以看出：
① 随着开挖的推进，当1部开挖到研究断面时，水平收敛逐渐增长，4部通过研究断面后，水平收敛速度减慢，直到隧道快贯通时开始收敛。
② 拱脚处水平位移最终值为14.4mm，边墙底部为16.9mm。
（3）研究断面位移场分布
图11 1部开挖到研究断面位移分布
图12 4部开挖到研究断面位移分布
图13 隧道贯通时位移分布
由图11~图13可知：隧道周边位移主要发生在拱顶和洞底，最大值发生在洞底中央。
（4）围岩塑性区分布规律
围岩塑性区分布具体如图14~图18。
图14 部开挖到研究断面塑性区横向分布
图15 部开挖到研究断面塑性区纵向分布
图16 4部开挖到研究断面塑性区横向分布
图17 4部开挖到研究断面塑性区纵向分布
图18 隧道贯通塑性区横断面分布
由图14~图18可以看出：
1）1部开挖通过研究断面时，剪切塑性区体积为4.69e3m3，张拉塑性区体积为1.10e2m3；4部开挖通过研究断面时，剪切塑性区体积为9.66e3m3，张拉塑性区体积为3.49e3m3；隧道贯穿时，剪切塑性区体积为1.34e4m3，张拉塑性区体积为4.02e3m3。
2）开挖时，剪切破坏发生在洞周围，及掌子面前方，在洞周发展到半个洞径范围，在掌子面前方发展到4m深度；在台阶后方则出现张拉破坏。隧道开挖到隧道贯通时，塑性区逐渐成蝶状在洞周分布，洞室拱部塑性区很少。
3）随着施工推进，研究断面塑性区不断扩大。在隧道贯通时，塑性区主要发生在研究断面的仰拱处，洞室上方地表两侧一定区域出现张拉破坏。
（5）掌子面位移
掌子面水平位移反应了围岩的稳定性和施工的安全性。掌子面水平位移云图如图19所示，计算结果见表 4。
掌子面推进20m
掌子面推进24m
掌子面推进28m
掌子面推进32m
图19 CD开挖法朝前推进不同深度时的掌子面位移
表2 掌子面在不同推进深度下的位移情况（单位：mm）
由图19及表2可以看出：
1）掌子面位移最大值发生在开挖土体中心处。
2）在掌子面推进不同深度时，掌子面最大位移变化不大，都在5mm左右，平均掌子面位移为5.04mm。
4 沉降控制效果分析
4.1 房屋测点布置
在房屋周围布设3个监控量测点，采用钻孔钢筋混凝土埋设。采用精密水准仪和水平尺进行量测，仪器精度为0.1mm，观测精度按二级变形测量的精度要求进行，即允许观测误差为±0.5mm。
监控量测点布置如图20所示。
图20 房屋沉降监控量测点布置示意图
房屋沉降监测点主要布设在建筑物靠近隧道一侧两房角底的墙或柱上，房屋沉降监测点采用在房屋四大角墙体钻孔埋入钢筋或道钉。
4.2 量测结果
共对房屋进行了四期监测，包括：2009.04.09（一期），2009.05.11（二期），2009.05.19（三期）, 2009.6.30（四期），监测结果见表3。
表3 轻轨中梁山隧道地表房屋沉降测量（单位：mm）
根据建筑物结构形式设立沉降标准值为[4]，允许最大沉降值不应大于-20mm，不均匀沉降差3mm。由表 5四期监测结果可知，JC2点沉降最大，为3.5mm。JC2与JC1点沉降差最大，为1.3mm。均小于沉降控制标准，说明采用CD法开挖可保证房屋的结构安全。
5 结论
通过对下穿段数值模拟计算和现场监测，综合分析后得到如下结论：
（1）采用CD法施工，初期支护在施工过程中会出现应力集中，拉应力集中主要发生在拱顶处；压应力集中主要发生在中间临时支撑。随着施工的推进，应力有增加的趋势，最大主应力集中位置没有多大改变；最小主应力集中发生的地方由中间临时支撑，变化到拱顶周围。施工过程中，最大主应力为1.26MPa，最小主应力为-5.05MPa。
（2）初期支护拱顶沉降不大，最终拱顶沉降值约为12.7mm。拱脚处水平位移最终值为14.4mm，边墙底部为16.9mm。当开挖到研究断面时，水平收敛逐渐增长，通过研究断面后，水平收敛速度减慢，直到隧道快贯通时开始收敛。
（3）剪切破坏发生在洞周围，及掌子面前方，在洞周发展到半个洞径范围，在掌子面前方发展到4m深度；在台阶后方则出现张拉破坏。开挖到隧道贯通时，塑性区主要发生在研究断面的仰拱处，洞室上方地表两侧一定区域出现张拉破坏。塑性区逐渐成蝶状在洞周分布，洞室拱部塑性区很少。
（4）通过对房屋沉降的四期现场测试，结果表明房屋最大沉降为3.5mm。最大沉降差为1.3mm，均满足沉降控制标准，说明采用CD法开挖可保证房屋的结构安全。
参考文献
[1]朱合华，丁文其. 地下结构施工过程的动态仿真模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报，1999，18(5)：558-562.
[2]潘昌实. 隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1995.
[3]中华人民共和国建设部. 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.
论文作者:李东
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/8
标签：断面论文; 塑性论文; 隧道论文; 应力论文; 位移论文; 拱顶论文; 混凝土论文; 《基层建设》2018年第17期论文;