刘琦
深圳市勘察研究院有限公司 广东深圳 518000
摘要：本文以深圳某高速公路隧道开挖所引起的地面建筑开裂为例，研究了地下隧道开挖过程中抽水对原有建筑物稳定性的影响。研究表明，隧道开挖引起了房屋地下水位的下降，促使原已完成固结沉降的地层再次发生固结，从而因此房屋的开裂。研究同时表明，不同的建筑物结构类型对不均匀沉降影响不同。对隧道降水引起的地下水位水面关系进行了拟合，计算了隧道降水的影响范围。分析了房屋开裂的原因及相应的处理措施，为同类型工程的施工提供工程经验及原有建筑的保护提供了参考依据
关键词：隧道开挖 水力联系 降水 不匀均沉降
Abstract:In this paper, the effect of pumping on the stability of the original building during the excavation of an underground tunnel is studied in the case of the ground building cracking caused by the excavation of a highway tunnel in Shenzhen. The study shows that the excavation of the tunnel causes the decline of the water level of the house, which causes the consolidation of the original consolidation settlement, thus the cracking of the house. The study also shows that different structural types of buildings have different effects on uneven settlement. The relationship between groundwater level and water surface caused by tunnel precipitation is fitted, and the influence range of tunnel precipitation is calculated. The reasons for the cracking of the building and the corresponding treatment measures are analyzed, which provides reference for the construction of similar projects and the protection of the original buildings.
Keywords: tunnel excavation, hydraulic connection, uneven precipitation and settlement
引言
随着我国经济的飞速发展，城市的基础设施建设取得了骄人的成绩。各种地下建筑及构筑物的平面尺寸及规模也越来越大。然而各种地下设施的修建，会破坏原场地的环境的平衡，致使已有建筑发生开裂与变形现象，甚至导致已有建筑的破坏。新建工程与原有建筑之间的矛盾形式严峻。
针对隧道开挖与已有建筑之间的问题，许多学者开展了相关的研究。何小林、路雅君分析了盾构法施工隧道沉降的形成原因及分析[1，2];朱卫东、缪林昌研究了城市地铁施工与地面沉降之间的关系[3,4]；胡海英、郑刚研究了基坑开挖对地铁隧道的影响[5,6]。然而专门针对隧道开挖与既有建筑之间水力的研究相对较少，本文的研究具有一定的意义。
本文以深圳某高速公路隧道开挖所引起的地面建筑开裂为例，研究了地下隧道开挖过程中抽水对原有建筑物稳定性的影响。可为同类型工程的施工提供工程经验及原有建筑的保护提供了参考依据。
一、场地环境
场地原始地貌为河流阶地，后经人工填土回填整平形成如今地貌，现地势平坦。场地北侧为水库，场地距水库大坝约300m。场地西南侧地下为在建高速公路连接线隧道，隧道设计采用双侧壁导坑法施工，硬岩采用钻爆法凿岩，洞身衬砌采用复合式衬砌辅以超前支护措施设计。隧道埋深约16m，隧道毛洞宽约16米，高10米。
场地内共有两栋房屋（1#、2#），1#房屋为共三层，平面呈L形，在L形转角处由伸缩缝分隔为两部分。1#房屋首层为砌体结构，二、三层为框架结构，设计于1984年11月，竣工时间不详，基础采用独立基础，基础埋深约3m，距离隧道边墙最近距离约13.5m；2#房屋为5层框架结构，采用条形基础、基础埋深3m，2#房屋距离隧道边墙最近距离约33.5m。
隧道于2017年11月中旬开始于地下侧穿1#、2#房屋，至钻探施工前1#房屋外墙出现2处裂纹间断性增大及第三层沉降缝处墙抹面脱落现象，2#房屋未见异常，房屋及隧道平面位置图详见图1。
图1 场地位置图
1.2场地地层条件
场地内自上而下分布的地层主要有人工填土层（Qml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层（Qel）及石炭系变质砂岩（C1），自上而下分述如下：
1）人工填土（Qml）
素填土（层序号1）：黄褐、灰褐色，稍湿，松散~稍密状态，顶部为路面砼块、碎石垫层或草皮树根等，下部以褐黄色黏性土为主，不均匀混杂粒径3-5cm小碎石，含量40%左右。层厚0.70～3.50m.
