CN106547960A

CN106547960A - 一种隧道临近历史建筑物的施工方法

Info

Publication number: CN106547960A
Application number: CN201610914699.1A
Authority: CN
Inventors: 张立茂; 吴贤国; 曾铁梅; 冉连月
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-03-29

Abstract

本发明属于地下工程施工领域，并公开了一种隧道临近历史建筑物的施工方法。该处理方法包括：(a)量化隧道与既有历史建筑物的临近程度等级；(b)评估既有历史建筑物的现状安全等级；(c)分析隧道施工临近历史建筑物的安全风险等级，并根据安全风险等级明确临近历史建筑物保护与控制的具体应对方案；(d)实时跟踪观测隧道施工影响历史建筑物的基础沉降，并对其安全状态进行实时反馈与主动控制。通过本发明，保障了隧道掘进施工安全的同时，节省工程成本，为工程人员在针对隧道施工周边历史建筑物的安全管理提供一种积极的指导决策，特别适应于隧道施工临近历史建筑群落的整体保护与控制。

Description

一种隧道临近历史建筑物的施工方法

技术领域

本发明属于地下工程施工领域，更具体地，涉及一种隧道临近历史建筑物的施工方法。

背景技术

历史建筑物在某种程度上反映了城市扩张的演变程度以及当地历史和文化的发展历程，历史建筑物属于文化遗产，如何对其进行有效的保护与管理是备受关注的工程问题。这些历史建筑物普遍存在一定的老化现象，难以达到设计的承载能力，在长期的使用中，可能发生部分结构构件破坏的情况。近几十年来，为解决人口增长、空间限制以及环境问题等城市综合病，城市隧道工程大规模开展。隧道开挖不可避免导致地面扰动，不可避免导致临近地面建筑物变形、旋转、扭曲，从而导致建筑物支撑结构受到不可恢复的损害，尤其是浅埋基础建筑更为严重。

最近，数值模拟在对隧道掘进临近建筑物损伤预测有所改善，这是因为通过使用有限元程序后能够考虑到所有相关因素，比如土壤的非线性行为和土壤与建筑物间的交互作用。例如，Maleki等人研究了地表建筑结构特性(包括刚度、结构的几何形状和重量)对隧道-建筑物交互作用的影响，他们模拟建筑和隧道形成两个单独的软件程序：SAP和PLAXIS。通过完整的三维(3D)建模方法，并利用迭代过程分析隧道与建筑物之前的复杂交互作用。Liu等人使用FLAC3D软件进行了参数敏感性分析，来研究建筑和地铁站施工之间的相互作用，通过现状测试的结果与模拟结果相比，发现模拟值小于监测值。Azadi等人使用一些结构有限元分析方法，研究了解相邻隧道建筑结构的沉降问题，并利用神经网络方法预测隧道引起建筑物的沉降问题。然而，这种数值模拟方法非常耗时(数值模拟过程可能非常缓慢)，且需要较高成本，特别不适用于隧道施工周围建筑群的保护与控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道临近历史建筑物的施工方法，通过统筹采用风险评估、数值仿真、价值工程等技术，提出隧道施工环境下临近历史建筑物时的施工方法，由此解决了数值模拟在对隧道掘进临近建筑物损伤预测时的耗时长和高成本的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种隧道施工临近历史建筑物的施工方法，其特征在于，该方法包括系列步骤：

(a)测量待施工隧道中心线与与其临近的历史建筑物的直线距离，并按照该直线距离将隧道与历史建筑物划分为不同的临近程度等级；

(b)鉴定所述历史建筑物的建筑结构是否安全，即是否存在缺陷建筑构件或是否能在预设使用负载下使用，根据该鉴定的结果确定所述历史建筑物的安全等级；

(c)根据所述临近程度等级和所述安全等级，在安全风险等级矩阵中分析并判定所述历史建筑物的安全风险等级，该安全风险等级分为Ⅰ～Ⅳ等级，将所述安全风险等级是Ⅲ级和Ⅳ级的历史建筑物进行数值仿真得到累积沉降值，当所述数值仿真的累积沉降值大于预设可接受值，对所述历史建筑物进行一次基础加固和上部加固，否则，不用对所述历史建筑物加固，所述数值仿真用于分析所述建筑物在待施工隧道的环境下所承受的应力，从而获得结构失效的原因，所述安全风险等级是Ⅰ级和Ⅱ级的历史建筑物不进行数值仿真；

(d)在所述历史建筑物的周围设置多个监视点，记录并比较每个所述监测点的累积沉降值是否超过预设可接受值，所有的所述监测点的累积沉降值均未超过预设可接受值的历史建筑物，其临近的待施工隧道继续施工，否则，对所述历史建筑物进行二次基础加固和上部加固，然后待施工隧道继续施工。

