小凈距左右不同跨度隧道施工對(duì)上部建筑物變形影響分析

張學(xué)富,彭 濤

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)也在不斷加速，地上道路不能滿(mǎn)足現(xiàn)代交通需要，修建地下通道便成為了交通建設(shè)的必然手段。由于受地質(zhì)、地面建筑復(fù)雜環(huán)境以及隧道分開(kāi)建設(shè)帶來(lái)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(jiǎn)便、工程造價(jià)低等優(yōu)越性而越來(lái)越受到建設(shè)部門(mén)的青睞[1，2]。在城市軌道交通快速發(fā)展中，下穿建(構(gòu))筑物的特大跨徑隧道越來(lái)越多，有必要研究特大跨度、偏壓隧道施工對(duì)上部建筑物的影響[3]。

近年來(lái)，關(guān)于小間距隧道的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者已通過(guò)理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值分析等措施取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果[4]。唐明明等[5]對(duì)穿越公路的小凈距隧道施工方法進(jìn)行了研究，得出采用上下臺(tái)階法可保證施工期間省道正常運(yùn)行和洞室穩(wěn)定；趙東平[6]對(duì)小凈距平行隧道下穿施工對(duì)多層建筑的影響研究，得出了隧道施工對(duì)多層建筑物基礎(chǔ)的位移影響規(guī)律；杜菊紅等[7]對(duì)偏壓錯(cuò)臺(tái)小間距隧道施工的位移場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出了兩洞開(kāi)挖順序不同，最終位移場(chǎng)的分布規(guī)律相同，但數(shù)據(jù)上有一定的差異；張雪金等[8]對(duì)小凈距隧道下穿采空區(qū)地層施工室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)施工過(guò)程圍巖及采空區(qū)的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；FU Y.P等[9-10]采用數(shù)值計(jì)算方法研究隧道開(kāi)挖引起采空區(qū)位移影響，以及考慮地基影響時(shí)隧道施工與既有建筑物的關(guān)系；習(xí)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(shù)值分析方法研究了建筑物樁基變形特性、隧道圍巖塑性區(qū)分布以及襯砌力學(xué)響應(yīng)分析；畢可為等[12]分別采用先開(kāi)挖單線盾構(gòu)區(qū)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(duì)象，研究了高層建筑施工對(duì)既有隧道穩(wěn)定性影響；章慧健等[14]利用數(shù)值模擬方法討論了新建隧道施工從不同距離、不同部位對(duì)既有建筑物的影響程度；劉書(shū)斌等[15]利用有限元方法模擬采空區(qū)地層下修建小凈距隧道，分析采空區(qū)地層傾角對(duì)雙洞小凈距隧道初支的穩(wěn)定影響；王俊，戴志仁[16]研究了黃土地區(qū)大面積基坑開(kāi)挖和高層建筑施工對(duì)地鐵隧道的影響，得出高層建筑物荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換梁與樁基礎(chǔ)傳到地層深處。以重慶市兩江橋渝中連接隧道為研究對(duì)象，通過(guò)大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究了下穿多層建筑物且嚴(yán)重偏壓小凈距隧道施工對(duì)上部建筑物位移的影響規(guī)律，對(duì)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(chǎng)地行政區(qū)劃屬重慶市渝中區(qū)，主線隧道下穿重慶市第一人民醫(yī)院門(mén)診樓，其中位于隧道正上方的部分門(mén)診樓及相關(guān)建筑現(xiàn)已拆除，位于隧道左上側(cè)門(mén)診樓保留，明挖區(qū)段和暗挖區(qū)段的交界里程為ZK13+920.500/YK13+919.810，保留門(mén)診樓為8層框架結(jié)構(gòu)房屋，其基礎(chǔ)距離隧道邊緣范圍約為2.5～7.5 m，場(chǎng)地及周?chē)鸁o(wú)斷層通過(guò)，上部建筑與隧道平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 解放東路接口工程(EF匝道)平面

