建筑物施工對下部高鐵隧道結構變形影響分析

唐 健

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

近年來，隨著我國高速鐵路、軌道交通和城鎮化建設的快速發展，地下隧道與建筑物相互交叉、相互影響的情況越來越多，此時存在2 種工況：①隧道后于鄰近建筑物施工，此時隧道的施工對已有建筑物產生影響；②隧道先于鄰近建筑物存在，此時地面建筑物的施工必將對已有的隧道造成一定的影響。對于隧道施工對鄰近建筑物的影響，國內研究的非常多［1－2］；而對于建筑物施工對其下部隧道、尤其是對變形有極為嚴格要求的高速鐵路隧道的影響，國內外還沒有這方面的研究。因此，本論文以某物流公司5，6號倉庫上跨下部獅子洋高鐵隧道為背景，利用有限差分軟件分析建筑物施工對其下部高鐵隧道結構變形的影響。

1 隧道工程概況

1.1 工程概況

擬建的建筑物位于廣東省東莞市環東路以西，查驗東路以北，保稅中路以東。地塊呈東西長向，地勢較為平坦，項目建設用地面積67946.32 m2。其中5，6 號倉庫位于廣深高鐵獅子洋隧道DK41＋600～DK42＋000段正上方，地表倉庫距離隧道約28m，其結構采用門式框架結構，倉庫內地面堆載50kN／m2。獅子洋隧道全長10.8 km，擬建建筑物下部區段隧道為盾構隧道，盾構內徑9.8m，外徑10.8m。管片采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗滲等級S12。每環環向接縫采用22只M36縱向斜螺栓連接，每環襯砌縱縫內共采用24只M36環向斜螺栓連接。

1.2 工程水文地質條件

倉庫下部地層由上至下為：①人工填土層，組成物主要為粘性土，欠壓實，層厚0.40～3.55m，平均厚度1.36 m，層頂埋藏標高－0.09～2.85 m；②海陸交互相沉積層，主要分布有粉質粘土層、淤泥層、淤泥質土層、粉土層、粗礫砂層、圓礫土層等；③沖積層，主要分布有粘性土層、淤泥質土層、粉細砂層、粗礫砂層、礫石卵石層；④殘積土層主要分布有基巖、巖石全風化、巖石弱風化帶。地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和白堊系碎屑巖類裂隙、孔隙水。

2 三維數值計算

2.1 模型的建立

根據建筑物與隧道的位置關系，計算模型尺寸為：隧道水平方向取200m，豎直向上取23.40 m，豎直向下取24.60m，隧道軸向取398m。計算區域劃分成144067個單元，183895個節點，能夠保證計算具有足夠的精度。計算模型見圖1。其約束條件為：兩側邊界水平方向約束，鉛直方向自由；底部邊界鉛直方向約束，水平方向自由；頂部為自由表面，上部受圍巖自重作用。

圖1 三維計算模型

2.2 流變本構模型

伯格斯是一種粘彈性模型［3］，它由馬克斯威爾模型與開爾文模型串聯而成，有4個可調參數。伯格斯模型的本構方程、蠕變方程、卸載方程分別為

式中：ηM、ηK 分別為馬克斯威爾和開爾文粘滯系數；EK分別為馬克斯威爾和開爾文模型的彈性模量；當t＝0時，ε0＝σ0／EM，模型有瞬時彈性變形，此時只有彈簧元件M 有變形，隨時間的增長，應變逐漸加大，粘性元件按等速流動。

2.3 計算參數的確定

在計算中，圍巖采用了伯格斯流變本構模型，隧道開挖采用了Null模型。管片結構采用了結構單元中的Shell單元，本構模型為彈性。巖體的初始地應力場考慮了自重應力，側壓系數取為0.43。考慮基底水泥攪拌樁加固對圍巖巖性的改善，在模擬時適當提高加固區圍巖參數［4－5］。在模擬過程中，圍巖和支護結構物理力學參數見表1。

表1 圍巖和支護結構物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 倉庫施工階段隧道結構位移分析

圖2為倉庫施工階段隧道管片結構總位移云圖。由圖2可見，在隧道上方倉庫施工的影響下，隧道管片發生了位移。影響區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內，并且在倉庫基礎正下方的盾構隧道管片的變形較大，而Y＝160～270m 范圍內的隧道管片變形相對較小，說明隧道上方倉庫施工對正下部隧道的變形有一定程度的影響。

圖2 施工階段隧道管片結構總位移云圖（單位：m）

從圖2可以看出位移沿隧道軸向的大致分布規律，以下對隧道拱頂和左右邊墻的位移規律進行深入分析。圖3為隧道拱頂下沉位移曲線圖，圖4～5分別為隧道左右邊墻的水平位移曲線。

