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解析如何控制热力隧道施工产生的既有建筑物变形问题

2021-02-08 306 上传者：管理员

摘要：以北京某典型热力隧道穿越独立基础建筑物工程为依托，在对建筑物进行详细检测的基础上，应用三维数值模拟的方法，分析了热力隧道施工对既有建筑物产生的影响，并提出了相应的变形控制措施。研究成果表明：1）应结合建筑物现状检测结果和相关规范，提出热力隧道施工期间的变形控制标准，并依此控制施工期间建筑物的变形；2）热力隧道施工过程中，建筑物垂直热力隧道方向的沉降量和差异沉降远大于平行热力隧道方向，应对其进行严格监测；3）采用倾斜钢管桩加固措施可有效解决近距离穿越建筑物工况下既有建筑物的保护问题，建筑物的变形量及差异沉降均可控制在变形允许值范围内。

关键词：
变形控制
岩土工程
数值模拟
热力隧道
独立基础
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热力隧道大多位于城市密集区域，临近建（构）筑物建设。热力隧道建造技术大多源自山区公路隧道和地铁隧道，浅埋暗挖工艺在热力隧道建设过程中被广泛应用[1]。与常见的山区公路隧道和地铁隧道不同，热力隧道埋深浅、断面相对小、距离建筑物更近，对周边建筑物造成的影响也更严重。

近年来，随着城市轨道交通建设的不断推进，地铁隧道施工穿越既有建（构）筑物的研究不断深入[2,3,4]，为相关领域提供了大量的有益参考。热力暗挖隧道大多位于建筑物密集区域，穿越建筑物的情况更为普遍[5,6]。热力隧道穿越建筑物过程中，常用的变形控制措施有双排小导管注浆加固技术[7]、超前注浆技术[8]等。部分建筑物建造年代早、损伤严重、整体性差，近距离穿越时常规加固技术难以实施或者难以达到预期的加固效果，是热力隧道施工穿越既有建筑物亟待解决的重要问题。

北京某框架结构独立基础建筑物建造年代早、既有变形量较大，建筑物外边缘距离拟建热力隧道仅0.3m，常规加固方案难以实施。笔者以该工程为例，在对该建筑物进行系统检测的基础上，提出了热力隧道施工期间既有建筑物的变形控制标准，应用数值模拟的方法，对热力隧道施工过程中建筑物的变形进行了分析计算，针对其变形特征提出了倾斜钢管桩变形控制技术，可为类似工程提供参考。

1、工程概况

1.1 热力隧道

该热力隧道工程全长525.7m，采用台阶法施工。暗挖隧道净空尺寸为2.3m×2.6m（高×宽），初衬厚度250mm，二衬厚度250mm。热力隧道断面支护剖面如图1所示。

1.2 建筑物

拟穿越建筑物建于1992年，原设计为北京中式家具厂配料车间，现做家具展厅使用，建筑面积约1178m2。该建筑物为2层框架结构，柱下独立基础，建筑物东西长36.4m、南北宽16.2m，房屋总高度10.46m，一层、二层高均为4.73m。建筑物基础如图2所示。

1.3 钢管桩加固方案

为保证该建筑物的安全，热力隧道施工前，沿建筑物倾斜打设单排覫200mm钢管桩，水平间距200mm（密排），钢管桩内安放I14a工字钢后灌注C25素混凝土至饱满。在垂直隧道上方范围注浆，浆液采用1∶1水泥浆，注浆间距0.5m，梅花形布置，注浆深度为现况地面至隧道上方初衬外2.5m。倾斜钢管桩预加固措施如图3所示。

2、建筑物既有变形量

2.1 沉降观测点布置

在建筑物内外共设置21个观测点，外侧观测点布置于底层墙线位置，内部观测点布置于室内踢脚线位置。沉降观测点平面位置如图4所示，沉降观测结果见表1。

2.2 既有相邻柱基沉降差

建筑物东西方向相邻柱基沉降差计算结果见表2，其中沉降差为正值表示“西高东低”，沉降差为负值表示“东高西低”。建筑物南北方向相邻柱基沉降差计算结果见表3，其中沉降差为正值表示“北高南低”，沉降差为负值表示“南高北低”。

由表2及表3可知，该建筑物相邻柱基沉降差大多小于1.00‰l，既有相邻柱基沉降差可按1.00‰l考虑。建筑物东西方向相邻柱基沉降差最大值为1.40‰l，位于点1与点2之间；南北方向相邻柱基沉降差最大值为1.05‰l，位于点9与点16之间。对于该建筑物相邻柱基沉降差大于1.00‰l的位置，在热力隧道施工过程中应严格控制沉降量，必要时应采取适当加固措施，确保最终相邻柱基沉降差不大于2.00‰l。

2.3 建筑物基础变形控制标准

GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》规定：对于框架结构相邻柱基的沉降差允许值为2.00‰l(l为相邻柱基的中心距离）。依据现场测量结果推测，该建筑物既有相邻柱基沉降差约为1.00‰l，尚处于安全状态。热力隧道施工过程中，建筑物地基基础产生的相邻柱基附加沉降差须控制在1.00‰l以内，并且施工期间建筑物基础最大沉降量应小于7.8mm。

3、数值分析模型建立

3.1 模型尺寸及网格划分

为准确评价热力隧道施工对建筑物的影响程度以及倾斜钢管桩加固方案的优劣，保证热力隧道施工和既有建筑物的安全，采用数值模拟方法对建筑物在热力隧道施工过程中的变形规律进行了详细分析计算。计算模型网格划分如图5所示，为保证计算精度、控制计算成本，热力隧道及建筑位置网格划分相对密集，边界处网格相对稀疏，计算模型尺寸为260m×144m×40m（长×宽×高），满足忽略边界效应的要求。