优选地，在步骤(a)中，所述临近程度等级优选分为1～5级，所述建筑物与所述隧道中心线的距离超过30米时，为1级；所述距离超过20米～30米为2级；所述距离超过10米～20米为3级；所述距离在3米～10米为4级；所述距离小于3米为5级。

优选地，在步骤(b)中，所述安全等级优选分为A～D级，当建筑结构安全可靠，没有任何缺陷建筑构件，且能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为A级；当建筑结构安全，有部分缺陷建筑构件，且能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为B级；当建筑结构不满足极限状态要求，部分建筑构件有缺陷，且不能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为C级；当建筑结构不满足极限状态要求，主要建筑构件有缺陷，且不能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为D级。

优选地，在步骤(c)中，所述安全风险等级矩阵中，

当所述临近程度等级为1时，所述安全等级为A或B级，则所述安全风险等级为I级，所述安全等级为C或D级，则所述安全风险等级为II级；

当所述临近程度等级为2时，所述安全等级为A级，则所述安全风险等级为I级，所述安全等级为B或C级，则所述安全风险等级为II级，所述安全等级为D级，则所述安全风险等级为III级；

当所述临近程度等级为3时，所述安全等级为A或B级，则所述安全风险等级为II级，所述安全等级为C或D级，则所述安全风险等级为3级；

当所述临近程度等级为4时，所述安全等级为A级，则所述安全风险等级为II级，所述安全等级为B或C级，则所述安全风险等级为III级，所述安全等级为D级，则所述安全风险等级为IV级；

当所述临近程度等级为5时，所述安全等级为A或B级，则所述安全风险等级为III级，所述安全等级为C或D级，则所述安全风险等级为IV 级。

优选地，在步骤(c)中，所述预设可接受值取值范围优选采用为25mm～30mm。

优选地，在步骤(d)中，所述数值仿真优选采用有限元分析建模。

优选地，在步骤(d)中，所述基础加固优选采用基础加固技术对原有基础进行处理，所述上部加固优选包括砖墙的加固、环梁的安装、构造柱的安装和地板梁的加固。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明在分析隧道开挖诱发临近历史建筑物损害过程中，在保障工程施工安全的同时，合理节省工程成本，为业内从业人员在针对隧道施工引起历史建筑物破坏的安全管理中，提供一种积极的指导决策，特别适应于隧道施工临近历史建筑群的整体保护与控制；

2、本发明提出一种隧道施工诱发历史建筑物破坏的风险预知方法，在隧道掘进前，对历史建筑物破坏的安全风险等级有一个较为准确的评价，进而采用相对应的加固措施，为历史建筑物的保护提供一种主动控制方法，提高了地铁施工安全管理效率，且易于实施，具有先进性和实用性；

3、本发明通过采用数值仿真，考虑建筑老化因素在隧道施工造成历史建筑物损害过程的影响，分析历史建筑物在隧道施工等外力作用下的结构应力应变效应，识别历史建筑物最易损坏的部分，进而进行有针对性的加固控制；

4、本发明通过在隧道掘进前对历史建筑物破坏的安全风险等级有一个较为准确的评价，进而采用相对应的加固措施，在保障工程施工安全的同时，合理节省工程成本，为业内从业人员在针对隧道施工引起历史建筑物破坏的安全管理中，为历史建筑物的保护提供一种主动控制方法，提高了地铁施工安全管理效率，且易于实施，具有先进性和实用性，为业内从业人员在针对隧道施工引起历史建筑物破坏的安全管理中，提供一种积极的指导决策方法。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的施工方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的隧道施工诱发历史建筑物破坏的安全风险评价矩阵图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居现状损害照片；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居西墙的等效应力分布；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居西墙主应力的分布；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的筏板基础与鲁兹故居外墙连接详图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居外墙与内墙加固措施。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的施工方法的流程图。如图1所示，本发明提出一种隧道施工临近历史建筑物施工方法，下面根据该方法对在隧道附近的鲁兹故居施工的具体方法进行说明：

