連跨箱型隧道緊貼下穿地下建筑施工方案研究

白瑞雪， 錢德玲， 韓青青， 謝貽軍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009）

地鐵隧道施工必然對城市環(huán)境產(chǎn)生影響，即對既有臨近城市地下管線、既有地鐵線路、房屋基礎(chǔ)及道路交通等設(shè)施的正常使用產(chǎn)生影響，因此準(zhǔn)確預(yù)測施工引起的地層和地上、地下結(jié)構(gòu)的變形及其影響對設(shè)計(jì)和施工安全都是十分重要的［1－2］。目前，國內(nèi)外對隧道穿越地表建筑的研究較多，但對于新建隧道施工對地下建筑影響的研究較少，同時(shí)緊鄰下穿既有結(jié)構(gòu)的工程更是罕見［3－4］。本文采用三維有限元方法對暗挖四連跨箱型隧道緊貼下穿地下建筑的施工過程進(jìn)行了動態(tài)數(shù)值模擬，研究了各施工方法產(chǎn)生的影響。通過對不同施工方法數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果比較與分析，確定了該四連跨箱型隧道合理的施工方法。

1 工程概況

某市新建地鐵隧道，某施工區(qū)間長約70m，平頂暗挖施工，自東向西依次采用單箱四洞板墻、2個平行分離式單箱單室板墻框架結(jié)構(gòu)形式。該隧道初期襯砌厚250mm，采用＃18工字型鋼支撐、200mm×200mm鋼筋網(wǎng)及噴射C25混凝土。二期襯砌采用C45混凝土且分段澆注，頂板、底板及側(cè)壁厚800mm，中隔墻厚400mm。新建地鐵隧道尺寸如圖1和圖2所示。隧道處于Ⅳ級圍巖，該地區(qū)地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)沖洪積層組成，基巖以燕山晚期侵入花崗巖為主。隧道與其所處地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 新建隧道、上部既有建筑和地質(zhì)斷面

圖2 新建隧道與地鐵車站平面

該隧道下穿既有地鐵車站、附屬建筑和地下商場。隧道B－B斷面開挖頂部與地鐵車站底板緊貼，洞室開挖、結(jié)構(gòu)建造困難，施工風(fēng)險(xiǎn)高。已建地鐵車站為雙層三洞箱型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱直徑600mm且采用鋼管混凝土材料，底板厚400mm；車站右側(cè)2層附屬建筑由鋼筋混凝土墻承重，頂板錯層。地下商場屬于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，分2層，底板錯層。上部既有建筑與新建隧道位置關(guān)系如圖1和圖2所示。

2 地鐵隧道施工動態(tài)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文采用MIDAS／GTS有限元對2種施工方案三維建模，建模范圍考慮到尺寸效應(yīng)引起的計(jì)算誤差，計(jì)算邊界取左右邊界距新建隧道外邊緣為0.5倍隧道長度，下邊界距新建隧道底部為1倍隧道最大高度，前后邊界距既有建筑外邊緣為1倍建筑寬度，上邊界到地表。最終確定2個模型均為總高30m、長220m、寬80m，各共約8.5×104個單元和9×104個節(jié)點(diǎn)。模型頂面為自由面，底面固定約束，左右和前后邊界為豎向自由。

模型中，隧道襯砌及既有建筑的樓板和外墻采用殼單元，梁、柱使用梁單元，巖土及其余結(jié)構(gòu)運(yùn)用實(shí)體單元。土層材料采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，鋼混凝土結(jié)構(gòu)和巖層采用彈性模型類型。假定新的沉降完全由地鐵隧道施工中巖土擾動引起，地表及各土層和巖層均勻成層水平分布?？紤]到實(shí)際工程爆破開挖沖擊荷載對巖體的影響，把位于隧道底部5m之下平面以上的微風(fēng)化巖視為中風(fēng)化巖，以達(dá)到等效代換的效果。同時(shí)考慮地層表面壓力荷載，取值20kN／m2，但不考慮地下水的影響。

2.2 隧道開挖施工動態(tài)數(shù)值模擬

有限元模型利用單元激活與鈍化實(shí)現(xiàn)開挖和支護(hù)，分別模擬2種施工方案，具體如下：

方案1 巖體3＃導(dǎo)洞開挖施工。先從右到左上下臺階分步開挖1＃導(dǎo)洞，開挖一段僅做初期襯砌，完成1＃導(dǎo)洞開挖并做好相應(yīng)初襯，再從左到右修建二期襯砌。按照1＃導(dǎo)洞開挖施工過程，依次先后開挖施工2＃導(dǎo)洞和3＃導(dǎo)洞。3個導(dǎo)洞布置如圖3a所示。

方案2 巖體5＃導(dǎo)洞開挖施工。待從右到左上下臺階分部同時(shí)開挖和施工完畢1＃、3＃、5＃導(dǎo)洞，再一起開挖施工2＃和4＃導(dǎo)洞。邊開挖導(dǎo)洞邊做相應(yīng)初襯，導(dǎo)洞開通并做完初期襯砌，再從左到右施作相應(yīng)2期襯砌。5個導(dǎo)洞布置如圖3b所示。

