隧道擴(kuò)建對地面建筑物的影響分析

朱育才，林 志，，石 波

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

隧道擴(kuò)建對地面建筑物的影響分析

朱育才1，林 志1，2，石 波2

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

采用有限元計算軟件MIDAS_GTS對隧道擴(kuò)建對地面建筑物沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析地面建筑物在離隧道軸線不同位置時，隧道擴(kuò)建對建筑物沉降的影響以及建筑物是否安全;判斷隧道開挖對地面建筑物的影響半徑。

隧道擴(kuò)建;房屋沉降;有限元;監(jiān)控量測

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、城市化進(jìn)程顯著加快，城市道路運(yùn)量大幅度增長，既有線的技術(shù)改造在建設(shè)中占有重要的位置。在既有線的改造過程中，既有隧道作為線路改造的控制工程也必須同時進(jìn)行改造。由于受地質(zhì)地形條件和施工條件的限制，大多情況下不會新建復(fù)線，需要在既有隧道的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)大既有隧道凈空斷面以增加行車車道，滿足交通客流量增加的行車需求。而在隧道擴(kuò)挖時地面建筑物的沉降也就成為隧道擴(kuò)挖的一個重要考慮因素。

1 工程概況

渝州隧道是重慶市機(jī)場路拓寬改造工程的一部分。隧道現(xiàn)狀為雙洞4車道，平面成喇叭型布置，進(jìn)口段兩隧道結(jié)構(gòu)間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m。隧道單洞凈寬10 m，凈高6.7 m，圓拱直墻式素混凝土襯砌。隧道左洞起止里程樁號:ZK0+350～ZK0+700.5，左洞全長350.5 m;隧道右洞起止里程樁號:ZK0+346.5 ～ZK0+618，右洞全長 271.5 m。單洞路幅分配為:0.5 m(檢修道)+8.5 m(車行道)+2 m(檢修道)。隧道(進(jìn)洞)南側(cè)接回興立交，(出洞)北側(cè)接城南立交。

本次機(jī)場路改造擬建設(shè)城市快速路，雙向8車道，設(shè)計車速80 km/h?，F(xiàn)利用現(xiàn)狀隧道進(jìn)行改擴(kuò)建，保持現(xiàn)狀隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變分別向兩側(cè)擴(kuò)挖，形成雙洞8車道隧道。改造后:隧道凈跨17.081 m，凈高 8.482 m(圖1)。隧道單洞總長643 m。

通過對場地的地面地質(zhì)調(diào)繪和綜合分析已有區(qū)域地質(zhì)成果，沿線出露的地層主要有第四系人工素填土、殘坡積層粉質(zhì)黏土，下伏基巖巖性以砂質(zhì)泥巖與砂巖為主。

圖1 擴(kuò)挖隧道內(nèi)輪廓Fig.1 Inside outline map of the expansioning tunnel

2 模型建立

2.1 模型及材料物理參數(shù)

根據(jù)已有隧道力學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合原隧道的實際情況，特建立模型取邊界條件為129 m(橫向)×42.5 m(豎向)×60 m(縱向)，同時，因為要考慮到隧道擴(kuò)挖對房屋建筑的影響，筆者將房屋簡化為8 m×9 m×18 m的彈性梁［1］，并根據(jù)建筑物的位置，每次水平平移十米建立一個模型，共6個模型，模型如圖2及圖3(a)～圖3(e)。

圖2 建筑物位于軸線Fig.2 The building in the axis

圖3 建筑物離軸線的距離Fig.3 The building from axis

在三維建模過程中，考慮到隧道的相應(yīng)特點，隧道圍巖材料特性按均勻彈塑性考慮，采用Drucker-Prager準(zhǔn)則。

地層參數(shù)在重點參考《初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘查報告》［2］的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合 JTG D 70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》［3］，并綜合室內(nèi)物理力學(xué)試驗資料按較低值選取，其力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 各材料特性參數(shù)Tab.1 Parameters of seepage property for materials

