小凈距左右不同跨度隧道施工對上部建筑物變形影響分析

張學富,彭 濤

(重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074)

隨著我國國民經濟的快速發展，城鎮化建設也在不斷加速，地上道路不能滿足現代交通需要，修建地下通道便成為了交通建設的必然手段。由于受地質、地面建筑復雜環境以及隧道分開建設帶來的展線困難與占地大等因素的影響，小凈距隧道因其施工工藝簡便、工程造價低等優越性而越來越受到建設部門的青睞[1，2]。在城市軌道交通快速發展中，下穿建(構)筑物的特大跨徑隧道越來越多，有必要研究特大跨度、偏壓隧道施工對上部建筑物的影響[3]。

近年來，關于小間距隧道的設計和施工技術研究，國內外科學工作者已通過理論研究、現場測試和數值分析等措施取得了一定的經驗和成果[4]。唐明明等[5]對穿越公路的小凈距隧道施工方法進行了研究，得出采用上下臺階法可保證施工期間省道正常運行和洞室穩定；趙東平[6]對小凈距平行隧道下穿施工對多層建筑的影響研究，得出了隧道施工對多層建筑物基礎的位移影響規律；杜菊紅等[7]對偏壓錯臺小間距隧道施工的位移場進行了研究，得出了兩洞開挖順序不同，最終位移場的分布規律相同，但數據上有一定的差異；張雪金等[8]對小凈距隧道下穿采空區地層施工室內模型試驗，對施工過程圍巖及采空區的沉降進行了監測；FU Y.P等[9-10]采用數值計算方法研究隧道開挖引起采空區位移影響，以及考慮地基影響時隧道施工與既有建筑物的關系；習淑娟等[11]以合肥小凈距隧道穿越利海大廈辦公樓工程為背景，采用數值分析方法研究了建筑物樁基變形特性、隧道圍巖塑性區分布以及襯砌力學響應分析；畢可為等[12]分別采用先開挖單線盾構區間和施工折返暗挖段兩種工況，研究了小凈距隧道施工間的影響；曹雪[13]以重慶某近接隧道高層建筑為對象，研究了高層建筑施工對既有隧道穩定性影響；章慧健等[14]利用數值模擬方法討論了新建隧道施工從不同距離、不同部位對既有建筑物的影響程度；劉書斌等[15]利用有限元方法模擬采空區地層下修建小凈距隧道，分析采空區地層傾角對雙洞小凈距隧道初支的穩定影響；王俊，戴志仁[16]研究了黃土地區大面積基坑開挖和高層建筑施工對地鐵隧道的影響，得出高層建筑物荷載通過轉換梁與樁基礎傳到地層深處。以重慶市兩江橋渝中連接隧道為研究對象，通過大型有限元軟件ANSYS進行數值分析，重點研究了下穿多層建筑物且嚴重偏壓小凈距隧道施工對上部建筑物位移的影響規律，對相似工程研究具有一定參考作用。

1 工程概況

兩江橋渝中連接隧道與解放東路接口工程場地行政區劃屬重慶市渝中區，主線隧道下穿重慶市第一人民醫院門診樓，其中位于隧道正上方的部分門診樓及相關建筑現已拆除，位于隧道左上側門診樓保留，明挖區段和暗挖區段的交界里程為ZK13+920.500/YK13+919.810，保留門診樓為8層框架結構房屋，其基礎距離隧道邊緣范圍約為2.5～7.5 m，場地及周圍無斷層通過，上部建筑與隧道平面位置關系見圖1。

圖1 解放東路接口工程(EF匝道)平面

工程場區出露的地層由上而下依次為人工填土、砂質泥巖及砂巖層，砂巖節理裂隙不發育，完整度較好，有較好的自承能力。右洞開挖跨度達22.1 m，開挖高度為13.72 m，洞頂埋深僅約為7.72 m；左洞跨徑為13.26 m，開挖高度為9.97 m，埋深為9.65 m。隧道拱頂以上為素填土，填土以下為泥巖砂質且較完整。兩隧道凈距范圍為5.726～6.058 m，為典型的小凈距隧道，斷面設計見圖2。

圖2 襯砌設計斷面(單位：mm)

