渝中城項目超深基坑開挖及超高建筑群加載對既有隧道影響分析

李楊秋，李 濤，李安興

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400042)

0 引言

重慶地處山城，因用地空間有限，不得不在既有隧道上方開挖基坑、修建建筑，這一問題已變得日益突出，若不經(jīng)分析評估就實施項目很容易引發(fā)隧道安全事故，或造成洞室地基失穩(wěn)，對建筑物和隧道造成破壞。國內(nèi)學(xué)者張永興等［1］對巖質(zhì)洞室地基穩(wěn)定性做了廣泛研究，得出了很多有益于工程實際的結(jié)論;李楊秋等［2］采用三維彈塑性有限元方法對超高層塔樓與臨近既有隧道在不同水平距離情況下的相互影響程度進行了對比分析;趙俊等［3］對復(fù)合地層中基坑開挖對下臥隧道變形影響進行了研究，重點分析基坑開挖寬度與隧道直徑比(L/D)和復(fù)合地層模量比(E2/E1)變化對土體及隧道變形的影響;張宗興［4］以重慶農(nóng)村商業(yè)銀行大廈基坑及毗鄰的江北城隧道為研究背景，釆用有限元軟件對基坑巖體不同物理參數(shù)進行了二維彈塑性數(shù)值模擬計算，分析了基坑巖體物理參數(shù)抗剪強度、彈性模量及基坑－隧道相對位置關(guān)系對隧道襯砌各特征點的位移、內(nèi)力、安全性影響規(guī)律。目前，就基坑開挖或建筑物加載引起的隧道變形問題，國內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)值分析法［2－6］和理論分析法［7］進行研究，對于時空關(guān)系較為復(fù)雜的項目，采用數(shù)值分析法具有明顯優(yōu)勢。但以往研究大多針對單棟建筑或土質(zhì)基坑，涉及到超深巖質(zhì)基坑及超高層建筑群對下臥隧道影響分析的工程實例還不多見，特別是對基坑開挖卸載和建筑群加載的全過程分析的研究內(nèi)容較少，因此有必要進行上述分析研究。本文以渝中城項目為背景，采用三維數(shù)值分析方法，參考《隧道現(xiàn)狀檢測檢驗報告》，考慮了松動圈、隧道襯砌厚度不足、圍巖脫空等不良情況，真實模擬了隧道在運營過程中的情況，對比分析了基坑開挖卸載和建筑群加載工況下隧道的位移、內(nèi)力及圍巖應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律。

1 工程概況

1.1 擬建項目工程概況

渝中城項目位于重慶市渝中區(qū)，地塊規(guī)劃用地面積39 243 m2，總建筑面積375 265 m2，主要包括超高層辦公樓、高層、超高層住宅、幼兒園和地下車庫。運營公路隧道從項目用地下方穿越，項目3#，4#，5#，6#塔樓及地下車庫位于隧道50 m保護線范圍內(nèi)，其中4#塔樓及市政高架橋墩位于隧道正上方。3#樓為138.85 m超高層建筑，框架－核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)軸向荷載最大值36 474 kN;4#樓為96.2 m高層住宅建筑，框支剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)軸向荷載最大值23 578 kN;5#樓為130.6 m超高層建筑，框支剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)軸向荷載最大值28 435 kN;6#樓為160.6 m超高層建筑，筏板基礎(chǔ)，總豎向荷載672 000 kN;市政高架橋墩為樁基礎(chǔ)，軸向荷載為3 850 kN。項目設(shè)計地坪高程±0.0=280.10 m，地下室標(biāo)高－3F= 267.20 m，－4F=254.90 m，基坑深度為22～33 m。

1.2 公路隧道工程概況

隧道為雙洞單向行車，隧道軸線間距31 m，隧道凈高7.43 m，凈寬10.96 m，隧道內(nèi)輪廓采用曲墻半圓拱，拱半徑5.59 m，曲墻半徑8.99 m。洞身結(jié)構(gòu)按新奧法進行施工，采用復(fù)合式襯砌，初期支護采用濕噴工藝噴射C20混凝土，錨桿和鋼筋網(wǎng)為主要支護手段。穿越場地隧道設(shè)計襯砌類型主要采用Ⅳ型襯砌和Ⅴ型襯砌，見圖1和圖2。該隧道于1999年竣工通車，已運營16年?！端淼垃F(xiàn)狀檢測檢驗報告》結(jié)論指出:隧道局部范圍內(nèi)有滲水、環(huán)形裂縫等質(zhì)量瑕疵，但結(jié)構(gòu)安全性滿足規(guī)范要求。

