淺埋暗挖法隧道穿越鄰近建構(gòu)筑物時施工步序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的影響分析

摘要：城市軌道交通建設(shè)中隧道掘進(jìn)穿越會對周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生一定的交互影響，正確客觀地分析評估這種影響不僅有利于設(shè)計師改進(jìn)地鐵隧道掘進(jìn)的設(shè)計方案和施工方式，同時也能為地鐵隧道建設(shè)過程中對周邊建構(gòu)筑物采取何種保護(hù)措施提供參考依據(jù)。本文結(jié)合重慶軌道交通一號線石橋鋪～高廟村區(qū)間淺埋暗挖隧道工程，針對區(qū)間隧道計劃穿越臨近建筑物時面臨的實際工程問題開展研究。在利用ANSYS軟件建立了隧道掘進(jìn)三維有限元分析模型，客觀模擬隧道工程現(xiàn)場施工條件和施工過程的基礎(chǔ)上，研究分析了隧道掘進(jìn)的施工步序?qū)Υ┰絽^(qū)建構(gòu)筑物的交互影響，得出先修建待穿越建筑物，后施工區(qū)間隧道對區(qū)間隧道影響較小的結(jié)論。研究結(jié)果對隧道與周邊建筑物的設(shè)計和安全施工有指導(dǎo)意義，也為后續(xù)安排施工步序提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖法；隧道掘進(jìn)；ANSYS；施工步序；影響分析

1引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化速度的不斷加快，越來越多的城市開始進(jìn)行城市軌道交通的建設(shè)，合理的規(guī)劃、設(shè)計和施工是地鐵建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題。受既有和規(guī)劃建構(gòu)筑物、復(fù)雜地質(zhì)條件的限制，新建地鐵隧道近距離穿越建構(gòu)筑物的施工環(huán)境成為設(shè)計人員重點研究的課題，如南京地鐵南北線一期鼓樓站～玄武門站區(qū)間隧道下穿高層建筑、廈門軌道交通一號線中山西路站～中山路站區(qū)間礦山法施工下穿中華城樁群等。目前國內(nèi)外學(xué)界對淺埋暗挖法隧道施工已有不少研究，但對淺埋暗挖隧道穿越既有線工程的研究大多為對個別工程的總結(jié)與回顧，系統(tǒng)的研究僅見于日本在1997年公布的《既有鐵路隧道近接施工指南》，該國學(xué)者也發(fā)表了一些鄰近地下工程施工案例研究的論著[1]。淺埋暗挖法隧道施工引起地表沉降及對周邊環(huán)境影響的研究較多，但大多數(shù)都基于隨機(jī)介質(zhì)理論和半經(jīng)驗半解析理論研究，施工上更難于控制[2]。

1.1淺埋暗挖法隧道鄰近建筑物施工掘進(jìn)時動態(tài)預(yù)測

鄰近或下穿建筑物受淺埋暗挖法施工影響程度的大小取決于建筑物的設(shè)計條件、結(jié)構(gòu)條件、剛度、地層特性等[5]。淺埋暗挖法掘進(jìn)施工對環(huán)境的影響預(yù)測方法主要有：（1）對淺埋暗挖法掘進(jìn)引起的周邊地層變形進(jìn)行分析，并將結(jié)果作為建筑物結(jié)構(gòu)受力分析的輸入條件，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；（2）建立地層和建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的協(xié)同模型，對建構(gòu)筑物因掘進(jìn)引起的地層變形和建構(gòu)筑物變形的動態(tài)變形同時進(jìn)行分析。方法（1）是在繼承了地層變形分析基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)分析方法，它的模擬精度很大程度受地層變形模擬準(zhǔn)確度的影響，而且它的局限還在于不能模擬巖土體和建筑物結(jié)構(gòu)之間動態(tài)協(xié)同變形；方法（2）克服了方法（1）的這一缺陷，相比較而言具有很大的進(jìn)步，不過方法（2）的模擬精度在很大程度上也取決于巖土體和建筑結(jié)構(gòu)體系的輸入?yún)?shù)是否能反映客觀實體情況。

本文在優(yōu)選巖土體參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了較客觀的地層和建筑物結(jié)構(gòu)協(xié)同模型，對不同施工步序下的淺埋暗挖隧道穿越建構(gòu)筑物進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，研究了施工步序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)變形的影響。

