1. 引言
重庆依山建城,用地空间有限,随着城市建设的推进,地下空间被大规模的开发利用,在既有隧道上方修建建筑物成为一种常态。如何同时保证既有隧道的正常运营和上部建筑的稳定性,成为制约地面及地下空间综合开发利用的一大难题,而正确确定合理可靠的洞室地基承载力是解决该难题的重中之重。
张云 [1] 等分析了软质岩石的地基承载力,刘之葵 [2] 等分析了岩溶地区的岩石地基承载力,方玉树、唐秋元 [3] - [9] 等对洞室地基破坏模式及其稳定性进行了分析。本文结合具体工程实例,确定洞室地基承载力,并通过Midas数值模拟验证理论计算结果,分析评价既有隧道对地基承载力的影响,为后期建筑设计提供依据。
2. 工程概况及工程地质条件
2.1. 建筑工程、既有隧道工程概况
该项目位于重庆市涪陵区,是一栋8F/−1F商住楼,−1F为农贸市场,上部8F为住宅。−1F底面标高241.96 m,+0.00 = 246.16 m,建筑工程重要性等级为二级,采用框架结构,基础形式采用扩底端承桩。
场地下方有已建渝怀铁路龙桥隧道、渝涪铁路新龙桥隧道通过(见图1、图2)。渝怀铁路龙桥隧道位于项目场地正下方,隧道顶板岩层厚度仅14 m (见图3),该隧道于2002年修建完成并通车。渝涪铁路新龙桥隧道位于项目场地红线范围内,距拟建建筑物最近水平距离仅为2.8 m,该隧道于2011年修建完成并通车。
2.2. 工程地质条件
场地属构造剥蚀浅丘沟谷斜坡地貌,位于石溪堡子场向斜西北翼,岩层单斜产出,场地岩层产状180˚~200˚∠11˚~14˚。层面总体较平直,局部泥质充填或泥夹岩屑充填,结合很差,属软弱结构面。
场地地层分为上覆第四系全新统素填土、第四系全新崩积块石(Q4col),下伏侏罗系上统遂宁组泥岩、砂岩。场地基岩中发育二组构造裂隙:
J1裂隙产状281˚∠80˚,裂隙间距1.5~3.0 m,延伸1.0~2.3 m,张开度2~5 mm,结合程度差,属硬性结构面;
J2裂隙产状190˚∠81˚,裂隙间距1.5~3.0 m,延伸0.8~1.5 m,张开度1~2 mm,结合程度差,属硬性结构面。
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Figure 1. Position relationship between the tunnel and project site
图1. 既有隧道与项目场地位置关系
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Figure 3. Profile of position relationship between the tunnel and project
图3. 既有隧道与拟建项目剖面位置关系
隧道围岩为侏罗系上统遂宁组泥岩、砂岩互层,围岩的级别为Ⅳ级,场地地下水贫乏,无不良地质作用。
该场地岩土体力学参数见表1。
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Table 1. Values of geotechnical parameters
表1. 岩土体力学参数
3. 洞室地基承载力确定
3.1. 隧道深浅埋判定
根据《建筑地基基础设计规范》(DBJ50-047-2016) [10] 可知深、浅埋隧道的划分原则:对IV~VI级围岩原则上按2.5倍洞顶岩石塌落高度为划分标准,洞顶岩石塌落高度hq按下式计算:
i——以B = 5 m的围岩垂直均布压力为准,B每增减1 m时的围岩压力增减率,因B = 5~15 m,取i = 0.1;
S——围岩级别为IV级,S = 4;
ω——宽度影响系数,ω = 1 + i(B − 5);
B——隧道宽度(m)。
经计算,2.5hq = 11.25 m,龙桥隧道最薄顶板岩层厚度为13.55 m,新龙桥隧道顶板岩层厚度约为11.92 m,隧道顶板岩层厚度 ≥ 2.5倍的洞顶岩石塌落高度,隧道属于深埋隧道。
3.2. 隧道工程影响分区判断
根据深埋矿山法受隧道影响程度分区见图4。
场地高程为235.69~246.30 m,隧道顶板距地面22.08~32.69 m,拟建物桩基埋深h为10.53~14.30 m,对塌落区宽度及项目修建对隧道的影响程度分区进行计算:塌落区宽度为17.2 m,17.35/2 m < 基础埋深h < 17.35 m,该项目修建对隧道的影响程度分区为显著影响区(II) (见图5)。为安全考虑,塌落区水平宽度取20 m,即隧道中心线两侧各10 m宽度范围区域。塌落区正上方地基承载力采用洞室地基承载力。塌落区范围及塌落区地基承载力见图6。
3.3. 塌落区地基承载力
根据《建筑地基基础设计规范》(DBJ50-047-2016)人工洞室地基承载力验算:
1) 洞顶岩柱自重及地面建筑地基反力产生的总下滑力:
2) 洞顶岩柱侧面的摩阻力:
侧压力系数;