(1)隧道与既有历史建筑物的临近等级评估

隧道与既有历史建筑物的临近等级根据隧道与建筑物的空间位置关系确定。随着建筑物基础隧道结构的空间位置的加大，隧道开挖诱发临近建筑物破坏的影响减缓。一般认定隧道中心线两侧30米范围内的建筑物会受到明显影响，30米范围外的建筑物所受影响可忽略。隧道与既有历史建筑物的临近等级具体分为五级。当隧道在现有建筑物基础一侧，建筑物的位置超出了由隧道开挖引起的影响区域的范围，即超过30米时，临近等级为1级(很远)；当现有建筑物在隧道一侧，且隧道中心线与临近建筑物间水平距离在10-30米范围内，临近等级为2级(远)；当现有建筑物在隧道一侧，隧道中心线与临近建筑物间水平距离在3-10米范围内，临近等级为3级(近)；当隧道穿越现有建筑物基础，且隧道中心线与临近建筑物间水平距离在3-10米范围内，临近等级为4级(较近)；当隧道穿越现有建筑物基础，且隧道中心线与临近建筑物间水平距离在3米以内，临近等级为5级(非常近)。

本实施例中隧道下穿鲁兹故居基础，且隧道中心线与鲁兹故居基础水平距离在2米左右。因此，隧道与该历史建筑物的临近等级为5级(非常近)。

(2)既有历史建筑物的安全健康状况调查

建筑物通常有一定的使用寿命，历史建筑物在长期的使用过程中，会存在一定的老化现象，伴随存在一些结构构件的破坏。既有历史建筑物的安全健康等级主要结合建筑物现状调查和承载力检测进行确定，具体分为四级。当建筑结构是安全可靠的，没有任何严重的缺陷和危险的建筑构件，建筑物可以在正常的使用负载下安全使用时，其安全等级确定为A级；当建筑结构是安全的，有部分危险的建筑构件，建筑可以在正常的使用负载下安全使用，其安全等级确定为B级；当在正常使用条件下部分结构构件不能满足极限状态的要求，一些结构构件不安全，导致建筑部分构件濒临危险，其安全等级确定为C级；当在正常使用条件下承载构件不能满足极限状态的要求，主要结构构件不安全，导致建筑整体濒临危险，其安全等级确定为D级。

本实施例中，图3是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居现状损害照片，如图3所示的鲁兹故居现状损害照片，表1显示了鲁兹故居健康状况的调查结果与评价，最终鲁兹故居的现状健康等级评为D级。

表1鲁兹故居健康状况的调查结果与评价

(3)隧道施工诱发临近历史建筑物破坏的安全风险等级评估

建筑物安全风险可以定义为：风险＝频危性×脆弱性，其中，频危性反映了建筑物濒临危险境地的情形，可由隧道结构与建筑物临近等级描述，是一种外在因素；脆弱性反映了建筑物自身的安全健康等级情形，可以建筑物的安全健康等级确定，是一种内在因素。建筑物安全风险等级具体分为四级(I，II，III和IV)，其中，I级为安全，II级为低风险，III级为中等风险，IV为高风险。表1隧道施工诱发历史建筑物破坏的安全风险等级矩阵。

本实施例中，鲁兹故居濒危性(隧道与既有历史建筑物的临近等级)评为第5级(非常近)，脆弱性(建筑物自身健康等级)评为D级(濒危)。图2是按照本发明的优选实施例所构建的隧道施工诱发历史建筑物破坏的安全风险矩阵图，如图2所示，鲁兹故居受隧道施工影响的安全风险等级评为IV(高风险)。

(4)历史建筑物保护与控制的具体应对方案

历史建筑物保护与控制的具体应对方案是根据历史建筑物的安全风险等级决定。本实施例中，鲁兹故居受隧道施工影响的安全风险等级评为IV(高风险)，有必要进行数值仿真分析。根据设计方案和地质报告，应用有限元软件ANSYS建立关于隧道开挖对该历史建筑物的影响的数值模型。图4是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居西墙的等效应力分布，图5是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居西墙主应力的分布，如图4和图5所示的鲁兹故居西墙等效应力和主应力的分布。

在有限元中，应力分析可以确定受挤压或负载下材料和结构的应力集中区域，通过分析隧道环境下建筑物的主应力和等效应力，了解结构失效的原因。隧道开挖引起的鲁兹故居各建筑组件的等效应力的分布是统一的，1.2米高的承重墙被视为鲁兹故居中最薄弱的部分，其次是一楼、二楼和地下室墙壁。应力集中区域主要位于墙上窗和门孔之间，一楼墙的应力值高于二楼的，墙的拐角处的应力高于其他部分。从主应力角度来看，墙壁上主应力的分布因为这些窗户和门孔而有一些波动。

与此同时，为了计算建筑反应力，在数值模拟中施加了隧道引起的土层运动对建筑物基础的影响。在数值模拟中选择了鲁兹故居建筑的四个角落点，了解建筑物基础在不同的隧道模拟开挖阶段的沉降趋势。从隧道影响的建筑沉降趋势来看，其最大累积沉降是69毫米，远远超过了所容许的沉降标准(见表3)。