圖1 隧道Ⅳ型襯砌斷面圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel with TypeⅣlining(mm)

圖2 隧道Ⅴ型襯砌斷面圖(單位:mm)Fig.2 Cross-section of tunnel with TypeⅤlining(mm)

1.3 項目與公路隧道相互關(guān)系

4#塔樓位于隧道正上方，6#塔樓距隧道邊線水平距離為1.7 m，3#塔樓和5#塔樓距隧道邊線水平距離為26～29 m。3#塔樓基底距洞頂豎向距離為31.8 m， 4#，5#，6#塔樓基底距洞頂豎向距離為40.5 m，橋墩基底距洞頂豎向距離為29 m。隧道進入本項目紅線起點里程樁號為:左洞ZK0+600，右洞YK0+602。出紅線里程樁號為:左洞ZK0+705，右洞YK0+735。項目與隧道平面位置見圖3。

根據(jù)文獻［8］的公式計算得出小凈距隧道深淺埋分界深度為12.26 m，理論上判斷隧道與項目相互影響部位為深埋隧道。項目與隧道剖面關(guān)系見圖4。

圖3 項目與隧道平面位置圖(單位:m)Fig.3 Plan sketch showing relationship between tunnel and buildings(m)

圖4 項目與隧道剖面關(guān)系圖(單位:m)Fig.4 Profile showing relationship between tunnel and buildings(m)

1.4 風(fēng)險源辨識

公路隧道為已運營隧道，項目修建為先開挖基坑，然后修建裙樓及塔樓，對隧道結(jié)構(gòu)影響為先卸載后加載的過程，風(fēng)險源主要有:

1)場地基坑開挖深度為22～33 m，基坑開挖卸載會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的豎向位移，如果變形較大可能會影響結(jié)構(gòu)安全與運營安全;

2)基坑開挖和建筑加載過程中，圍巖壓力可能產(chǎn)生變化;

3)裙樓及塔樓主體結(jié)構(gòu)加載，地基附加應(yīng)力疊加可能導(dǎo)致隧道產(chǎn)生偏壓，對隧道受力產(chǎn)生不利影響;

4)基坑坑底若排水不良，降雨導(dǎo)致坑內(nèi)積水可能造成隧道滲漏水;

5)基坑及基礎(chǔ)開挖過程中的振動過大對隧道結(jié)構(gòu)及正常運營產(chǎn)生不利影響。

2 工程地質(zhì)條件簡述

2.1 地形地貌

場地屬丘陵地貌，斜坡地形。擬建場地總體上為中部高，四周低，高程在258.93～300.47 m，相對高差為41.54 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

場地位于解放碑向斜的西翼，巖層呈單斜構(gòu)造產(chǎn)狀，巖層產(chǎn)狀135°∠9°。巖體中見2組裂隙:1) 320°∠80°～85°，間距0.5～1.0 m/條;2)240°∠85°～90°，間距0.30～1.2 m/條。2組裂隙結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，屬硬性結(jié)構(gòu)面。

2.3 地層巖性

評估段場地地表層填土厚度2～8 m，基巖為中風(fēng)化的紫色泥巖和巨厚層長石、石英砂巖互層，無地下水，圍巖呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，隧道洞體從長石石英砂巖層穿過，隧道圍巖完整穩(wěn)定，無不良地質(zhì)現(xiàn)象。建筑物基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。

2.4 評估段隧道圍巖級別判定

竣工資料顯示，穿越本項目場地的隧道圍巖為Ⅳ類及Ⅴ類，為方便后續(xù)隧道安全性計算及穩(wěn)定性判定，故將 JTJ 026—90《公路隧道設(shè)計規(guī)范》與 JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細則》對應(yīng)的圍巖類別進行轉(zhuǎn)換，具體為Ⅳ類圍巖對應(yīng)現(xiàn)行的Ⅲ2級圍巖，Ⅴ類圍巖對應(yīng)現(xiàn)行Ⅲ1級圍巖［9］。