2.2 施工方法

隧道總共有630余m，本文中只模擬進(jìn)洞的60 m。模型計算中，隧道開挖采用的是保留中間土，向外擴(kuò)挖的單側(cè)擴(kuò)挖方式，開挖先右洞后左洞，單向保持通車單洞擴(kuò)挖的施工工序。隧道拓寬改建施工及開挖、支護(hù)作業(yè)成環(huán)進(jìn)行。本著嚴(yán)格控制地表沉陷的原則，采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、勤觀測的原則施工;在拆去既有隧道結(jié)構(gòu)時采用預(yù)裂爆破，鉆爆作業(yè)，應(yīng)多循環(huán)、弱爆破、密布眼、少藥量;其次因隧道中間巖柱厚度小，對其保護(hù)、加固極為重要，在施工中應(yīng)采用“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則［4］。

3 計算結(jié)果分析

3.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

模型采用有限元Midas-GTS軟件進(jìn)行分析，為了分析地表房屋的沉降，特意選定建筑物得4個角為分析點，并標(biāo)定為左1、左2、右1、右2(進(jìn)口往出口)并采用這4點的沉降數(shù)據(jù)作為建筑物沉降分析［5-7］(表2)。數(shù)據(jù)如圖4 ～圖7。

表2 建筑物標(biāo)記各點的沉降最大值Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

圖7 右2點隨著開挖步沉降Fig.7 The settement map of you er along with the excavation

綜合分析圖4～圖7，以及表2，可以得知:

1)建筑物離軸線的距離越大，建筑的沉降呈先增大，后減小的過程。離軸線20 m時，建筑物標(biāo)記點的沉降位移達(dá)到最大值，離軸線50 m時，隧道的擴(kuò)建幾乎沒有對建筑物得沉降沒有影響。分析其原因是，當(dāng)建筑物位于軸線上方時，因為隧道擴(kuò)建采用的是保持中間土不變，向外擴(kuò)挖的方式，隧道擴(kuò)挖對中間土的影響相對較小。而隨著建筑建筑物離軸線距離增大，建筑物就更多的位于隧道擴(kuò)挖的影響區(qū)內(nèi)，隧道擴(kuò)建就對建筑物的沉降影響就越大，如表2，當(dāng)離軸線10 m時，建筑物右半部分落于隧道上方，總而導(dǎo)致建筑物右1、右2點的沉降量大于左1、左2兩點;當(dāng)離隧道軸線20 m時，因都位于隧道上方，建筑物沉降達(dá)到最大;離隧道30 m時，呈現(xiàn)與離軸線10 m相反的情況，左邊點的沉降量大于右邊點;當(dāng)建筑物離軸線40 m，50 m時，建筑物已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離隧道影響區(qū)，建筑物的沉降變小，在離軸線50 m時，沉降幾乎沒有。因而根據(jù)這數(shù)據(jù)可以推斷，當(dāng)建筑物離隧道軸線50 m時，隧道擴(kuò)建對其影響已經(jīng)很小，可以將其劃為安全區(qū)。

2)建筑物左為砌體結(jié)構(gòu)，從上面圖表分析，可知，當(dāng)建筑物離軸線10 m，30 m時，建筑物的沉降差(傾斜)最大，沉降差分別達(dá)到 9.9 mm，10.3 mm。根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［3］，作為砌體結(jié)構(gòu)的的允許局部傾斜值為0.002×18 m=36 mm，因而滿足規(guī)范需求，建筑物安全。

3)當(dāng)建筑物位于隧道軸線右邊時，隧道右洞擴(kuò)挖對建筑物的沉降有很明顯的變化，而隧道左洞開挖時，建筑物沉降趨于穩(wěn)定。分析其原因，是因為隧道的擴(kuò)建采用的是中間土不變，向外擴(kuò)挖的方式，當(dāng)對到左洞開挖時，隧道經(jīng)過中間土，以及隧道右洞空間的損失，因而對隧道右方的建筑物沒有什么影響。

3.2 拱頂下沉數(shù)據(jù)分析

為了與實際情況進(jìn)行對比分析，拱頂沉降數(shù)據(jù)只取了離軸線40 m的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8～圖9。圖為在隧道開挖開始，左右洞拱頂?shù)某两滴灰茍D，由圖中所知，隨著開挖步的增加，隧道拱頂?shù)某两挡粩嘣龃?，?shù)值模擬結(jié)果顯示其最大值不超過0.25 cm，在沉降可允許范圍內(nèi)。由此可知，該隧道的開挖方法是可行的。