工程場(chǎng)區(qū)出露的地層由上而下依次為人工填土、砂質(zhì)泥巖及砂巖層，砂巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整度較好，有較好的自承能力。右洞開(kāi)挖跨度達(dá)22.1 m，開(kāi)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(kāi)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(zhì)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(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 襯砌設(shè)計(jì)斷面(單位：mm)

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算參數(shù)

本分析模型中圍巖由填土層和砂巖層構(gòu)成。根據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，渝中連接隧道圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，圍巖的支護(hù)體系主要包括噴混凝土、鋼支撐、系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿和加固區(qū)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(hù)體系的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。隧道上部的建筑物作為本次研究對(duì)象，其計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，上部建筑物為8層樓的框架結(jié)構(gòu)建筑，主體結(jié)構(gòu)包括框架柱、梁和樓板等，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式采用筏型基礎(chǔ)。

表1 圍巖及隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

表2 建筑物的計(jì)算參數(shù)

2.2 模型

本模型采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，整個(gè)模型采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析。選取具有代表性的計(jì)算區(qū)段，計(jì)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(jì)算模型沿隧道縱向總長(zhǎng)度為32 m，左右總寬度為170 m，其左右橫向邊界到隧道外側(cè)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(shí)體單元。左右隧道初支中均設(shè)置有鋼支撐，截面形式為不同型號(hào)的工字鋼。其中，錨桿、鋼支撐和臨時(shí)支撐采用beam188單元，通過(guò)定義不同的截面來(lái)區(qū)分各構(gòu)件。在隧道上方建設(shè)有1棟8層框架結(jié)構(gòu)的建筑物，從平面上看，建筑物位于左隧道左側(cè)，距離左隧道邊緣為5.2 m，為簡(jiǎn)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(chǔ)形式采用筏型基礎(chǔ)，其埋深為2.5 m，基礎(chǔ)橫縱方向超出主體結(jié)構(gòu)2 m，基礎(chǔ)底面與砂巖層相接，尺寸為26 m(長(zhǎng))×16 m(寬)×2.5 m(高)，建筑物基礎(chǔ)、柱和梁采用混凝土solid65實(shí)體單元。整個(gè)模型經(jīng)網(wǎng)格劃分后，單元有237 023個(gè)，節(jié)點(diǎn)有241 970個(gè)，其上部建筑物單元網(wǎng)格圖和總體單元網(wǎng)格圖分別見(jiàn)圖3(a)、圖3(b)所示。有限元計(jì)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(kāi)挖工況

小間距隧道施工通過(guò)開(kāi)挖方法和開(kāi)挖順序定義了3種工況。根據(jù)其施工順序不同分為左洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅰ)、左洞先行的超短臺(tái)階+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅱ)和右洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅲ)施工方法。在建立的彈塑性力學(xué)模型中，通過(guò)單元的生死來(lái)模擬開(kāi)挖過(guò)程，各工況開(kāi)挖進(jìn)尺為4 m。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的施工順序分別見(jiàn)圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)。其中，超短上下臺(tái)階法中，上下掌子面距離為4 m。

圖4 3種不同開(kāi)挖工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際施工狀況，對(duì)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(duì)不同的工況在建筑物中取出了15個(gè)分析點(diǎn)作為研究對(duì)象，分別為沿基礎(chǔ)長(zhǎng)度方向上等距離選取的A～G 7個(gè)分析點(diǎn)且各分析點(diǎn)間距為4 m，編號(hào)H～K的分析點(diǎn)為房屋頂面4個(gè)角點(diǎn)，在建筑物中柱上等距離取出了4個(gè)編號(hào)為L(zhǎng)～O分析點(diǎn)。建筑物結(jié)構(gòu)各分析點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

圖5 房屋結(jié)構(gòu)分析點(diǎn)布置

3.1 工況Ⅰ

3.1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移分析

為能說(shuō)明下部隧道施工對(duì)基礎(chǔ)的影響，得出基礎(chǔ)總位移沿長(zhǎng)度的變化曲線，見(jiàn)圖6。由圖6可知，在地下隧道開(kāi)挖后，基礎(chǔ)的總位移沿其長(zhǎng)度方向近似為直線，表明基礎(chǔ)近似地發(fā)生了剛性位移，只是做微小的平動(dòng)，即基礎(chǔ)的形狀幾乎不會(huì)發(fā)生變形。