在針對2個開挖施工方案進(jìn)行模擬的有限元模型中，方案1總共使用32個施工步，方案2共有27個施工步，兩者相差5個施工步。從施工工期的角度看，采用模擬施工步較少的方案2，有利于加快工期。多導(dǎo)洞同時(shí)開挖和施工的方案2比各個導(dǎo)洞逐一先后開挖和施工的方案1工作面大，有利于加快施工進(jìn)度，節(jié)約成本。

圖3 導(dǎo)洞開挖平面圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 對地下商場與車站附屬建筑的影響

在隧道施工結(jié)束后，方案1中，地下商場、車站附屬建筑最大沉降值分別為2.7mm和4.6mm。而方案2中，地下商場、車站附屬建筑最大沉降值分別為1.2mm和3.3mm。結(jié)果表明，車站附屬建筑產(chǎn)生沉降比地下商場大，主要是由于車站附屬建筑下部隧道開挖寬度比地下商場大；方案1對兩者的影響與方案2相比，差異不大。只有車站附屬建筑和地下商場各層靠近已建地鐵車站半邊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小沉降與變形［5］。

3.2 對地鐵車站位移和內(nèi)力的影響

圖2中線1－1在兩平行分離單洞隧道與高四洞箱型隧道交接處、線2－2位于四洞箱型隧道頂板錯層的位置。選取底板、底梁與柱相交的11個點(diǎn)位在巖土未開挖、開挖至柱底、開挖完所有導(dǎo)洞（此后即可拆除臨時(shí)支撐）、拆掉線1－1與線2－2之間臨時(shí)支撐和拆掉所有臨時(shí)支撐5個時(shí)刻的豎向位移為研究對象，方案1和方案2這11個點(diǎn)位在上述時(shí)刻的豎向位移如圖4所示。這11個點(diǎn)位累計(jì)沉降量在施工結(jié)束時(shí)與拆掉所有臨時(shí)支撐時(shí)相差很小，可忽略不計(jì)，所以將這2個時(shí)刻的累計(jì)沉降量視為相等。

由圖4可知，方案1中，3號和8號2個點(diǎn)位沉降總量較大，分別為11.76mm和10.24mm；點(diǎn)位在拆除臨時(shí)支撐階段產(chǎn)生的沉降量最多，特別是在3號和8號點(diǎn)位分別占沉降總量的85%和91.7%。方案2中，3號和7號點(diǎn)位沉降總量較大，分別為9.39mm和3.84mm；點(diǎn)位同樣在拆除臨時(shí)支撐階段產(chǎn)生的沉降量最多，特別是在3號和2號點(diǎn)位分別占沉降總量的83.6%和85.7%。從計(jì)算結(jié)果可知，已建地鐵車站底層3號點(diǎn)位附近的樓板沉降總量最大，方案1中數(shù)值為14.17mm，方案2中數(shù)值為10.1mm。

圖4 不同方案的底層交點(diǎn)豎向位移

在2種施工方案下地鐵車站各層梁板柱交點(diǎn)最終沉降如圖5所示。

從圖5可以看出，2種方案下都使各層1、2、3、4、5點(diǎn)位和6、7、8、9、10、11點(diǎn)位移曲線呈上凹下凸形狀。但在車站各層任一點(diǎn)位上，方案2使其產(chǎn)生的最終沉降比方案1要小。以方案2使其產(chǎn)生的最終沉降為基準(zhǔn)，方案1比方案2大23.1%～873.5%，其中最大的位置在各層的9號和10號點(diǎn)位。2個方案對車站沉降大小有影響，也改變了每層左側(cè)（見圖2）沉降最大位置對應(yīng)的點(diǎn)號（即方案1中沉降最大點(diǎn)位為8號，而方案2點(diǎn)位為7號）。由有限元分析結(jié)果可知，方案1對地鐵車站各層板產(chǎn)生影響的面積比方案2大，特別是在底板方案1比方案2大近1倍。

已建地鐵車站在2種方案施工過程中，各處位移逐漸積累增大。車站變形分布在梁、柱和每層兩排梁之間區(qū)域的樓板，各層樓板最終變形呈碗型［5－6］。車站在拆除臨時(shí)支撐階段所受影響反而比土體開挖大得多，底板3號點(diǎn)位附近沉降總量最大。同時(shí)加強(qiáng)車站在拆除臨時(shí)支撐時(shí)的加固?？傊桨?對地鐵車站產(chǎn)生的影響比方案2大，而且范圍更廣。