2 計算模型

2.1 計算參數

本分析模型中圍巖由填土層和砂巖層構成。根據地質勘查資料顯示，渝中連接隧道圍巖級別為Ⅳ級，圍巖的支護體系主要包括噴混凝土、鋼支撐、系統錨桿、預應力錨桿和加固區等。其中，初支為C25混凝土，二襯采用C30混凝土。圍巖及隧道支護體系的力學參數見表1。隧道上部的建筑物作為本次研究對象，其計算參數見表2，上部建筑物為8層樓的框架結構建筑，主體結構包括框架柱、梁和樓板等，基礎結構形式采用筏型基礎。

表1 圍巖及隧道結構支護參數

表2 建筑物的計算參數

2.2 模型

本模型采用有限元軟件ANSYS進行數值模擬，整個模型采用地層-結構法進行分析。選取具有代表性的計算區段，計算里程為ZK13+928.441～ZK13+960.441/YK13+927.499～YK13+959.499。上部填埋層高度為2.5 m，下部砂巖層為58.8 m，分析計算模型沿隧道縱向總長度為32 m，左右總寬度為170 m，其左右橫向邊界到隧道外側的距離約為4倍洞徑，下部邊界到隧道的距離約3倍洞徑。初支、二襯采用solid45實體單元。左右隧道初支中均設置有鋼支撐，截面形式為不同型號的工字鋼。其中，錨桿、鋼支撐和臨時支撐采用beam188單元，通過定義不同的截面來區分各構件。在隧道上方建設有1棟8層框架結構的建筑物，從平面上看，建筑物位于左隧道左側，距離左隧道邊緣為5.2 m，為簡化和建模需要，層高均為3 m，柱子和梁的截面尺寸為0.5 m×0.5 m，樓板厚12 cm，采用shell181單元；基礎形式采用筏型基礎，其埋深為2.5 m，基礎橫縱方向超出主體結構2 m，基礎底面與砂巖層相接，尺寸為26 m(長)×16 m(寬)×2.5 m(高)，建筑物基礎、柱和梁采用混凝土solid65實體單元。整個模型經網格劃分后，單元有237 023個，節點有241 970個，其上部建筑物單元網格圖和總體單元網格圖分別見圖3(a)、圖3(b)所示。有限元計算模型頂部為自由邊界，其余邊界皆施加法向約束。

圖3 3D仿真分析模型

2.3 開挖工況

小間距隧道施工通過開挖方法和開挖順序定義了3種工況。根據其施工順序不同分為左洞先行的CD+弧形導坑預留核心土(工況Ⅰ)、左洞先行的超短臺階+弧形導坑預留核心土(工況Ⅱ)和右洞先行的CD+弧形導坑預留核心土(工況Ⅲ)施工方法。在建立的彈塑性力學模型中，通過單元的生死來模擬開挖過程，各工況開挖進尺為4 m。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的施工順序分別見圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)。其中，超短上下臺階法中，上下掌子面距離為4 m。

圖4 3種不同開挖工況

3 計算結果分析

結合實際施工狀況，對上部建筑物的影響主要集中在沉降和傾斜兩方面。為便于分析研究，針對不同的工況在建筑物中取出了15個分析點作為研究對象，分別為沿基礎長度方向上等距離選取的A～G 7個分析點且各分析點間距為4 m，編號H～K的分析點為房屋頂面4個角點，在建筑物中柱上等距離取出了4個編號為L～O分析點。建筑物結構各分析點布置見圖5。

圖5 房屋結構分析點布置

3.1 工況Ⅰ

3.1.1 基礎結構的位移分析

為能說明下部隧道施工對基礎的影響，得出基礎總位移沿長度的變化曲線，見圖6。由圖6可知，在地下隧道開挖后，基礎的總位移沿其長度方向近似為直線，表明基礎近似地發生了剛性位移，只是做微小的平動，即基礎的形狀幾乎不會發生變形。

