新建建筑物地基靜力荷載對下伏隧道影響研究

谷 鴻 飛

(福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州 350108)

諸多學(xué)者[13-15]研究隧道近接施工對既有建筑物的影響且研究工作富有成效。但據(jù)筆者所知，建筑物施工對既有隧道影響的研究和工程實(shí)例則較為少見。本文以實(shí)際工程依托，分析新建建筑物產(chǎn)生的附加地基靜力荷載對既有下伏隧道的圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性的影響。

1 工程概況

1.1 工程場址概況

該工程占地面積為13 424.5 m2，總建筑面積為54 035 m2。該場地地貌為剝蝕殘山地貌，部分山體可見裸露基巖。地層條件依次為坡積粉質(zhì)黏土，厚0.4 m～3.5 m；花崗巖及其風(fēng)化殼，厚0.6 m～2.7 m。全風(fēng)化巖石結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理發(fā)育，中、細(xì)粒花崗巖風(fēng)化物的顆粒較細(xì)，孔隙較小，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。

1.2 既有下伏隧道概況

該隧道為分離式雙向六車道隧道，長1 570 m。隧道設(shè)計橫斷面為三心圓曲墻式斷面，隧道凈寬為15.05 m。隧道場地地貌屬丘陵地貌，地形呈現(xiàn)為起伏的波狀，隧道選址線路從東至西穿越丘陵區(qū)，自然斜坡穩(wěn)定，地質(zhì)條件總體較優(yōu)。在隧道施工過程中曾已下穿既有建筑物，未發(fā)生安全問題。

1.3 工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系

該工程場址綜合樓學(xué)生公寓樓大部分位于既有下伏隧道順出口方向右上方，大體沿隧道軸線方向延伸，具體位置關(guān)系見圖1。

圖1 工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系

根據(jù)相關(guān)設(shè)計資料以及圖1，將該工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系分為三種工況：

(1) 工況1：該工程場址地表新建27#綜合樓與既有下伏隧道車行橫洞和緊急停車帶段，該段隧道圍巖設(shè)計等級為Ⅱ級，隧道最小埋深約37 m，主洞襯砌形式為Z7型復(fù)合支護(hù)(如圖2所示)，車行橫洞襯砌形式為Z8型復(fù)合支護(hù)(如圖3所示)。

圖2 Z7型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

圖3 Z8型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

(2) 工況2：選取地表31#行政樓與既有下伏隧道主洞段，該段隧道圍巖設(shè)計等級為Ⅱ級，埋深約63 m，襯砌形式為Z2型復(fù)合支護(hù)(如圖4所示)。

圖4 Z2型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

(3) 工況3：選取新區(qū)27#綜合樓與既有下伏隧道主洞段，該段隧道圍巖設(shè)計等級為Ⅲ級，最小埋深約37 m，主洞襯砌形式為Z3型復(fù)合支護(hù)(如圖5所示)。

PISA2012的題型分為開放式構(gòu)答(open-constructed-response)、封閉式構(gòu)答(closed constructed-response)和選擇題/多項選擇題(selected-response/multiple-choice)[1]三種形式.其中開放式構(gòu)答指需要學(xué)生有一些擴(kuò)展性的回答的題目，比如學(xué)生需要寫下步驟或者解釋如何得到答案；封閉式構(gòu)答指提供結(jié)構(gòu)化設(shè)置的題目，學(xué)生容易判斷正確與否，比如要求生處理的數(shù)據(jù)是出題者設(shè)置的簡單數(shù)據(jù)；選擇題值提供了一個或多個選項供學(xué)生選擇的題目.據(jù)此對兩份測試卷進(jìn)行分類(見表5)：

圖5 Z3型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

2 數(shù)值模型建立

MIDAS/GTS內(nèi)含巖土及隧道專用程序，具有12種本構(gòu)關(guān)系模型和用戶自定義本構(gòu)關(guān)系功能，還為用戶提供了各種結(jié)構(gòu)單元來模擬結(jié)構(gòu)部分的作用。該軟件的動力分析模塊，具有簡潔的界面、前后處理功能強(qiáng)大，采用時程分析法，能滿足大部分巖土體的動態(tài)破壞模式，且計算結(jié)果相當(dāng)安全。

根據(jù)靜力分析原理和隧道相關(guān)設(shè)計資料，采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行靜力分析，基于MIDAS/GTS有限元數(shù)值軟件平臺模擬隧道開挖、支護(hù)及地表施加建筑荷載的過程。在MIDAS/GTS平臺上引入荷載釋放系數(shù)來模擬隧道開挖過程中洞周初始應(yīng)力在空間及時間上的作用效應(yīng)?？紤]到既有下伏隧道跨徑較大，在規(guī)范[16]規(guī)定的基礎(chǔ)上，對Ⅱ級圍巖主洞段，二次襯砌的開挖釋放荷載分擔(dān)比取為10%，緊急停車帶段取為15%；Ⅲ級圍巖主洞段，二次襯砌的開挖釋放荷載分擔(dān)比取為15%。

2.1 車行橫洞和緊急停車帶地段數(shù)值模型

工況1：基于MIDAS/GTS有限元軟件建立三維有限元模型，如圖6所示。模型共劃分6 305節(jié)點(diǎn)，36 159個單元，將隧道初期支護(hù)模擬為三角形板單元。在地表施加了面荷載以模擬地表建筑施工后的附加荷載，荷載強(qiáng)度為120 kPa，施加面積為2 571 m2。