2.5 巖土參數(shù)取值

數(shù)值計算采用參數(shù)見表1，考慮到隧道鉆爆施工過程中對部分圍巖的擾動，選取一定厚度的圍巖模擬松動圈，對圍巖松動圈的巖體參數(shù)進行折減。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of different materials

3 數(shù)值計算分析

數(shù)值模擬分析采用Midas/GTS有限元軟件。通過建立三維模型進行計算，分析襯砌及圍巖的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)分布情況等，分析基坑開挖及建筑物加載對隧道的影響程度。

根據(jù)文獻［8］第9.2.6條，對于Ⅰ～Ⅲ級圍巖地段的隧道，圍巖形成的荷載應(yīng)100%由圍巖與初期支護承擔(dān)，二次襯砌的荷載分擔(dān)比例理論上為0。因此，綜合分析隧道設(shè)計資料、竣工資料及《現(xiàn)狀安全評估報告》，進行了2種工況的模擬分析。工況1僅考慮初期支護，讓初期支護與圍巖承擔(dān)全部圍巖荷載及建筑物荷載，以此驗算項目實施過程中初期支護結(jié)構(gòu)是否安全。工況2模擬隧道二次襯砌，考慮在初期支護失效情況下，若由二次襯砌與圍巖承擔(dān)全部圍巖荷載及建筑物基底附加荷載，二次襯砌的內(nèi)力變化趨勢及其安全儲備。

公路隧道穿越本項目段現(xiàn)狀檢測數(shù)據(jù)資料顯示，隧道襯砌施工時因混凝土厚度澆筑不均勻，最大值114.7 cm，最小值為20.2 cm，與設(shè)計要求的35 cm在數(shù)值上有一定出入，工況2在數(shù)值模型中二次襯砌厚度按最薄厚度20 cm素C25混凝土考慮。

3.1 三維數(shù)值模擬計算分析

3.1.1 三維模型概況

三維有限元模型考慮了隧道2種類型的襯砌，其中里程600～660段為Ⅴ型襯砌，660～735段為Ⅳ型襯砌。模型尺寸為240 m×165 m×97 m，單元數(shù)845 386個，隧道已竣工多年，拱頂、拱底及洞周變形已完成，因此在模擬初始狀態(tài)時，位移清零。三維模型概況見圖5—7。

3.1.2 計算步驟

計算步驟分4步:1)隧道施工后狀態(tài);2)平場; 3)開挖基坑;4)修建基礎(chǔ)、建筑加載。

圖5 三維模型透視圖Fig.5 Perspective view of 3D model

圖6 橋墩、基礎(chǔ)與隧道襯砌空間位置關(guān)系Fig.6 Spatialrelationship among piers，foundation and tunnel lining

圖7 位移監(jiān)測剖面Fig.7 Displacement monitoring profiles

3.1.3 工況1三維數(shù)值計算位移分析

3.1.3.1 拱頂豎向位移分析

工況1隧道拱頂位移曲線見圖8和圖9，豎向位移云圖見圖10—13。

圖8 隧道左洞(1－1剖面)拱頂豎向位移曲線(工況1)Fig.8 Curves of vertical displacement of crown of left tunnel tube(Profile 1－1)(Case 1)

圖9 隧道右洞(2－2剖面)拱頂豎向位移曲線(工況1)Fig.9 Curves of vertical displacement of crown of right tunnel tube(Profile 2－2)(Case 1)

圖10 基坑、基礎(chǔ)開挖后1－1剖面豎向位移云圖(工況1)(單位:m)Fig.10 Contour of vertical displacement of Profile 1－1 after excavation of foundation pit and foundations(Case 1)(m)

圖11 建筑修建后1－1剖面豎向位移云圖(工況1)(單位:m)Fig.11 Contour of vertical displacement of Profile 1－1 after buildings are completed(Case 1)(m)

圖12 基坑開挖后2－2剖面豎向位移云圖(工況1)(單位:m)Fig.12 Contour of vertical displacement of Profile 2－2 after excavation of foundation pit(Case 1)(m)

圖13 建筑修建后2－2剖面豎向位移云圖(工況1)(單位:m)Fig.13 Contour of vertical displacement of Profile 2－2 after buildings are completed(Case 1)(m)

