洞室地基对拟建建筑地基承载力的影响分析
Analysis of Influence of Foundation with Caverns on Bearing Capacity of Building Foundation

作者: 王燕增 * , 唐秋元 :中煤科工集团重庆设计研究院有限公司,重庆;

关键词: 洞室地基塌落区地基承载力数值模拟Foundation with Caverns Collapse Zone Bearing Capacity of the Foundation Numerical Simulation

摘要:
龙桥农贸市场项目位于既有渝怀铁路龙桥隧道、渝涪铁路新龙桥隧道上方,如何确定洞室地基承载力、确保洞室地基稳定是该项目主要的岩土工程问题。本文依托该工程实例,判断隧道深浅埋,划分隧道塌落区范围,确定既有隧道对地上建筑地基承载力的影响程度,计算塌落区范围内洞室地基承载力,并通过Midas数值模拟验算洞室地基稳定性,为后续建筑结构的设计提供技术支撑,也为类似工程的洞室地基承载力计算提供有价值的参考。

Abstract: How to determine the bearing capacity and ensure the stability of foundation with caverns is the main geotechnical problem of Longqiao agricultural market project, which is located above the existing tunnel of Yuhuai and Yufu railway. Based on this real project of foundation with caverns, this paper determines deep or shallow buried tunnel, divides collapse zones and calculates bearing capacity, determines the influence degree of the existing tunnel on bearing capacity of the building foundation, and checks stability of foundation with cavern by Midas numerical simulation. The conclusion of this paper provides technical support for subsequent structure design of the building and valuable reference for similar projects.

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。

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

Figure 2. Project picture

图2. 项目实景图

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

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:

h q = 0.45 × 2 S 1 ω

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:

W = F S ( B H r + q B 1 ) t

2) 洞顶岩柱侧面的摩阻力:

F f = 1 2 r h 2 λ t tan φ k

侧压力系数; λ = tan 2 ( 45 ° φ k 2 )

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

Figure 5. The width of collapse zones

图5. 塌落区宽度计算图

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:

F c = c k ( H h q ) t

k = 2 ( F f + F c ) W = 1.0 ,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

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。

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

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。

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

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

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

Figure 10. The first principal stress of the tunnel surrounding rock

图10. 隧道围岩第一主应力云图

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。

文章引用: 王燕增 , 唐秋元 (2018) 洞室地基对拟建建筑地基承载力的影响分析。 土木工程, 7, 100-108. doi: 10.12677/HJCE.2018.71013

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