多层地下空间开发中的岩土工程问题、控制标准与施工对策研究.ppt

多层地下空间开发中的岩土工程问题、控制标准与施工对策研究,南京大学阎长虹,主要内容,引言研究思路后续地下工程对已建地下隧道稳定性影响的主要因素分析后续地下工程对地下隧道影响限度标准变形预测和工程措施、施工方法新建龙蟠路隧道基坑开挖对地铁隧道影响实例分析结论,引言,问题的提出研究现状及存在的问题,1.1问题的提出,随着我国城市化进程的加快和人口的快速增长，土地资源日趋紧张，人类生存空间面临着严峻的挑战。为了解决这一难题，城市建设呈现“上天入地”的趋势，即高层建筑的竞高和地下空间的多层次开发，地下空间开发已成一种新的资源和发展趋势。,日本东京多层地下空间开发,东京的多层地下空间,不仅有商场、停车场,还有专供汽车走的隧道和大量公共汽车站,人们要转车,连台阶都不用爬。,我国多层地下空间开发,以南京市为例，为了缓解该市日益拥挤的交通状况，自90年代以来，先后完成富贵山隧道、鼓楼隧道、南京地铁1号线隧道、玄武湖东西向和南北向交通隧道等，目前正在建设的城东干道交通隧道和南京地铁2号线隧道等。多个地段出现多层地下空间开发。例如新街口广场为三层空间开发第一层为过街通道，连接各个道路路口和商店。第二层为地铁1号线（南北向）第三层为地铁2号线（东西向）又如已建的南京火车站为多层次空间开发站前广场工程的地下工程为相互毗邻上下穿越，地下停车场与地铁一号线地铁南京车站毗邻，新建穿越广场的交通隧道、地下停车场西出口及老隧道西引道改造段均从已建成的1号线地铁盾构隧道上方跨越等。,上海港汇广场,,,由上述可见，城市建设发展需要，多层地下空间开发是一种必然的趋势。在多层次地下空间开发过程中，不可避免地会出现后续地下工程从已建地下工程（隧道）上部或下部跨越，或与此毗邻。后续地下工程在已建地下隧道附近进行各类建筑物的施工，会对已建地下隧道带来哪些影响已建地铁隧道的使用功能和安全性面临着严格的考验。因此，研究后续地下工程对已建地下隧道的影响是一个新的重要课题。,1.2研究现状及存在的问题,研究现状目前对地下工程的环境效应的研究主要侧重于对于附近地表建筑物的影响，如引起地表沉降、塌陷、地下管线位移等问题。存在的问题关于地下工程施工对场地附近已建地下的建筑物特别是隧道工程的影响，目前的研究还比较少。,1.3研究目的及主要工作,研究目的预测后续地下工程施工中自身和已建地下隧道的变形，采取合理的施工方案，严格控制施工中出现的变形和位移，确保地下工程的安全。,2研究思路,3后续地下工程对已建地下隧道稳定性影响因素分析,以基坑工程为例，主要影响因素有隧道自身所处场地的岩土体工程地质特性、基坑开挖卸荷作用、基坑工程施工降水、地下水浮力以及工程荷载等方面。,3.1地层土性对地铁盾构隧道变形的影响,基坑底部的土体性质往往控制基坑底部的应力状态和变形。为此，地层土体工程地质性质是影响下部地铁隧道的稳定性的重要因素。,抗隆起安全性判定,根据朗肯土压力理论，以平行墙面的平面为界，基坑底部以下为被动土压力状态，支护结构界面以外为主动土压力状态，抗隆起安全性可用下式进行计算,式中H墙体插入深度；D基坑开挖深度；q地面超载；r各土层天然重度的加权平均值；c各土层粘结力的加权平均值；φ各土层内摩擦角的加权平均值；当KL≤1.0即基坑处于不稳定状态；当KL1.0即基坑处于稳定状态，为了安全起见可采用KL≥1.2～1.3。,,3.2隧道本身的卸荷导致隧道隆起变形,隧道自身的卸荷作用是导致隧道隆起变形的主要因素。