鄰近地下車站淺埋大跨隧道下穿建筑物受力特性分析

胡文亮

(重慶市設計院有限公司，重慶 400015)

隨著經濟的快速發展，我國城市化進程加快，城市地下交通網蓬勃發展。在城市建成區，新建地下交通受諸多條件限制，與既有構筑物存在“上跨”“下穿”“鄰近”的相互位置關系，并相互影響。

一些學者對隧道結構鄰近既有構筑物在施工過程中的相互影響進行了相關研究。唐人、李圍等[1-2]結合盾構隧道從施工注漿措施分析了施工方法對上部建筑的影響；郝坤等[3]研究了大跨隧道下穿對路基影響的控制措施；也有學者針對城市隧道下穿建筑物從方案到施工等方面提出了切合實際的工程措施[4-10]。目前實際工程和研究中對淺埋隧道下穿既有建筑同時下側鄰近既有地鐵車站相對復雜周邊環境的工程案例較少，尚缺少相關研究及工程措施。

本文結合重慶市快速路三縱線紅石路隧道與既有軌道五號線車站緊鄰，同時淺埋下穿既有建筑物，工程周邊環境復雜，采用有限元軟件建模分析在鄰近構筑物條件下大跨隧道施工受力特性。

1 工程概況

重慶快速路三縱線紅石路隧道為雙向6車道小間距隧道，設計速度80 km/h，全長559.05 m，隧道開挖跨度15.88 m，洞高7.713 m。紅石路隧道與下側運營中軌道5號線車站呈上下平行布置，如圖1所示。軌道車站隧道位于紅石路新建隧道左右洞的中間下層，新建隧道距軌道車站凈距約10 m；新建隧道下穿上方既有建筑(8層磚房)，隧道拱頂距離建筑條形基礎為11.1 m，圍巖等級為Ⅳ級，拱頂以上圍巖為砂巖，下伏砂質泥巖，開挖采用單側壁導坑法機械開挖，全環型鋼拱架及時封閉成環。

單位：m

施工開挖采用懸臂掘進機小斷面分部開挖，超前支護為長4.5 mΦ50超前小導管，初期支護為長3.5 mΦ25系統錨桿+ 厚30 cm的C30早強噴射混凝土和HW250全環型鋼拱架，二次襯砌考慮100%承受圍巖荷載，采用0.75 m厚C35鋼筋混凝土。

2 數值模擬分析

2.1 建模

根據紅石路隧道與鄰近既有構筑物的相互關系及地質條件等因素建立三維有限元模型，模型尺寸為長160 m×寬100 m×高85 m，網格單元劃分按受力關鍵區域網格密、非關鍵區域網格漸稀疏的原則進行[11-13]。巖土自重模擬施加重力場，地表建筑物每層荷載等效為20 kN/m2，巖土采用實體單元，初支及二襯結構采用板殼單元模擬，模型邊界為底邊豎向約束，前后左右水平約束，頂部自由。有限元模型如圖2所示。

2.2 力學參數

采用Midas/GTS建立模型模擬紅石路隧道施工過程，分析隧道對既有構筑物的影響。模型中的巖土材料為理想彈塑性本構關系和Drucker-Prager屈服準則。巖土力學材料參數根據隧道規范及地勘報告取值，見表1。

圖2 有限元模型

表1 材料力學參數

2.3 施工模擬步驟

1) 既有構筑物初始地應力場模擬；

2) 隧道開挖及支護襯砌模擬[14]。

為保護既有構筑物的安全，隧道施工采用單側壁導坑法分部開挖，在模擬施工過程中，通過在不同施工階段設置荷載釋放系數進行荷載階段分配：開挖及初期支護荷載釋放系數80%，二襯結構荷載釋放系數20%。