2）第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）
（1）含有机质粉土（层序号2-1）：灰～深灰色，含少量有机质组分，局部含量较高，松散状态。层厚2.00~2.3m，层顶埋深2.00m，层顶标高7.16~7.26m.
（2）含卵石砾砂（层序号2-2）：褐黄色，饱和，稍密~中密状态，卵石呈次圆~次棱角状，直径2~10cm左右，分选性较差，不均匀含少量黏性土等。层厚1.70～5.60m，层顶埋深0.70～4.00m，层顶标高5.26～8.76m.
3）第四系残积层(Qel)
粉质黏土（层序号3）：褐黄杂浅黄色，湿，可塑~硬塑状态，由变质砂岩风化残积而成。层厚1.00m，层顶埋深6.90m，层顶标高2.41m。
4）石炭系下石炭统变质砂岩(C1)：
场地内下伏基岩为石炭系下石炭统变质砂岩，据现场钻探揭露，按其风化程度可划分为全、强、中及微风化四个带：
（1）全风化变质砂岩（层序号4-1）（ ）：褐黄色，岩石完全风化解体，原岩结构可辨，岩芯呈坚硬土状，合金钻进易，局部含强风化岩块。层厚1.00～1.30m，层顶埋深5.70～7.90m，层顶标高1.41～3.56m。
（2）强风化变质砂岩（层序号4-2）（ ）：褐黄色，岩石结构大部分已破坏，裂隙极发育，岩芯呈土夹块状、块状，不均匀含中风化岩块，合金钻进易，含较多中风化块及中风化夹层。揭露层厚5.70～16.00m，层顶埋深4.30～9.00m，层顶标高0.31～4.86m。
（3）中风化变质砂岩（层序号4-3）（ ）：灰白～浅灰色，裂隙发育，裂面多铁质浸染，岩芯以碎块～块状为主，少量短柱状，岩石硅化显著，岩质坚硬，锤击声稍哑、不易击碎，合金钻进困难，金刚石可钻进。揭露层厚0.80～11.00m，层顶埋深13.00～20.30m，层顶标高-10.99～0.00m。
（4）微风化变质砂岩（层序号4-4）（ ）：浅灰～青灰色，有少量风化裂隙发育，裂面多闭合、新鲜，局部微张，岩芯以短柱～柱状为主，少量碎块～块状，岩石硅化显著，岩质坚硬，锤击声脆、不易击碎，合金难以钻进，金刚石钻进较慢。揭露层厚5.70～16.40m，层顶埋深13.80～24.80m，层顶标高-15.34～-4.61m。
二、地下水文条件及分析
为探测地下水与隧道开挖之间的联系，沿着垂直隧道方向内选取了ZK1、ZK3、ZK4、ZK6为水文观测孔。根据隧道开挖前场地内水文观测数据，场地内地下水埋深在1.3~2.9m之间，场地内原地下水位按2.1m考虑。各点距离隧道距离详见表1
表1 水文观测孔中地下水情况（单位：m）
假设隧道垂直隧道轴线每个剖面地层情况相同，隧道相对房屋为无线长，地下水只有向隧道渗流一个方向，则上述问题为一个二维问题。同时假设地下水从隧道顶点渗入隧道内，则可以根据水文观测井的水位降深及距离隧道位置，建立相关函数关系。以隧道顶点为坐标原点，则拟合曲线原始数据见表2。
表2 水位埋深与距离隧道位置数据（单位：m）
图3 距离与个钻孔水面离隧道顶的拟合曲线
从图中可以看出上述各点近似服从Y=0.0864X-0.1927的直线分布，相关系数为0.9845。根据上述公式，考虑隧道埋深及地下水原水位，得出隧道开挖降水的影响范围为187.41m。考虑场地内存在砾砂层，场地内地下水，影响范围将扩大。
2.2房屋地基与隧道的水力联系分析