目前地铁盾构隧道多采用直径6m左右的掘进机开挖。地铁隧道若按6.1m外径计算，隧道开挖卸荷净荷载等于挖去的土重减去隧道自重。即管片外径为6.1m，壁厚0.35m，容重25kN/m3；土体容重18kN/m3。初步估算卸荷重力约为368kN/m。可见回弹的力是很大的。,3.3地基加固对隧道变形的影响,在软土地区，为了保证基坑的稳定性，在基坑开挖前，必须对基坑周围土体进行高压喷射注浆法处理，将注入剂形成高压喷射流，借助高压喷射流的切削，使固化剂和土体混合，达到改良土质的目的。在高压喷射注浆加固隧道周围土体时，需要破坏土体，破坏土体的结构强度。,根据工程实际工作情况，当压力高达10～40MPa的喷射流在介质中喷射时，压力的衰减规律可近似采用下列经验公式,式中K、n经验系数,若地下隧道位于高压喷射流射程范围之内，高压喷射流就会对地下隧道产生一定的侧向压力，从而使隧道发生水平方向的位移。因此，在施工中是必须十分小心和加以控制。,3.4基坑降水对隧道的影响,基坑降水不仅改变了原始地下水位到降水后地下水位之间这一部分土层的有效应力状态，同时地下水位以下的土体应力场重新分布。基坑降水对地下隧道的影响主要表现为两个方面一方面是应力场的变化引起地铁隧道发生位移、变形，即有效应力增加，引起垂直方向的位移，同时将增大隧道两侧的水平应力，不利于隧道稳定；另一方面，基坑降水时带走很多土粒，土层中含水量减少，浮托力减小，土体有效重量增加，也将使隧道两侧土体产生压缩变形。,3.5工程开挖卸荷对隧道的影响,基坑开挖引起的变形主要表现为坑底土体隆起和围护墙的位移。基坑开挖对下部隧道以下土体来说是二次卸荷，将进一步加剧地铁隧道位移和变形。基坑开挖还可能引起管涌或流砂现象，这对其下方的地铁隧道也将产生很多不利的影响。,,3.6地下水浮力的影响,抗浮安全系数,,,,,F浮F浮′可见，上部基坑的开挖使上部土重减小，即抗浮力减小，则抗浮安全系数变小，对盾构隧道的抗浮是不利的。基坑开挖，地下水的浮托力可能导致盾构隧道上浮，因此，必须在开挖前进行抗浮验算。,3.7地面超载,地面超载如已建各类建筑物重载、工程材料堆载、各类车辆的静动载、大型施工机械的周期振动荷载、地震动载、水载等。基坑施工中的地面超载，往往会加剧基坑坑底的隆起量，影响基坑的稳定性，从而危及基坑下部隧道的安全。,4后续工程对地铁隧道影响限度标准,按地铁设计规范的有关规定，在地铁隧道附近的基坑施工等各类工程活动对地铁设施的影响限度必须符合以下标准（1）地铁隧道外边线两侧的邻近3ｍ范围内不能进行任何工程；（2）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移≤20mm（变形量0.0000017，弹性变形范围内）；,,（3）隧道变形曲线的曲率半径ｒ≥15000ｍ；（4）相对变曲≤1/2500；（5）由于建筑物垂直荷载包括基础地下室及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20MPa；（6）由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。,5变形预测和工程措施、施工方法,为了保证已建地下隧道的安全稳定，地铁设计规范有关各类工程活动对地铁设施的影响限度规定，结合后续工程对已建地下隧道稳定性影响因素分析，建立隧道变形计算模型，进行变形预测，在此基础上，制定合理的工程措施和施工方法。