本文結(jié)合重慶地鐵一號線礦山法施工隧道，利用三維有限元數(shù)值計算軟件ANSYS對石橋鋪～高廟村區(qū)間隧道穿越機(jī)三院科研大樓樁基的施工力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果，分析總結(jié)礦山法隧道與建筑物施工順序?qū)烧呤芰ψ冃蔚挠绊?，為后續(xù)安排施工步序提供參考和建議。

1.2淺埋暗挖法施工原理

淺埋暗挖法是在距離地表較近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的一種方法，它在沿用了新奧法基本原理的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了信息化量測設(shè)計和施工的新理念；采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，初期支護(hù)按全部承擔(dān)基本荷載設(shè)計，二次模筑襯砌作為安全儲備；初期支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載[3]。

淺埋暗挖法廣泛應(yīng)用于第四紀(jì)軟弱地層的地下工程，此類工程環(huán)境的圍巖自承能力一般較差。為控制地表沉降，初期支護(hù)剛度要大、要及時，以盡量增大支護(hù)的承載，減小圍巖的自承載。經(jīng)過大量工程試驗探索，王夢恕院士創(chuàng)造性地提出了淺埋暗挖法施工應(yīng)遵循的十八字方針，“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、早封閉、勤測量”，突出時空效應(yīng)對防塌的重要作用。初次支護(hù)必須從上向下施工，初次支護(hù)基本穩(wěn)定后才能做二次襯砌，且必須從下到上施工[1]。根據(jù)地層情況、地面建筑物特點及機(jī)械設(shè)備情況，選擇對地層擾動小、經(jīng)濟(jì)、快速的開挖方法。若斷面大或地層較差，可采取經(jīng)濟(jì)合理的輔助工法和相應(yīng)的分部正臺階開挖法；若斷面小或地層較好，可用全斷面開挖法[4]。

2工程實例分析

2.1工程概況

重慶軌道交通一號線石橋鋪～高廟村區(qū)間隧道，采用雙線雙洞隧道形式從擬建的機(jī)三院科研大樓下方穿過。機(jī)三院科研大樓主樓有26層110.2m高，附樓有6層19m高，區(qū)間隧道左線從機(jī)三院大樓主樓的正下方通過。機(jī)三院主樓采用獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)這三種基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)底部與左線隧道洞頂最小間距為7.98m。機(jī)三院科研大樓基礎(chǔ)與區(qū)間隧道的空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)三院大樓基礎(chǔ)與石高區(qū)間隧道空間位置關(guān)系透視圖

2.2地質(zhì)條件及相關(guān)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘測報告，本區(qū)段圍巖為中等風(fēng)化厚層狀砂巖，巖體裂隙較發(fā)育，呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整。砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值36.3MPa，為較硬巖。砂巖的透水性為不透水性，有少量的孔隙水和基巖裂隙水，呈滴狀。圍巖彈性縱波速度υp=2.3～3.0Km/s。圍巖級別為Ⅲ級。有限元計算采用的相關(guān)計算參數(shù)可參考表1中的內(nèi)容。

3數(shù)值分析

3.1三維有限元建模

本區(qū)段分析采用地層—結(jié)構(gòu)計算模型，用ANSYS程序進(jìn)行計算分析。模擬計算中，初期支護(hù)承擔(dān)70%的釋放荷載，二次襯砌承擔(dān)30%的釋放荷載。最后根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003-2005），按照極限狀態(tài)法計算二次襯砌在基本組合承載力狀態(tài)和人防組合承載力狀態(tài)下的安全系數(shù)，并對正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度進(jìn)行驗算。

三維模型的計算荷載有圍巖壓力、結(jié)構(gòu)自重和機(jī)三院大樓作用在基礎(chǔ)上的荷載，機(jī)三院大樓作用在基礎(chǔ)上的荷載可參考相關(guān)規(guī)范取值。計算模型的長×寬×高分別為324×237×80m，設(shè)置好荷載的有限元模型如圖2所示。

3.2計算工況

目前石高區(qū)間隧道和機(jī)三院科研大樓都未修建，因此計算時采用兩種計算工況模擬區(qū)間隧道和科研大樓不同的修建順序。工況1模擬科研大樓修建完畢后再修建石高區(qū)間隧道；工況2模擬石高區(qū)間隧道先修建，然后在其上方修建科研大樓。