1#、2#房屋采用含卵石砾砂层作为浅基础持力层，ZK1、ZK2、ZK5、ZK6、CTZK21、CTZK22号钻孔填土下为含卵石砾砂、强~微风化岩层均为透水性较好的地层，地下水连通性较好，水力联系畅通。此次勘察测得观测孔内稳定水位埋深为9.3～13.8m。综合ZK1、ZK3、ZK6、ZK4水位观测孔水位数据，原地面水位为1.3～2.9m。往隧道方向地下水位有降低的趋势，显示房屋一带地下水与隧道有一定的关联性。隧道的开挖抽水是引起房屋发生变形的主要原因。
2.3建筑物沉降变形原因分析
建筑处于深圳水库下游，地下水埋深较浅。较长时间的降水可致基础持力层及以下地层中地下水位下降，孔隙水压力的消散，土颗粒的有效应力增加，土层压缩，产生一定的地基沉降。
同时由于房屋结构的不同，2#房屋虽然离隧道近但因结构整体向良好，未出现不均匀沉降。1#房屋在平面上呈L形，L形拐点位置属结构荷载应力叠加位置，房屋设计在该部位设置沉降缝的目的就是为了调整应力叠加可能造成的差异沉降。
2.4 地基处理建议
建议对1#楼在基础下采用打入式钢花管注浆法，对基底下的含卵石砾砂层进行加固处理。或在房屋四周布设止水帷幕，帷幕深度达到下伏残积土层及以下弱透水性地层。同时对房屋周边地层进行回灌。
三、结论
本文基于深圳某高速公路修建过程中引起房屋开裂，讨论了房屋与隧道之间的水力联系，分析了房屋开裂的原因及相应的处理措施，得到了如下结论：
1.地下水位距离隧道顶面的高度，近似服从Y=0.0864X-0.1927的直线分布，隧道开挖降水所引起的范围为187.41m。
2. 房屋一带地下水与隧道有一定的关联性。隧道的开挖抽水是引起房屋发生变形的主要原因。
3.由于隧道降水，引起原已完成自重固结的地层在发生再次固结，同时由于房屋结构的原因，致使局部出现不均匀沉降及掉块现象
4. 建议对1#楼在基础下采用打入式钢花管注浆法，对基底下的含卵石砾砂层进行加固处理。或在房屋四周布设止水帷幕，帷幕深度达到下伏残积土层及以下弱透水性地层。同时对房屋周边地层进行回灌。
参考文献：
1. 何小林, 王涛. 盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制[J]. 科技资讯, 2012(17):71-72.
2. 路雅君, 唐振刚. 浅析盾构隧道施工引起的地面沉降机理与控制措施[J]. 科学技术创新, 2017(4):255-256.
3. 朱卫东, 杨文定. 城市地铁隧道施工引起的地表沉降研究[J]. 公路工程, 2016, 41(5):195-199.
4.缪林昌, 王非, 吕伟华. 城市地铁隧道施工引起的地面沉降[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2008, 38(2):293-297.
5. 郑刚, 杜一鸣, 刁钰,等. 基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(4):599-612.
6.胡海英, 张玉成, 杨光华,等. 基坑开挖对既有地铁隧道影响的实测及数值分析[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(s2):431-439.
作者简介：
姓名：刘琦，单位：深圳市勘察研究院有限公司，（1984.03—），女，江西吉安人，工程师，硕士，主要从事岩土工程设计与咨询工作
论文作者:刘琦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/22
标签：隧道论文; 房屋论文; 场地论文; 地层论文; 地下水论文; 砂岩论文; 标高论文; 《防护工程》2018年第12期论文;