,5.1隧道变形预测,目前变形预测方法主要数值模拟方法、神经网络分析法和工程地质比拟法等。（1）数值模拟方法根据岩土体工程地质特性和工程结构的特点，建立本构模型，进行数值求解。可以求出基坑开挖引起的下部隧道总变形量及施工各个阶段的变形量，从而有效分析和预测施工设计方案的可行性和合理性。该方法的最大优点是不需要建立实物模型，可以考虑多种方案进行模拟，进行对比分析，从中找出最优设计方案，而且方便快捷。,（2）神经网络分析法神经网络分析法采用滚动优化的思想，即根据当前下部隧道的变形量和累计变形值，预测基坑开挖到一定深度下部隧道的变形量和累计变形值，从而可以对于基坑开挖到一定深度后隧道变形的日变量和累计变量是否符合下部隧道安全要求进行判断，并实现控制。,5.2施工设计方案和工程措施、施工方法,主要施工方法有,（1）设置抗拔桩和满堂地基加固在开挖前，进行满堂深层搅拌地基加固，并在隧道两侧设置抗拔桩。（2）分条开挖及时浇注底板将基坑需要开挖的土体分为若干条或若干块，然后分条或分块分时段分步开挖，并及时浇注底板，减少坑底暴露时间。底板之间钢筋采用接驳器连接。同时在浇注各条块底板时，与抗拔桩连接。,（3）采用快速凝结材料在浇注底板中，可以在混凝土加入早期强剂，加快混凝土凝结，减少开挖卸载引起的向上变形。（4）坑底堆载加压在浇注底板过程中，当混凝土达到中等凝结时，可以在其坑底堆载加压，在堆载过程应特别注意，不能破坏已浇注的混凝土底板。（5）加强监测工作，做好应急处理准备在工程施工过程中对下部地下工程保护难度非常大，为了做到万无一失，应加强监测工作，以便了解下部地下工程的变形情况，一旦出现异常情况，应做好应急处理。,6南京市龙蟠路隧道工程概况,,南京火车站,地铁隧道,交通隧道,车站广场,玄武湖,,新建龙蟠路隧道工程全长572.08m，地铁盾构隧道沿南北向与新隧道成70度斜交通过，双线盾构隧道中心间距约19.44m，净间距约12.837m，盾构隧道在此段洞顶埋深约10.23m。新隧道基坑开挖面底标高至双线盾构隧道顶标高的距离分别是左线2.73～3.10m，右线2.15～2.44m。,,工程地质条件主要施工方法,6.1工程地质条件,场地地形、地貌区域稳定性评价地基岩土层及其工程地质特征地基岩土层的物理力学性质指标隧道围岩分类各岩土层的承载力容许值场地水文地质条件,工程地质剖面图（沿新建龙蟠路隧道方向单位米）,6.2主要施工方法,基坑支护基坑加固设置抗拔桩基坑降水基坑开挖,6.2.1基坑支护,钻孔灌注桩与水泥土桩防渗墙组合围护型式,,骑跨盾构部分采用Φ10001200钻孔灌注桩形式，灌注桩桩长为8.2～16.5m（用于盾构隧道顶，共47根）其余未骑跨盾构部分采用Φ1000800钻孔咬合桩，桩长16.5m基坑外侧采用单排Φ8501200三轴深搅桩止水帷幕,新建龙蟠路隧道与地铁1号线盾构隧道支护段立面图（单位mm）,6.2.2基坑加固,基坑底采用二重管高压旋喷桩（桩体直径800mm）进行满樘加固。盾构附近土体加固深度从基坑底至距盾构管片0.5m范围，盾构隧道两侧土体加固桩厚度在开挖面以下9.5m，高压旋喷桩在加固面以上继续注浆提升，水泥掺量减半。,6.2.3基坑降水,新建龙蟠路隧道工程开挖深度约8m左右，地下水位降水至基坑底部以下1m处。根据地质资料，原地下水位标高为9.46～9.61m，因此降水深度超过6m。且降水深度内土的渗透系数大，土层地下水丰富。因此选用管井降水方式在地铁隧道两侧对称降水，开挖前提前三周降水，每个断面两个降水井，既作降水井，兼作回灌井以控制地下水位。