圖6 基礎(chǔ)總位移沿其長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的位移分析

工況Ⅰ的總荷載步為83步，上部建筑主體結(jié)構(gòu)水平、豎向位移隨隧道施工過(guò)程的曲線見(jiàn)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(kāi)挖過(guò)程中，建筑物主要發(fā)生左右傾斜，靠近隧道的角點(diǎn)水平位移小于遠(yuǎn)離隧道的角點(diǎn)位移，房屋頂面四角點(diǎn)的水平位移變化規(guī)律相似，皆在開(kāi)始施工右洞時(shí)出現(xiàn)突增的現(xiàn)象，但在數(shù)據(jù)上存在細(xì)小的區(qū)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(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生沉降現(xiàn)象，其沉降量變化范圍為-11.459～-11.65 mm，建筑物頂面四角點(diǎn)豎向位移皆在開(kāi)挖右洞時(shí)呈現(xiàn)突增現(xiàn)象?？拷淼赖慕屈c(diǎn)豎向位移在開(kāi)挖右洞過(guò)程中逐漸減小，遠(yuǎn)離隧道的角點(diǎn)豎向位移逐漸增大，最終趨于穩(wěn)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(guò)程變化量不大，其水平方向擺動(dòng)幅度為-0.096～0.145 mm，但在開(kāi)挖右洞時(shí)出現(xiàn)突增的現(xiàn)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(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移分析

工況Ⅱ中總荷載步為66步，基礎(chǔ)總位移沿長(zhǎng)度方向的變化曲線見(jiàn)圖9。由圖9可知，在地下隧道開(kāi)挖支護(hù)后，基礎(chǔ)的總位移沿長(zhǎng)度方向出現(xiàn)先減小后增加再趨于平緩的現(xiàn)象，由于減少的幅度小，表明基礎(chǔ)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中形狀發(fā)生了細(xì)微變形。

圖9 基礎(chǔ)總位移沿其長(zhǎng)度方向的曲線

3.2.2 主體結(jié)構(gòu)的位移分析

圖10(a)可看出，在整個(gè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中，靠近隧道一側(cè)的角點(diǎn)主要發(fā)生負(fù)方向位移，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的角點(diǎn)主要發(fā)生正方向位移，皆在左洞施工完后開(kāi)挖右洞時(shí)位移發(fā)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(guò)程中發(fā)生沉降現(xiàn)象，建筑物沉降最大值為-11.661 mm，發(fā)生在靠近隧道一側(cè)。

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(guò)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(diǎn)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(diǎn)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(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后施工右洞時(shí)出現(xiàn)突變現(xiàn)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(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移分析

圖12為基礎(chǔ)總位移沿長(zhǎng)度方向的變化曲線。由圖12可知，在地下隧道開(kāi)挖支護(hù)后，基礎(chǔ)的總位移沿長(zhǎng)度方向近似呈直線變化，表明基礎(chǔ)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中近似地發(fā)生了剛性位移，即基礎(chǔ)的形狀幾乎不會(huì)發(fā)生變形，只是在隧道開(kāi)挖過(guò)程中有細(xì)微的平動(dòng)。