圖5 2方案各層交點(diǎn)最終沉降對比

選取地鐵車站中間層1～5號柱子及其周圍縱向梁進(jìn)行分析，梁彎矩、2號與3號柱子間縱梁彎矩變化如圖6a、圖7a所示。由圖6a、圖7a可知，隧道開挖過程中，2個方案中位置相同的梁y方向彎矩?cái)?shù)值相差不大，說明不同開挖施工方案對梁的彎矩影響不明顯，對建筑底部結(jié)構(gòu)影響大，而對相對位置較高的部位，受結(jié)構(gòu)自身調(diào)節(jié)和約束作用，這種影響逐漸弱化。由圖7a可知，2種方案中未拆除臨時(shí)支撐時(shí)，梁始終處于受壓狀態(tài)；在逐步拆除臨時(shí)支撐后，梁由受壓變成受拉狀態(tài)。表明拆除臨時(shí)支撐導(dǎo)致車站承重結(jié)構(gòu)受力發(fā)生了突變，這與車站在此時(shí)沉降量急劇增加相呼應(yīng)，它是施工中最危險(xiǎn)的過程，應(yīng)加強(qiáng)該時(shí)期的防護(hù)工作。

選取地鐵車站1～5號柱子進(jìn)行分析，柱子彎矩和2號柱子彎矩的變化如圖6b、圖7b所示。由圖6b、圖7b可知，在隧道開挖施工過程中，拆除臨時(shí)支撐時(shí)柱子y方向彎矩增大顯著。與梁受力規(guī)律類似，不同開挖施工方案對柱的彎矩大小及分布形態(tài)影響較小。

圖6 梁、柱的彎矩

圖7 梁、柱的彎矩變化

3.3 對地表的影響

選取圖2中地鐵車站任意一層梁板柱交點(diǎn)投影到地表上11個點(diǎn)位的最終沉降為研究對象，這些點(diǎn)相應(yīng)依次標(biāo)記為1′～11′，它們的最終沉降如圖8所示。從圖8可知，在地表任一點(diǎn)位，方案2使其產(chǎn)生的最終沉降比方案1要??；2個方案最大沉降均出現(xiàn)在地表3′點(diǎn)位，以方案2中3′點(diǎn)最終沉降值為基準(zhǔn)，方案1比方案2大41.8% 。2種施工方案使地表沉降范圍集中在既有地鐵車站與附屬建筑投影到地表的區(qū)域內(nèi)，也使地表沉降范圍的形狀相似，但是方案1使地表產(chǎn)生沉降的范圍比方案2大近1倍。

圖8 地表點(diǎn)位最終沉降

3.4 對新建隧道的影響

新建隧道初期襯砌位移以豎向位移為主，主要是高四洞隧道初期襯砌頂板的沉降，側(cè)向位移都比較微小。方案1初襯最大沉降比方案2大40.6%（其中方案2與方案1的最大沉降值分別為10.1mm和14.2mm）。同時(shí)，2個方案中新建隧道初期襯砌最小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力。方案2初期襯砌除了在四洞隧道的兩側(cè)豎向邊墻和頂板外邊緣、兩平行分離單洞隧道與高四洞箱型隧道的交界處壓應(yīng)力最大，達(dá)到7.58MPa，其他部位不超過2.16MPa，所有壓應(yīng)力均未超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［8］13.5MPa。方案1初期支護(hù)最小主應(yīng)力顯示，高四洞隧道頂板承受較大的壓應(yīng)力，最大達(dá)到31.44MPa，出現(xiàn)在頂板的外邊緣，該壓應(yīng)力對于頂板是一個很大的挑戰(zhàn)。

隧道初期襯砌豎向位移及最小主應(yīng)力分布表明，在邊拆除混凝土臨時(shí)支撐邊施作二期襯砌過程中，高四洞隧道初期襯砌的頂板承受較大形變和壓力，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)，同時(shí)架設(shè)臨時(shí)鋼支撐來確保施工安全［9］。

4 結(jié)束語

通過對地鐵隧道下穿既有地下建筑施工方案的對比，顯示采用5＃導(dǎo)洞開挖施工，減小了地表的累計(jì)沉降和地下建筑物的變形及受力，避免了隧道開挖施工導(dǎo)致已建緊貼地鐵車站的變形破壞。該方案施工技術(shù)難度低，施工進(jìn)度快，效果非常明顯，宜優(yōu)先選用。

在隧道施工過程中，應(yīng)穿越地鐵車站施工風(fēng)險(xiǎn)最大。既有地下建筑中地鐵車站所受影響最大，其余建筑所受影響極小。車站以豎向位移為主，3號點(diǎn)位（圖2中）柱子沉降總量最大。施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)地鐵車站的加固。

在隧道施工的各個階段，拆除混凝土臨時(shí)支撐產(chǎn)生的影響最為嚴(yán)重。該階段地鐵車站（特別是車站底層結(jié)構(gòu)）的變形急劇增大，變形增加量占所有階段累計(jì)變形量的絕大部分。新建高四洞隧道初期襯砌的頂板沉降和承受的壓應(yīng)力很大。要注意隧道襯砌的支護(hù)，應(yīng)加強(qiáng)在拆除臨時(shí)支撐階段的支護(hù)，并嚴(yán)格控制臨時(shí)支撐拆除量，及時(shí)修建二期襯砌。

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