圖6 基礎總位移沿其長度方向的曲線

圖7 建筑物頂面位移隨荷載步變化曲線

3.1.2 主體結構的位移分析

工況Ⅰ的總荷載步為83步，上部建筑主體結構水平、豎向位移隨隧道施工過程的曲線見圖7、圖8。

圖8 建筑物沿其高度方向的位移隨荷載步變化曲線

由圖7(a)可知，在隧道開挖過程中，建筑物主要發生左右傾斜，靠近隧道的角點水平位移小于遠離隧道的角點位移，房屋頂面四角點的水平位移變化規律相似，皆在開始施工右洞時出現突增的現象，但在數據上存在細小的區別，其水平位移變化范圍為-0.126～0.30 mm。從圖7(b)看出建筑物在隧道的開挖過程中發生沉降現象，其沉降量變化范圍為-11.459～-11.65 mm，建筑物頂面四角點豎向位移皆在開挖右洞時呈現突增現象。靠近隧道的角點豎向位移在開挖右洞過程中逐漸減小，遠離隧道的角點豎向位移逐漸增大，最終趨于穩定。

由圖8(a)、圖8(b)所示，建筑物沿高度方向的水平位移和豎向位移在隧道施工過程變化量不大，其水平方向擺動幅度為-0.096～0.145 mm，但在開挖右洞時出現突增的現象。建筑物豎向位移量隨著高度的增加，沉降量越大。

3.2 工況Ⅱ

3.2.1 基礎結構的位移分析

工況Ⅱ中總荷載步為66步，基礎總位移沿長度方向的變化曲線見圖9。由圖9可知，在地下隧道開挖支護后，基礎的總位移沿長度方向出現先減小后增加再趨于平緩的現象，由于減少的幅度小，表明基礎在隧道開挖過程中形狀發生了細微變形。

圖9 基礎總位移沿其長度方向的曲線

3.2.2 主體結構的位移分析

圖10(a)可看出，在整個隧道開挖過程中，靠近隧道一側的角點主要發生負方向位移，遠離隧道一側的角點主要發生正方向位移，皆在左洞施工完后開挖右洞時位移發生突變，總的變化幅度為-0.134～301 mm。由圖10(b)可知，建筑物在隧道的施工過程中發生沉降現象，建筑物沉降最大值為-11.661 mm，發生在靠近隧道一側。

圖10 建筑物頂面位移隨荷載步變化曲線

圖11(a)、圖11(b)分別展示了建筑物沿高度方向隨隧道施工過程的水平位移和豎向位移變化曲線。其中，沿建筑物高度方向上各分析點的水平位移變化范圍很小，總的變化范圍為-0.145～+0.146 mm；不同高度分析點的豎向位移不同，其沉降量沿高度方向近似線性增加，但在左洞開挖支護結束后施工右洞時出現突變現象。

圖11 建筑物沿其高度方向的位移隨荷載步變化曲線

3.3 工況Ⅲ

3.3.1 基礎結構的位移分析

圖12為基礎總位移沿長度方向的變化曲線。由圖12可知，在地下隧道開挖支護后，基礎的總位移沿長度方向近似呈直線變化，表明基礎在隧道開挖過程中近似地發生了剛性位移，即基礎的形狀幾乎不會發生變形，只是在隧道開挖過程中有細微的平動。

圖12 基礎總位移沿其長度方向的曲線

3.3.2 主體結構的位移分析

工況Ⅲ與工況Ⅰ荷載步相同，只是開挖順序不同。在隧道施工過程中，建筑物屋頂的水平位移和豎向位移同荷載步變化曲線依次見圖13(a)、圖13(b)所示。由圖13可知，靠近隧道一側角點的水平位移和豎向位移在隧道的整個開挖過程中變化幅度較小，在開挖右洞時出現突變現象；但遠離隧道一側角點的豎向位移在隧道的整個開挖過程中，變化幅度較小，未出現突變現象。其中，水平位移(Ux)總的變化范圍為-0.35～0.19 mm，豎向位移(Uy)總的變化范圍為-11.627～-11.403 mm。

圖13 建筑物頂面位移隨荷載步變化曲線

圖14(a)、圖14(b)分別展示了建筑物沿高度方向隨隧道施工過程的水平位移和豎向位移變化曲線。其中，沿建筑物高度方向上選取各分析點的水平位移在隧道開挖過程中主要發生負向位移，在左洞開挖支護結束后出現位移由負值變為正值的現象，但最終趨于平衡，總的變化范圍為-0.334～+0.063 mm；不同高度的分析點其沉降量沿高度方向近似呈線性增加，但增長幅度逐漸減小。