圖12 基礎(chǔ)總位移沿其長(zhǎng)度方向的曲線

3.3.2 主體結(jié)構(gòu)的位移分析

工況Ⅲ與工況Ⅰ荷載步相同，只是開(kāi)挖順序不同。在隧道施工過(guò)程中，建筑物屋頂?shù)乃轿灰坪拓Q向位移同荷載步變化曲線依次見(jiàn)圖13(a)、圖13(b)所示。由圖13可知，靠近隧道一側(cè)角點(diǎn)的水平位移和豎向位移在隧道的整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中變化幅度較小，在開(kāi)挖右洞時(shí)出現(xiàn)突變現(xiàn)象；但遠(yuǎn)離隧道一側(cè)角點(diǎn)的豎向位移在隧道的整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，變化幅度較小，未出現(xiàn)突變現(xiàn)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(guò)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(diǎn)的水平位移在隧道開(kāi)挖過(guò)程中主要發(fā)生負(fù)向位移，在左洞開(kāi)挖支護(hù)結(jié)束后出現(xiàn)位移由負(fù)值變?yōu)檎档默F(xiàn)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(diǎn)其沉降量沿高度方向近似呈線性增加，但增長(zhǎng)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(guò)上述結(jié)果分析，對(duì)比圖6、圖9、圖12可知，在左洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法(工況Ⅰ)、右洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法(工況Ⅲ)下的小凈距隧道施工對(duì)上部建筑物基礎(chǔ)的影響規(guī)律大致相同，只是在數(shù)值上存在細(xì)微的差異；在左洞先行的超短臺(tái)階+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法(工況Ⅱ)作用下基礎(chǔ)發(fā)生非剛性位移而產(chǎn)生細(xì)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(guò)程中，上部建筑物的沉降規(guī)律和偏移規(guī)律總體相似，僅在數(shù)值上存在細(xì)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(yīng)值分別為0.435 mm、11.661 mm，在工況Ⅲ中，對(duì)應(yīng)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(yīng)值分別為-19.44%、0.29%。在3種開(kāi)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(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，建筑物位于埋深較大的左隧道上面，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖受力發(fā)生變化，主要是由原來(lái)的上下豎向變形轉(zhuǎn)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(guò)程中，沿建筑物高度方向由下向上各點(diǎn)的沉降量呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，但增大幅度逐漸減?。还rⅠ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(yīng)的值分別為5.71%，9.27%，10.42%；工況Ⅲ中，相應(yīng)的值為5.73%，9.32%，10.46%。各點(diǎn)的水平位移值在隧道交接施工過(guò)程中出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，究其原因?yàn)橄乳_(kāi)挖隧道施工結(jié)束后，整個(gè)圍巖受力狀態(tài)基本趨于穩(wěn)定，但在后開(kāi)挖隧道時(shí)出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，結(jié)構(gòu)受力性質(zhì)發(fā)生了改變，但在工況Ⅰ、工況Ⅱ下的小凈距隧道施工過(guò)程中，由于沿高度方向上各點(diǎn)的水平位移有正有負(fù)，表現(xiàn)出對(duì)建筑物有微小的剪切發(fā)生。

5 結(jié)論

以重慶市兩江橋渝中連接隧道為研究對(duì)象，通過(guò)大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究了下穿多層建筑物且嚴(yán)重偏壓小凈距隧道施工對(duì)上部建筑物位移的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

(1)當(dāng)圍巖條件比較好、支護(hù)支撐合理、隧道地表存在不對(duì)稱(chēng)荷載時(shí)，右洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅲ)相對(duì)于左洞先行的CD+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅰ)、左洞先行的超短臺(tái)階+弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土(工況Ⅱ)較好，即采用先開(kāi)挖地表荷載較小的一側(cè)隧道更為有利。

(2)在3種工況中，小凈距隧道施工對(duì)上部建筑物的水平位移和豎向位移影響規(guī)律大致相同，僅在數(shù)值上存在細(xì)微的區(qū)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(yīng)值分別為-19.44%、0.29%。

(3)地表上側(cè)建筑物沿高度方向由下向上的位移在隧道施工過(guò)程中移逐漸增大，但增長(zhǎng)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(tái)階法和環(huán)形導(dǎo)坑法的整個(gè)施工過(guò)程中，對(duì)上部建筑物的最不利影響發(fā)生在左右隧道交接施工過(guò)程中。因此，實(shí)際施工過(guò)程中，在一側(cè)隧道施工完后，開(kāi)始施工另一側(cè)隧道時(shí)應(yīng)加大監(jiān)控力度。

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