2.2 Ⅱ級圍巖主洞段數(shù)值模型

工況2：基于二維平面應(yīng)變原理建立有限元數(shù)值模型，圍巖模擬為實(shí)體單元，初支與二襯采用二維梁單元模擬，建立如圖7所示的計算模型。地表施加均布荷載以模擬地表建筑施工后的地基附加靜力荷載，荷載強(qiáng)度為120 kPa。

圖6 工況1三維有限元模型等軸測視

圖7 工況2有限元模型

2.3 Ⅲ級圍巖主洞段數(shù)值模型

同樣地，亦建立工況3下的二維平面應(yīng)變有限元數(shù)值模型，以實(shí)體單元模擬圍巖，以二維梁單元模擬初支及二襯，其計算模型如圖8所示。同樣在地表施加強(qiáng)度為120 kPa的均布荷載以模擬地表建筑施工后的地基附加靜力荷載。

圖8 工況3有限元模型

2.4 模型參數(shù)選取

根據(jù)隧道相關(guān)設(shè)計資料及規(guī)范[16]推薦的圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)，選定計算參數(shù)如表1所示。

2.5 模型邊界條件設(shè)置

以上三種工況的模型中，將地表邊界條件均設(shè)置為自由邊界，而在其余各邊界面添加法向位移約束。

表1 計算材料力學(xué)參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

在MIDAS/GTS數(shù)值軟件平臺模擬隧道開挖、支護(hù)及地表施加建筑荷載的過程，并得到豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)以分析新建建筑物的地基附加靜力荷載對既有下伏隧道的影響。

3.1 車行橫洞和緊急停車帶地段

工況1下地表施加地基附加靜力荷載前后的豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)的數(shù)值分析結(jié)果如圖9—圖13所示。

圖9 加荷后圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖10 工況1地表加載前豎向位移云圖

由圖9—圖13結(jié)果分析可知，地表施加荷載后，圍巖應(yīng)力分布仍然處于彈性狀態(tài)分布，其最大主拉應(yīng)力值僅為0.68 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。左右洞拱頂下沉增加極小，因附加荷載主要位于右洞上方，因此右洞位移增量略大于左洞；二襯最大主拉應(yīng)力最小主壓應(yīng)力分別為0.14 MPa、0.91 MPa，二者均遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度。故新建建筑物地基附加靜力荷載對既有下伏隧道Ⅱ級圍巖車行橫洞和緊急停車帶段的影響甚微，不影響該段正常使用。

圖11 工況1地表加載后豎向位移云圖

圖12 工況1二襯最大主應(yīng)力云圖

圖13 工況1二襯最小主應(yīng)力云圖

3.2 Ⅱ級圍巖主洞段

工況2下地表施加地基附加靜力荷載前后的豎向位移幾乎不變，故不作分析。其二襯內(nèi)力數(shù)值分析結(jié)果如圖14—圖16所示。

圖14 工況2圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖15 工況2二襯軸力云圖

圖16 工況2二襯彎矩云圖

圍巖在地表加載后仍處于彈性狀態(tài)，最大拉應(yīng)力值僅為0.7 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)?；贛IDAS/GTS軟件的梁單元設(shè)計模塊驗算二襯軸力和彎矩，所有單元安全系數(shù)均大于2.4。故對于Ⅱ級圍巖主洞段，新建建筑物地基附加靜力荷載不影響隧道正常運(yùn)營。

3.3 Ⅲ級圍巖主洞段

同工況1，工況3下的豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)的數(shù)值分析結(jié)果如圖17—圖21所示。

圖17 工況3圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖18 工況3地表加載前豎向位移云圖

圖19 工況3地表加載后豎向位移云圖

圖20 工況3二襯軸力云圖

圖21 工況3二襯彎矩云圖

從圖17—圖21可知，地表加載后的圍巖應(yīng)力分布依然處于彈性分布狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力值僅為0.31 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；拱頂下沉由2 mm增加至3 mm；驗算二襯的軸力和彎矩，其安全系數(shù)均大于2.4。故新建建筑物地基附加靜力荷載不影響Ⅲ級圍巖主洞段隧道正常運(yùn)營。

4 結(jié) 論

本文采用MIDAS/GTS軟件模擬研究新建建筑物地基附加靜力荷載對既有下伏隧道的圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 在數(shù)值分析中假設(shè)隧道圍巖為連續(xù)的均質(zhì)體，且圍巖、初支和二襯緊密相連，但既有下伏隧道受新建建筑物影響段的圍巖條件較好，故此假設(shè)對計算結(jié)果影響不大。

(2) 新建建筑物對既有下伏隧道將產(chǎn)生附加靜力荷載。數(shù)值模擬結(jié)果表明：地表加載后，圍巖仍處于彈性狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力值很小，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，新建建筑物對既有下伏隧道影響甚微，可忽略不計。

(3) 本文三種工況下，新建建筑物的地基附加靜力荷載對Ⅲ級圍巖主洞段工況的影響較其他兩種工況大，故在類似工程研究中，建議將低等級隧道段圍巖視為最危險斷面，重點(diǎn)考慮低等級圍巖段的應(yīng)力、位移變化，以保證良好的結(jié)構(gòu)相存性和施工安全性。