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Figure 4. Impact zoning map of tunnel perimeter on deep mining method
图4. 深埋矿山法隧道周边影响分区图
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Figure 6. Collapse zones and bearing capacity of the foundation with caverns
图6. 该项目塌落区范围及地基承载力
3) 洞顶岩柱侧面的粘结阻力:
令
,反算洞室地基承载力q = 1328 kPa,塌落区水平宽度范围内基础荷载不得大
于洞室地基承载力。
4. 弹塑性数值模拟分析
本次数值模拟分析采用国际通用大型有限元程序MIDAS-GTS软件,通过数值模拟计算,验算塌落区正上方均布荷载设计值不超过1328 kPa条件下洞室地基的稳定性。
分析隧道围岩位移及应力场情况和该项目桩基位移情况,研究洞室地基稳定性问题。
4.1. 位移分析
如图7、图8所示:隧道拱顶下沉5.7 mm,拱底下沉3.0 mm,隧道洞顶相对下沉0.04%;隧道最大水平位移为1.5 mm,拱脚相对净空变化0.03%。满足《铁路隧道设计规范》TB10003-2005附录F [11] ,围岩级别为Ⅳ级、埋深h ≤ 50 m的单线隧道拱顶相对下沉0.03%~0.07%、拱脚相对净空变化0.2%~0.7%的要求。
如图9所示:该项目桩基沉降值为5.6 mm~7.6 mm,沉降差为2.0 mm。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)地基土类别为中、低压缩性土的框架结构民用建筑相邻柱基的沉降差最大沉降差为0.002 L,Lmin = 3.0 m,则沉降差为6 mm。项目修建后拟建物桩基沉降差未超过地基变形允许值。
4.2. 应力分析
由图10、图11所示,该项目修建后,隧道围岩未出现拉应力,最大压应力为2384 KPa,出现在拱脚位置,未超过泥岩抗压强度。
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Figure 7. The vertical displacement cloud map of tunnel after the project completed
图7. 项目修建后隧道竖向位移云图
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Figure 8. The horizontal displacement cloud map of tunnel after the project completed
图8. 项目修建后隧道水平位移云图
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Figure 9. Pile foundation settlement of the project
图9. 该项目建筑桩基沉降图
5. 结论
本文采用理论计算确定洞室地基承载力,并采用数值模拟进行洞室地基稳定性验算,得出如下结论。
1) 通过理论计算分析,隧道中心线两侧各10 m水平范围内区域为隧道塌落区,此区域范围内地基承载力采用洞室地基承载力,该项目洞室地基承载力为1328 kPa。
2) 由数值模拟分析成果可知:在塌落区正上方均布荷载设计值不超过1328 kPa条件下,隧道拱顶下沉5.7 mm,拱底下沉3.0 mm,隧道洞顶相对下沉0.04%;隧道最大水平位移为1.5 mm,拱脚相对净空
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Figure 10. The first principal stress of the tunnel surrounding rock
图10. 隧道围岩第一主应力云图
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Figure 11. The third principal stress of the tunnel surrounding rock
图11. 隧道围岩第三主应力云图
变化0.03%。该项目桩基沉降值为5.6 mm~7.6 mm,沉降差为2.0 mm,未超过《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)地基变形允许值。
3) 按该方法确定的洞室地基承载力进行建筑设计,能够满足洞室地基的稳定性需要。该结论为后续建筑结构的设计、施工安全奠定了基础,为业主决策提供了有力的技术支撑,也为类似工程的洞室地基承载力问题的解决提供参考。
目前该项目已竣工并交付使用两年,建筑现状良好,下穿铁路隧道使用正常。该项目的顺利实施为重庆地区类似项目建设提供了有效的工程经验。