圖14 建筑物沿其高度方向的位移隨荷載步變化曲線

4 比較與討論

通過上述結果分析，對比圖6、圖9、圖12可知，在左洞先行的CD+弧形導坑預留核心土法(工況Ⅰ)、右洞先行的CD+弧形導坑預留核心土法(工況Ⅲ)下的小凈距隧道施工對上部建筑物基礎的影響規律大致相同，只是在數值上存在細微的差異；在左洞先行的超短臺階+弧形導坑預留核心土法(工況Ⅱ)作用下基礎發生非剛性位移而產生細微的變形，最終影響大小為工況Ⅱ>工況Ⅰ>工況Ⅲ。比較圖7、圖10、圖13則有：在各工況下的小凈距隧道施工過程中，上部建筑物的沉降規律和偏移規律總體相似，僅在數值上存在細小的變化。工況Ⅰ下，水平偏移幅度量為0.426 mm，最大沉降量為11.65 mm；工況Ⅱ中，相應值分別為0.435 mm、11.661 mm，在工況Ⅲ中，對應值為0.54 mm、11.627 mm。相比工況Ⅲ，工況Ⅰ下的水平偏移量和沉降量分別增加-21.1%、0.2%；同理，在工況Ⅱ中相應值分別為-19.44%、0.29%。在3種開挖方式下，房屋頂面的水平位移變化幅度比豎向位移大，其原因之一可解釋如下：由于兩小凈距隧道的埋深不同，也存在偏壓、錯臺現象，建筑物位于埋深較大的左隧道上面，在隧道開挖過程中，圍巖受力發生變化，主要是由原來的上下豎向變形轉化為左右傾斜變形。由圖8、圖11、圖14可看出，在各工況下的小凈距隧道施工過程中，沿建筑物高度方向由下向上各點的沉降量呈現出逐漸增大趨勢，但增大幅度逐漸減小；工況Ⅰ中，沿建筑物高度方向沉降量增加百分比分別為5.75%，9.31%，10.47%；工況Ⅱ中，相應的值分別為5.71%，9.27%，10.42%；工況Ⅲ中，相應的值為5.73%，9.32%，10.46%。各點的水平位移值在隧道交接施工過程中出現了突變現象，究其原因為先開挖隧道施工結束后，整個圍巖受力狀態基本趨于穩定，但在后開挖隧道時出現了應力重分布，結構受力性質發生了改變，但在工況Ⅰ、工況Ⅱ下的小凈距隧道施工過程中，由于沿高度方向上各點的水平位移有正有負，表現出對建筑物有微小的剪切發生。

5 結論

以重慶市兩江橋渝中連接隧道為研究對象，通過大型有限元軟件ANSYS進行數值分析，重點研究了下穿多層建筑物且嚴重偏壓小凈距隧道施工對上部建筑物位移的影響規律，結論如下。

(1)當圍巖條件比較好、支護支撐合理、隧道地表存在不對稱荷載時，右洞先行的CD+弧形導坑預留核心土(工況Ⅲ)相對于左洞先行的CD+弧形導坑預留核心土(工況Ⅰ)、左洞先行的超短臺階+弧形導坑預留核心土(工況Ⅱ)較好，即采用先開挖地表荷載較小的一側隧道更為有利。

(2)在3種工況中，小凈距隧道施工對上部建筑物的水平位移和豎向位移影響規律大致相同，僅在數值上存在細微的區別。相比工況Ⅲ，工況Ⅰ下的水平偏移量減少21.1%，沉降量增加0.2%；同理，在工況Ⅱ中相應值分別為-19.44%、0.29%。

(3)地表上側建筑物沿高度方向由下向上的位移在隧道施工過程中移逐漸增大，但增長的幅度逐漸減小。工況Ⅲ中，沿建筑物高度方向沉降增加量百分比分別為5.73%，9.32%，10.46%。

(4)在小凈距隧道采用中隔壁法、超短上下臺階法和環形導坑法的整個施工過程中，對上部建筑物的最不利影響發生在左右隧道交接施工過程中。因此，實際施工過程中，在一側隧道施工完后，開始施工另一側隧道時應加大監控力度。

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