,6.2.4基坑开挖,隧道基坑为软土基坑，软土具有显著流变性的特点，在基坑开挖时，应该充分利用土方挖掘的时空效应，严格制定分层、分块、对称、限时开挖和及时支撑的科学施工程序。,,,按照①②③④进行分步、对称抽条开挖并且每个板带开挖完毕必须及时浇注并掺入早强剂的高标混凝土压板，使钢筋混凝土压板两端与抗拔桩相连,,新建龙蟠路隧道与地铁1号线盾构隧道支护段平面图（单位mm）,,抽条开挖或分块开挖,,,,,,,,,,,,,,,,,6.3数值模拟分析,弹塑性本构模型数值模拟分析数值计算与实测结果的对比分析,计算模型及参数,计算模型采用Ansys中的D-P模型进行计算,,计算范围沿盾构隧道纵向取35.5m沿基坑纵向取58.0m竖直方向取地面以下0～26.0m,材料参数取值,有限元模型,,,未经加固的基坑开挖后的状态,未经加固工况下，基坑开挖后地铁隧道隆起位移,未经加固的基坑，开挖后，隧道隆起最大值出现于盾构研究段的中部，位移量达71mm（＞20mm），隧道竖向位移过大，不能满足对地铁隆起变形限制要求，难以保证地铁隧道的安全稳定和正常运营。因此，必须进行地基加固，以减小基底和隧道的隆起变形。,,加固后的基坑开挖后的状态,经过加固工况下，基坑开挖后地铁隧道隆起位移,在经过加固的基坑开挖后，隧道隆起最大值出现于盾构研究段的中部，位移量达13.66mm（＜20mm），基坑和隧道均处于稳定状态，符合基坑设计规范和隧道变形限制要求。因此，地基加固对于减小基底和隧道的隆起变形是有效的。,,从加固前后盾构隧道竖向位移曲线可以看出竖向位移峰值均发生在隧道穿越基坑部分的中部，这样的曲线是合理的。加固前竖向位移峰值为71.00mm，加固后为13.66mm，说明采用旋喷桩对坑底进行加固对于控制盾构隧道的竖向位移是十分有效的。,监测数据,从监测资料可以看出地铁隧道发生的竖向位移为4.5mm较计算结果（13.66mm）小，我们认为这是由于在施工中还采取了以下措施坑底降水对地基土的加固作用分步跳仓抽条开挖对坑底变形的控制作用抗拔桩加压板类似反力架作用这些措施都是数值计算中未考虑的。,7结论,本文结合南京龙蟠路隧道深基坑工程骑跨南京地铁隧道的实际情况，系统分析了基坑工程施工对其下部地下工程稳定性的影响，给出了相应得控制标准和施工对策。取得了一些认识。,（1）影响地下工程稳定性的主要因素,①地基土的工程地质性质对其下部地下隧道的隆起量起主要控制作用。土质松软、强度低，基坑隆起量大，地下隧道的隆起量也大。②地铁隧道自身卸荷和基坑开挖卸荷作用。两次卸荷使隧道下部土体隆起，从而加剧了地铁隧道的隆起变形。,③基坑开挖使地基中的应力场和渗流场均发生变化，引起基坑底部和地铁盾构隧道向上隆起位移。若基坑开挖暴露时间长短，对基坑和下部盾构隧道稳定性也会产生影响。④地面超载威胁基坑的安全，而且还会增大基坑下方地铁盾构隧道的隆起量，甚至引起盾构隧道的破坏。⑤地下水浮力也是地下隧道隆起的影响因素之一。此外，施工中采用高压旋喷法注浆加固地基，可能使地铁隧道受到侧向压力作用而发生水平位移。,,（2）运用数值方法预测基坑开挖对下部隧道隆起变形趋势，为制定合理的工程措施和施工方法不失为一个很好的手段。（3）结合新建龙蟠路隧道基坑工程跨越地铁一号线盾构隧道情况，给出了基坑施工方案和处理对策，包括地基加固、基坑采用抗拔桩支护、分条分块及对称抽条开挖、及时浇筑掺入早强剂的混凝土并与两端抗拔桩相连等。,谢谢,