圖3 隧道結構拱頂下沉位移曲線圖

圖4 隧道左邊墻水平位移曲線圖

圖5 隧道右邊墻水平位移曲線圖

由圖3可見，隧道變形區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內（即Y＝40～160m 和Y＝270～322m），該區域內隧道拱頂點豎向位移主要以沉降為主，且當隧道正上方存在倉庫基礎時，該處隧道結構拱頂豎向沉降位移出現峰值，左線隧道結構拱頂最大沉降位移發生在Y＝160m位置附近，右線發生在Y＝60m 位置附近，其峰值分別為－2.2 mm 和－2.0 mm；Y＝160～270 m 范圍內的隧道結構的豎向位移相對較小，局部出現隆起現象，左右線隧道最小豎向位移位置分別為Y＝270m 和Y＝220m 附近；Y＝220m 位置左隧道處于6號倉庫基礎下方，而右隧道位于兩倉庫基礎之間；Y＝270m 位置右隧道處于5號基礎下方，而左隧道處于2倉庫基礎之間。此外，由于隧道與倉庫基礎區呈斜交，左右線隧道結構拱頂豎向位移曲線變化規律基本一致，但數值及其變化點位置不一樣。

從圖4和圖5可以看出：在隧道上方倉庫施工的影響下，隧道管片發生了水平變形，且左線和右線的水平位移特征不同。最大負向水平位移約在左隧道Y＝100m 和Y＝320m 處，最大負向水平位移量為1.64 mm。最大正向水平位移約在右隧道Y ＝160 m 處，最大正向水平位移量為

0.25 mm。

綜上分析可知，隧道結構變形區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內（即Y＝40～160 m 和Y＝270～322m），當隧道正上方存在倉庫基礎時，該處隧道結構位移出現峰值；而Y＝160～270m 范圍內的隧道結構的位移相對較小，說明倉庫基礎施工對下方一定范圍內隧道結構產生影響。

3.2 倉庫運營階段高鐵隧道結構位移特征

圖6為倉庫運營過程中高鐵隧道結構總位移云圖。

圖6 倉庫運營階段隧道襯砌結構總體位移云圖（單位：m）

由圖6可見，在隧道上方倉庫堆載的影響下，盾構隧道管片變形區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內，并且在倉庫正下方的盾構隧道管片的變形較大，而Y＝160～270m 范圍內的隧道管片變形相對較小，說明隧道上方倉庫堆載對下部隧道的變形有一定程度的影響。最大變形位置約在左線隧道Y＝100m 處，管片最大變形量為8.73mm。

圖7為隧道拱頂豎向位移曲線圖，圖8～9分別為隧道左右邊墻的水平位移曲線。

圖7 隧道拱頂豎向位移曲線圖

圖8 隧道左邊墻水平位移曲線圖

圖9 隧道右邊墻水平位移曲線圖

從圖7可以看出，在隧道上方倉庫堆載的影響下，盾構隧道管片發生了豎向變形，左線和右線的豎向位移特征不同。隧道豎向變形區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內（即Y＝40～160m 以及Y＝270～322 m 范圍內），并且在倉庫正下方的盾構隧道管片的豎向位移較大，而Y＝160～270m 范圍內的隧道管片的豎向位移相對較小，說明隧道上方倉庫堆載使得下部隧道發生了一定程度的豎向位移。并且在倉庫對隧道水平位移影響的區域內，隧道距離倉庫底部的距離越近，隧道的豎向位移越大。最大豎向位移位于Y＝40m 處左右，最大豎向位移為7.69mm。

由圖8和圖9可見，在隧道上方倉庫堆載的影響下，隧道管片發生了水平變形，且左線和右線的水平位移特征不同。最大負向水平位移約在左線隧道Y＝322m處，最大負向水平位移量為5.73mm。最大正向水平位移約在右線隧道Y＝322m 處，最大正向水平位移量為1.14mm。左線隧道Y＝322m 處位于與5號倉庫斜交的邊墻處，說明在倉庫對隧道水平位移影響的區域內，隧道偏離倉庫底部的距離越遠，隧道的水平位移越大。

綜上分析可知，隧道變形較大區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內，而在其他區域內盾構隧道的變形較小，說明隧道上方倉庫堆載使得下部隧道發生了一定程度的變形。

4 結論

（1）倉庫施工階段，隧道結構變形較大區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內，其他區域變形較小。最大負向水平位移位于左線隧道Y＝100m 和Y＝320 m 斷面附近，其值為1.64 mm。最大正向水平位移位于右線隧道Y＝160 m 斷面附近，其值為0.25mm。左線隧道結構拱頂最大沉降位移發生在Y＝160m 斷面附近，右線發生在Y＝60m 斷面附近，其值分別為－2.2 mm 和－2.0mm。

（2）倉庫運營階段，隧道結構變形較大區域主要集中在倉庫與盾構隧道斜交的區域內，其他區域變形較小。最大負向水平位移位于左線隧道Y＝322m 斷面附近，其值為5.73mm；最大正向水平位移位于右線隧道Y＝322m 斷面附近，其值為1.14mm；最大正向軸向位移位于隧道Y＝322m 斷面附近，其值為2.05mm；最大豎向位移位于左隧道Y＝40m 斷面附近，其值為7.69mm。

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