3.2 模型材料参数设定

该模型中地基土体选用MohrCoulomb本构模型，以实体单元建立，具体取值依据相应的地质勘查报告数据，见表4。

拟穿越建筑物（梁、板、柱和独立基础）采用实体单元模拟，热力隧道衬砌采用壳单元模拟，钢管桩采用梁单元模拟，内插型钢采用植入式桁架单元模拟，以上均采用弹性本构模型。结构部分物理力学参数见表5。

3.3 数值模拟计算方案

依据设计要求，为保证既有建筑物的安全，热力隧道施工前，在既有建筑物基础与热力隧道之间倾斜打入单排直径200mm钢管桩，并在钢管桩内安放I14a工字钢。为评价倾斜钢管桩的加固效果，按照以下2种方案进行数值模拟分析计算：

1）方案1：不考虑倾斜钢管桩加固措施，如图6a）所示；

2）方案2：采用倾斜钢管桩内插型钢对该建筑物进行隔离保护，如图6b）所示。

3.4 热力隧道施工过程模拟

三维动态有限元分析中，采用单元网格激活-钝化的方式模拟热力隧道动态开挖过程，概化数值计算工序如下：

1）建立地层-热力隧道-建筑物三维数值分析模型，计算土体在重力作用下的初始应力，并将位移场清零，保留应力场。该工序用于模拟计算地基土体未扰动时（无热力隧道及建筑物）的应力场及位移场状态，并将位移清零，以便分析后期建筑物及热力隧道施工产生的影响。

2）“激活”建筑物结构模型，计算建筑物施工完成并投入使用后的应力场分布，再次将位移场清零。该工序用于模拟计算既有建筑物施工完成并投入使用后地基土体的应力场及位移场状态，将位移清零，以便分析后期热力隧道施工产生的影响。

3）“激活”倾斜钢管桩内插型钢模型，对既有建筑物形成保护（方案1无此工序）。该工序用于模拟计算倾斜钢管桩内插型钢隔离措施施工完成后，地基土体的应力场及位移场状态。

4）定义热力隧道台阶法施工步序，上台阶土方开挖过程中预留核心土，上台阶施工3m后，进行下台阶土方开挖支护施工，上、下台阶步距3.0m。

5）依次循环第4）步，直至热力隧道施工完成，该模型中土体开挖及热力隧道支护共计87步。

6）计算及后处理分析。

4、计算结果与分析

4.1 建筑物沉降量分析

热力隧道施工完成后，建筑物基础沉降云图如图7所示。

提取图7中基础底部沉降量，汇总于表6。分析图7及表6可知，建筑物沉降量较大位置集中于观测点1～7，施工过程中，应对该部分的沉降量进行加密监测；在不采用倾斜钢管桩变形控制方案时（方案1），建筑物最大沉降量12.06mm，远远大于变形允许值7.8mm；采用倾斜钢管桩变形控制方案时（方案2），建筑物最大沉降量6.17mm，可满足变形允许值要求。

4.2 建筑物相邻柱基沉降差分析

根据图7及表6中柱下独立基础沉降结果，可求得相邻柱基沉降差。建筑物东西方向附加相邻柱基沉降差见表7，南北方向附加相邻柱基沉降差见表8。

分析表7及表8可知，建筑物南北方向相邻柱基沉降差远大于东西方向相邻柱基沉降差，热力隧道施工过程中，应格外关注建筑物南北方向相邻柱基沉降差的变化。在不采用倾斜钢管桩变形控制方案时（方案1），建筑物最大相邻柱基沉降差为1.18‰，位于点1与点8之间；同时，点2与点9、点3与点10之间的最大相邻柱基沉降差均超过变形允许值1.00‰l；该建筑物相邻柱基沉降差难以控制在变形允许值范围内。采用倾斜钢管桩变形控制方案后（方案2），建筑物最大附加相邻柱基沉降差为0.60‰，位于点7与点14之间，可满足变形允许值要求。

5、结论

以北京某典型热力隧道穿越框架结构独立基础建筑物为例，在对该建筑物进行现场检测的基础上，提出了其变形控制标准，并应用数值模拟方法对热力隧道施工过程中的变形响应规律及变形控制技术进行了深入研究，主要得出以下结论：

1）热力隧道施工前，应对拟穿越建筑物做现状检测，明确其变形现状，并结合相关规范提出热力隧道施工期间的变形控制标准，并依此严格控制建筑物变形，避免发生重大事故。

2）热力隧道穿越既有建筑物施工过程中，垂直热力隧道方向的差异沉降远大于平行隧道方向的差异沉降，应格外关注垂直热力隧道方向的沉降量和差异沉降。

3）倾斜钢管桩隔离加固措施可有效解决热力隧道近距离穿越既有建筑物的问题，在采用倾斜钢管桩隔离措施的情况下，建筑物最大沉降量及相邻柱基沉降差均可控制在变形允许值范围内。

参考文献：

[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社,2010:103-125.

[2]白璐璐,马冬冬.地铁盾构隧道下穿建筑物施工影响区域划分研究[J].市政技术,2019,37(5):156-160.

[3]郭涛,刘红征.盾构隧道穿越既有桥梁施工变形控制[J].市政技术,2018,36(1):101-104.

[4]马静.地铁盾构隧道下穿雨污管线影响分析[J].市政技术,2019,37(3):122-125.

[5]孙建辉.“浅埋暗挖”技术在北京热力隧道建设中的应用[J].城市建筑,2014(2):323.

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