3.3計算結(jié)果分析

模型計算時，淺埋暗挖法隧道掘進(jìn)施工考慮使用ANSYS中的生死單元來實現(xiàn)，襯砌采用彈性襯砌模型模擬。根據(jù)兩種計算工況條件，計算不同的施工順序引起區(qū)間隧道不同的沉降變化和受力情況。

3.3.1位移計算結(jié)果分析

（一）工況1計算結(jié)果（大樓修建完畢后再修建石高區(qū)間隧道）

（二）工況2計算結(jié)果（隧道修建完畢后再修建大樓）

圖5工況2隧道位移云圖

不同的施工順序會引起石-高區(qū)間隧道不同的位移沉降，這里取區(qū)間隧道拱頂位移作為研究，分析不同的施工順序?qū)λ淼揽v向位移的影響。不同工況隧道拱頂位移的計算結(jié)果見圖6。

從區(qū)間隧道拱頂位移沉降曲線中可以看出，工況1所引起區(qū)間隧道拱頂?shù)奈灰戚^小，工況2引起的拱頂位移較大。這是因為工況1中，區(qū)間隧道的開挖只引起周圍局部的巖體松動產(chǎn)生變形；而工況2在區(qū)間隧道修建完后修建科研大樓，科研大樓的荷載會直接作用在區(qū)間隧道上，使局部產(chǎn)生較大變形。工況2由于科研大樓修建所引起的沉降范圍大約為100m。

3.3.2隧道襯砌內(nèi)力結(jié)果分析

（一）工況1內(nèi)力計算：

（二）工況2內(nèi)力計算：

從區(qū)間隧道襯砌內(nèi)力計算結(jié)果中可以看出，按工況1施工順序施工，隧道襯砌內(nèi)力較小，可以按照標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間段設(shè)計參數(shù)（襯砌厚350mm，配筋φ20@200）設(shè)計，不進(jìn)行加固處理；按工況2施工順序施工，隧道襯砌變形、內(nèi)力均較大，需要對科研大樓下100m范圍內(nèi)的隧道進(jìn)行加固，建議加固后的隧道襯砌厚450mm，配筋φ25@150。

4結(jié)論

通過ANSYS三維有限元軟件模擬分析機(jī)三院科研大樓與石-高區(qū)間隧道修建的先后順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的影響分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）先修建機(jī)三院科研大樓，再修建石高區(qū)間隧道，即按工況1順序施工，機(jī)三院科研大樓對其下方區(qū)間隧道施工時的結(jié)構(gòu)變形影響較小，區(qū)間隧道可按照隧道標(biāo)準(zhǔn)襯砌類型參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，隧道掘進(jìn)施工時區(qū)間土體不需要加固；先修建石高區(qū)間隧道，再修建機(jī)三院科研大樓，即按工況2順序施工，機(jī)三院大樓施工會對下方區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生較大影響，機(jī)三院科研大樓施工時需要對大樓附近100m范圍內(nèi)的區(qū)間隧道土體進(jìn)行加固。

（2）盡管三維有限元軟件分析表明工況1施工順序優(yōu)于工況2施工順序，但由于此次模擬沒有考慮隧道開挖時的爆破振動對上方高層建筑物的影響，因此工況1的計算條件與實際施工時的現(xiàn)場環(huán)境有一定出入；工況2在隧道施工完畢后再修建科研大樓，不會有大的爆破振動，因此工況2的計算條件與實際施工較符合，其計算結(jié)果與實際情況較接近。建議下一步開展礦山法爆破震動環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變形研究和工程分析。

（3）在實際施工中建議建設(shè)方綜合考慮施工風(fēng)險、施工工期以及工程經(jīng)濟(jì)等多方面因素的基礎(chǔ)上選取安全、經(jīng)濟(jì)、合理的施工順序和方案。

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[5]劉招偉，王夢恕.淺埋暗挖法修建地下工程中幾個問題的探討.第五屆全國青年巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)會議論文集，1999

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作者簡介：

梁萬金，男，1981年生，博士，工程師，2011年畢業(yè)于河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，主要從事隧道和地下空間的設(shè)計和研究工作。