表3不同隧道模拟开挖阶段鲁兹故居建筑基础的累积沉降(单位：mm)

注：T1代表第一个开挖阶段，此时盾构机到达鲁兹故居建筑基础背后10米；T2代表第二个开挖阶段，此时盾构施工正好下穿鲁兹故居建筑基础；T3代表第三个开挖阶段，此时盾构机已通过鲁兹故居建筑基础，并在其前方10米处。

结合数值仿真分析结构，对该鲁兹故居的基础与上部结构采取了相应的加固处理措施。在基础加固方面，根据建筑物墙体存在的较宽的竖向裂缝(已稳定)可判断，建筑物的沉降已导致基础多处断裂，要达到加固目的，应使基础形成整体。可利用地下室在基础下作0.6m厚的钢筋砼板，使鲁兹故居整体作用在钢筋砼板基础上。图6是按照本发明的优选实施例所构建的筏板基础与鲁兹故居外墙连接详图，如图6所示，筏板基础与鲁兹故居外墙连接详图。具体步骤为：首先，利用地下室，在墙脚边开挖至基础顶面，并对基础注浆处理；其次，在墙脚钻孔穿ф20螺纹钢筋(孔距约1m左右)，再用环氧树脂填实；接着，在基础顶面绑扎圈梁钢筋；最后，将筏板钢筋锚入基础顶面圈梁，浇筑C30混凝土，形成整体。

筏板整体刚度大，整体性好，可以确保房屋整体变形，能适应土体的局部沉降。造价相对较低，实施难度小。需要在房子内部进行施工。根据数值仿真计算，隧道开挖对鲁兹故居造成的整体沉降为8mm，盾构机从鲁兹故居下方掘进造成房屋沉降是10mm。房屋的不均匀沉降为5mm，均在安全许可的范围内。

对于建筑物墙体的加固，对出现裂缝的墙体，注浆液(或结构胶)封闭。内墙在两侧、外墙在内侧采用在墙上设钢筋网夹板墙(钢筋网加40mm水泥砂浆)方式加固，钢筋网采用锚栓与墙体连接，钢筋网夹板墙应锚固在新设的圈梁及构造柱中。图7是按照本发明的优选实施例所构建的鲁兹故居外墙与内墙加固措施，如图7所示的外墙与内墙加固体措施。

(5)历史建筑物基础沉降跟踪观测

在施工过程中，以根据模拟分析和调整的有效措施而提出的相应建筑物加固措施。根据施工方案，在实际隧道掘进过程中，为测量建筑基础的沉降趋势设置了DB1、DB2、…DB6的六个监视点，观察六个监视点的累积沉降结果趋向于稳定。该历史建筑物的累积沉降在整个隧道掘进过程中未超过25mm，整个隧道掘进施工得到正常进行。事实上，在整个隧道开挖过程中，鲁兹故居没有遭受严重的损害或破坏，历史建筑物的原始风貌被保留，这也为在类似复杂环境中对历史建筑物的保护提供了宝贵的经验。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种隧道施工临近历史建筑物的施工方法，其特征在于，该方法包括系列步骤：

2.如权利要求1所述的施工方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述临近程度等级优选分为1～5级，所述建筑物与所述隧道中心线的距离超过30米时，为1级；所述距离超过20米～30米为2级；所述距离超过10米～20米为3级；所述距离在3米～10米为4级；所述距离小于3米为5级。

3.如权利要求1或2所述的施工方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述安全等级优选分为A～D级，当建筑结构安全可靠，没有任何缺陷建筑构件，且能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为A级；当建筑结构安全，有部分缺陷建筑构件，且能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为B级；当建筑结构不满足极限状态要求，部分建筑构件有缺陷，且不能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为C级；当建筑结构不满足极限状态要求，主要建筑构件有缺陷，且不能在使用负载下使用时，所述历史建筑物安全等级确定为D级。

4.如权利要求1-3任一项所述的施工方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述安全风险等级矩阵中，

当所述临近程度等级为5时，所述安全等级为A或B级，则所述安全风险等级为III级，所述安全等级为C或D级，则所述安全风险等级为IV级。

5.如权利要求1-4任一项所述的施工方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述预设可接受值取值范围优选采用为25mm～30mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的施工方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述数值仿真优选采用有限元分析建模。

7.如权利要求1-6任一项所述的施工方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述基础加固优选采用基础加固技术对原有基础进行处理，所述上部加固优选包括砖墙的加固、环梁的安装、构造柱的安装和地板梁的加固。