圖8 右隧道開挖拱頂沉降(單位:m)Fig.8 The map of settement of the vaults of the right tunnel

圖9 左隧道開挖拱頂沉降(單位:m)Fig.9 The map of settement of the vaults of the left tunnel

4 施工監(jiān)測

目前渝州隧道左洞正準(zhǔn)備進(jìn)行開挖施工。地表監(jiān)測的重點左洞進(jìn)口左側(cè)磚混結(jié)構(gòu)住宅樓、出口機(jī)場雷達(dá)站4個鐵塔［8］。但結(jié)合本文，只取天工鄰儒一棟作為主要檢測對象，并布置監(jiān)測點如圖10，從該圖上面可以得知，天工鄰儒居位于隧道左邊(從進(jìn)口看)大約20 m，因為地形原因，在房屋靠近隧道的水平方向，共布置了檢測點1～7;物管處水平隧道方向布置了監(jiān)測點8～10;垂直隧道方向布置了監(jiān)測點11～13，通過64天的監(jiān)測，得到檢測數(shù)據(jù)如圖11、圖12。

圖12 物管處檢測點沉降位移Fig.12 The map of test point of the settement of Wuguan

另外為了與原模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，取得拱頂數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行分析，如圖13。

圖13 隧道右洞拱頂沉降Fig.13 The map of settement of the vaults of the right tunnel

根據(jù)以上的工程實測數(shù)據(jù)可以得知，實測數(shù)據(jù)是隨著日期增加，建筑物的沉降都在增大，并最終趨于穩(wěn)定，沉降最大值達(dá)到4.7 mm，沉降差達(dá)到3.7 mm，根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［3］，滿足規(guī)范需求，建筑物安全。同時與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，建筑物離軸線40 m左右，可以參照模型5進(jìn)行對比，檢測數(shù)據(jù)是當(dāng)左洞開挖時，檢測左洞附件房屋而得到的數(shù)據(jù)，因而可以對比分析，檢測數(shù)據(jù)比較符合實際情況，沒有太大的偏差。

實測拱頂數(shù)據(jù)與原模型數(shù)據(jù)相比，原模型數(shù)據(jù)最大值是2.5 mm，但實測數(shù)據(jù)最大值6.5 mm，但是都在隧道沉降允許范圍內(nèi)，該開挖方案是可行的。其次實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)一樣，趨勢都是隨著時間增大，拱頂沉降比側(cè)邊沉降要大，兩者基本吻合。

5 結(jié)論及建議

通過上面的數(shù)據(jù)分析以及對比，可以得到:

1)建筑模型數(shù)據(jù)與工程實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分分析，隧道建筑物下沉變化規(guī)律明顯，符合隧道開挖的一般規(guī)律。

2)建筑物位于上方時，隧道擴(kuò)建對建筑物沉降都是滿足GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［3］的要求，在沉降允許范圍之內(nèi)，建筑物安全。模型拱頂沉降數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，都在沉降允許范圍內(nèi)，由此可以說明，隧道開挖，隧道基本穩(wěn)定，對地面建筑的影響在控制范圍內(nèi)，隧道開挖方案是可行的。

3)建筑物位于隧道開挖上方時最危險，沉降差達(dá)到10 mm，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)控。當(dāng)建筑物離軸線50 m時，隧道開挖對建筑物的影響幾乎沒有。

4)因中間土的保留，以及隧道空間對應(yīng)力的削弱，隧道左邊對開挖位于右邊建筑物幾乎沒有影響。

［1］JTG D 70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］周慶人，李長雄.初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘查報告［R］.重慶:重慶市勘測院，2009.

［3］GB 50007—2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］王毅才.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

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On Influence of Tunnel Expansion on the Ground Buildings

ZHU Yu-cai1，LIN Zhi1，2，SHI Bo2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civil Eengineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Settlement of the groud buildings from the tunnel dug expansion was simulated by MIDAS_GTS.Based on the data，settlement of the groud buildings in different places were analyzed.The effect of tunnel expansion on buildings and buidlings settlement was considered;the influence of tunnel excavation on ground buildings radius was calculated.

tunnel expansion;settlement of groud buildings;FEM;monitoring measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.012

U457

A

1674-0696(2011)05-0938-05

2011-04-25;

2011-06-07

朱育才(1987-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail:409460063@qq.com。