隧道下穿施工對建筑物影響數值模擬研究

溫偉銃 譚消 陸飛 沈亮 周強

摘 要：有限元數值模擬某擬新建隧道下穿建筑物的施工過程，分析其應力和位移，驗證施工方法的可行性，對之進行優化。

關鍵詞：下穿施工;數值模擬;優化

0 引言

隧道的開挖，會引起圍巖應力重分布，即圍巖會發生變形甚至失穩。隧道下穿施工，也將導致上部建筑物產生豎直沉降和水平位移，為確保施工過程中隧道圍巖、支護結構及建筑物的穩定與安全，需對隧道的下穿施工進行研究。

國內外有關隧道下穿建筑物施工的主要有：李文江等通過研究隧道下穿既有構造物的影響，總結變形控制標準。Tang采用數值模擬方法研究隧道施工應力路徑，分析施工過程中圍巖的變化規律。靳曉光等采用有限元模擬施工過程的方法分析圍巖位移，選擇最合理的方法。

本文采用有限元數值模擬隧道下穿建筑物的施工過程，分析其應力和位移，驗證施工方法的可行性，對之進行優化。

1 計算模型力學參數

本文應用MIDAS/GTS有限元軟件，采用理想彈塑性本構巖體力學模型，服從Mohr—Coulomb屈服破壞準則，進行隧道下穿施工模擬計算。圍巖及支護結構物理力學參數，如表1所示。

數值模擬時，把上部建筑作為一個剛體，采用基礎+上部荷載的方式。上部荷載計算，主要考慮：（1）樓面結構和隔墻重量，按框架結構磚墻體材料取值計算;（2）活荷載按民用建筑均布活荷載標準取值;（3）所有荷載均由柱基礎承擔，均布總荷載按樁最大間距計算柱基礎軸力。

有限元數值模擬模型左水平邊界距離襯砌外邊墻60 m，右水平邊界距離襯砌外邊墻60 m，水平邊界采用位移約束;下部豎向邊界距離襯砌底部60 m，其采用豎向位移約束;頂部為建筑基礎+上部荷載，其他的采用自由約束。沿隧道掘進方向取80 m。

開挖方法：（1）右洞先行，右洞開挖掌子面領先左洞開挖掌子面;（2）右洞采用臺階法;（3）左洞采用環形開挖留核心土法。

2 計算結果分析

2.1 建筑物豎直沉降和水平位移分析

該段隧道施工完成后，建筑物最大豎向沉降出現在左洞隧道的正上方，為7.3 mm;最大水平位移出現在左洞左上方，為4.2 mm;各相鄰建筑物柱基礎間沉降差異最大為1.0 mm<0.002 L=10.0 mm（其中L為相鄰兩柱基礎間距離，為5.1 m）。該建筑物變形較穩定，且變形量較小，基本滿足穩定性要求。

2.2 圍巖豎直沉降和水平位移分析

右洞掌子面開挖至首排建筑物柱基礎下方時，圍巖最大豎向位移為2.3 mm，圍巖最大水平位移為1.1 mm;右洞掌子面開挖至末排建筑物柱基礎下方時，圍巖最大豎向位移為2.5 mm，圍巖最大水平位移為1.6 mm;右洞貫通后，圍巖最大豎向位移為7.4 mm，圍巖最大水平位移為2.4 mm。

左洞掌子面開挖至首排建筑物柱基礎下方時，圍巖最大豎向位移為5.3 mm，圍巖最大水平位移為1.7 mm;左洞掌子面開挖至末排建筑物柱基礎下方時，圍巖最大豎向位移為6.7 mm，圍巖最大水平位移為2.5 mm;左洞貫通后，圍巖最大豎向位移為9.2 mm，圍巖最大水平位移為2.9 mm。

2.3 圍巖應力分析

對開挖過程中，圍巖應力云圖進行分析，圍巖最大主應力出現在拱頂和仰拱處，且隨著開挖掌子面的推進，其數值變化較小。

2.4 二次襯砌支護結構應力分析

二次襯砌支護結構最大主應力位于右洞左邊墻墻腳處，二次襯砌支護結構最小主應力位于右洞左邊起拱點出。支護結構最大主應力及最小主應力云圖如圖1所示。

3 結論

根據數值模擬結果分析可得：

（1）數值模擬計算各階段位移收斂，說明該隧道掘進方法符合技術要求;

（2）隧道施工過程中，上方建筑物最大豎直沉降、最大水平位移、各相鄰建筑物柱基礎間沉降差異均較小，基本滿足穩定性要求，但影響隧道施工的因素較多，在數值模擬計算中考慮不周全，施工過程中應對建筑物進行實時變形監測;

（3）隧道圍巖的變形與隧道掘進工序及開挖位置密切相關，建議嚴格控制左洞開挖掌子面與右洞開挖掌子面間的距離;開挖至建筑物下方時，應縮短開挖進尺，并及時進行支護。

參考文獻：

[1]李文江，劉志春，朱永全.鐵路站場下暗挖隧道地表沉降控制基準研究[J].巖土力學，2005，26（7）：1165-1169.

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