2.4 計算結果分析

1) 變形

經計算，提取隧道施工過程巖土及構筑物結構變形云圖，如圖3～圖5所示。

從圖3和圖4可知，隧道左洞開挖后圍巖變形對鄰近建筑和軌道結構表現為單側不均勻傾斜沉降影響，當隧道右洞開挖后既有鄰近建筑和軌道結構從單側不均勻傾斜沉降變為均勻的整體沉降。位移發展有利于上方結構的穩定，說明紅石路隧道與既有構筑物均勻對稱布置關系對鄰近構(建)筑結構的變形控制較為有利。從圖5可知，建筑物位移變形較小，在規范允許范圍內，不影響既有建筑物的安全。

圖3 隧道左線開挖后圍巖結構變形云圖

圖4 隧道右線開挖后圍巖結構變形云圖

圖5 隧道施工后既有構筑物結構變形云圖

2) 應力結果

提取新建隧道施工前后隧道圍巖主應力云圖，如圖6～圖9所示。

通過對比以上隧道開挖前后隧道結構的主應力變化可知，隧道開挖前，既有建筑基礎至軌道結構區域隧道圍巖主應力等值線均勻平行分布，如圖6、圖7所示；隧道開挖后，地表既有建筑基礎至軌道結構區域的主應力等值線發生了明顯彎曲或突變，如圖8、圖9所示。圍巖主應力在隧道埋深較淺的拱頂上方，巖體應力變化量較大，說明隧道開挖對拱頂圍巖影響顯著，對下側既有軌道隧道圍巖壓力影響相對較小。開挖前后隧道結構應力對比見表2。

圖6 隧道開挖前圍巖σ1

圖7 隧道開挖前圍巖σ3

圖8 隧道開挖后圍巖σ1

圖9 隧道開挖后圍巖σ3

表2 隧道開挖前后既有構筑物結構應力

通過對比分析表2，隧道開挖前后既有構筑物結構的主應力變化如下：

(1) 隧道開挖后，上側地表既有建筑物結構的σ1最大值區出現在拱腳外側，其值由初始值0.22 MPa減小到0.15 MPa，σ3最大值區出現在拱腳內側，其值由初始值-12.9 MPa減小到-12.2 MPa；新建隧道在既有軌道上側，其施工對軌道結構而言有卸載作用，使得軌道車站受力有所減小。

(2) 隧道開挖后，下側既有軌道車站結構的σ1最大值區出現在拱腳外側，其值由初始值0.036 MPa增大到0.042 MPa，σ3最大值區出現在拱腳內側，其值由初始值-0.32 MPa增大到-0.58 MPa；新建隧道位于既有地表建筑下側，其施工引起建筑結構沉降，且建筑基礎的不均勻沉降增加了既有地表建筑物基礎的受力。

3) 應變分析

經計算，提取既有構筑物施工前后隧道圍巖結構主應變(剪切應變)云圖，如圖10、圖11所示。

對比分析圖10、圖11可知，隧道開挖前后隧道圍巖結構的主應變變化表明，隧道圍巖主應變區域與既有軌道車站拱頂周邊主應變區相連，對軌道車站下側圍巖區域應變分布基本無影響，但因隧道上方地表建筑荷載的作用，隧道拱頂以上圍巖主應變區域延伸至地表建筑物基底，圍巖主應變改變區反映了新建隧道施工對既有構筑物周邊巖體的擾動情況，應作為圍巖穩定控制的重點。

圖10 隧道開挖前隧道結構主應變

圖11 隧道開挖后隧道結構主應變

3 結束語

1) 本隧道在復雜的周邊條件下采用單側壁導坑法機械開挖，在加強初期支護條件下，可有效控制周邊圍巖變形，確保鄰近既有構(建)筑物安全。

2) 淺埋大跨新建隧道受上側既有地表構筑物荷載的作用，隧道拱頂以上圍巖應力應變變化敏感，應作為隧道施工控制的重點；新建隧道對下側軌道車站圍巖應力應變影響較小。

3) 隧道與地下車站同軸平行布置車站結構受力對稱，隧道相對于建筑對稱布置其后行洞開挖后能夠明顯減小先行洞造成的上方建筑物的傾斜，建議新建隧道施工時，左右洞錯位平行掘進，更有利于地表建筑物受力均衡。