對計算結(jié)果進行分析，在項目實施期間，平場、基坑開挖和建筑加載對隧道拱頂豎向位移均有一定程度的影響，變化趨勢為平場、基坑開挖時拱頂位移方向向上，建筑物加載時拱頂位移方向向下。隧道最大變形發(fā)生在基坑開挖完成后，左右2個隧道拱頂最大隆起均為5 mm左右，靠近基坑中心位置變形較大(即隧道里程640～690 m處);建筑修建后，隧道拱頂下沉值為1.5 mm，隧道變形部分恢復(fù)，與平場工況基本一致。

3.1.3.2 拱側(cè)水平位移分析

隧道水平位移曲線見圖14和圖15。通過水平位移云圖及水平位移曲線可以看出，項目的實施對隧道的水平變形影響小，最大水平位移不超過0.5 mm，發(fā)生在基坑開挖完成時。

圖14 隧道左洞水平位移曲線(工況1)Fig.14 Curves of horizontal displacement of left tunnel tube (Case 1)

圖15 隧道右洞水平位移曲線(工況1)Fig.15 Curves of horizontal displacement of right tunnel tube (Case 1)

3.1.4 工況2三維數(shù)值計算位移分析

3.1.4.1 拱頂豎向位移分析

工況2隧道拱頂豎向位移曲線見圖16和圖17。由位移曲線可以看出，工況2隧道的豎向變形略小于僅考慮初期支護時的工況1，但2個工況下，隧道拱頂豎向變形趨勢基本一致。

圖16 隧道左洞(1－1剖面)拱頂豎向位移曲線(工況2)Fig.16 Curves of vertical displacement of crown of left tunnel tube(Profile 1－1)(Case 2)

圖17 隧道右洞(2－2剖面)拱頂豎向位移曲線(工況2)Fig.17 Curves of vertical displacement of crown of right tunnel tube(Profile 2－2)(Case 2)

3.1.4.2 拱側(cè)水平位移分析

隧道水平位移曲線見圖18和圖19。通過水平位移曲線可以看出，工況2下項目的實施對隧道的水平變形影響很小，最大水平位移發(fā)生在基坑開挖完成時，約0.45 mm。

圖18 隧道左洞水平位移曲線(工況2)Fig.18 Curves of horizontal displacement of left tunnel tube (Case 2)

計算結(jié)果表明:三維數(shù)值分析中工況1和工況2隧道結(jié)構(gòu)在位移、變形、應(yīng)力、塑性區(qū)等方面分布及變化趨勢一致。其中拱頂豎向位移的變化較拱側(cè)水平位移明顯，在項目實施過程中，基坑開挖工況對隧道位移的影響比建筑物加載工況大。

圖19 隧道右洞水平位移曲線(工況2)Fig.19 Curves of horizontal displacement of right tunnel tube (Case 2)

3.1.5 圍巖應(yīng)力分析

在項目施工過程中，圍巖拉、壓應(yīng)力表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，但均未超過隧道開挖時的數(shù)值，且均未超過巖體抗拉強度和抗壓強度。在各施工荷載步下的圍巖最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力數(shù)值見表2。

表2 隧道圍巖應(yīng)力計算成果表Table 2 Calculation results of stress of surrounding rock of tunnelkPa

3.1.6 襯砌內(nèi)力分析

通過對3個荷載步下襯砌內(nèi)力值的對比分析，基坑開挖工況襯砌的軸力、剪力、彎矩值有減小趨勢，軸力減幅較大，剪力、彎矩減幅較小。建筑物加載工況襯砌的軸力、剪力、彎矩值有增大趨勢，增大后的內(nèi)力值約等于隧道開挖時的內(nèi)力值。總體而言，襯砌內(nèi)力最終變化不大。通過對拱頂、拱腰、拱底3個關(guān)鍵部位的分析，內(nèi)力最大值發(fā)生在拱腰處，具體數(shù)值見表3。

表3 工況2襯砌內(nèi)力值Table 3 Internal force of lining(Case 2)

3.1.7 襯砌安全性驗算

根據(jù)文獻［8］和文獻［9］，取最不利位置拱腰進行襯砌安全性驗算，驗算結(jié)果見表4。在永久荷載+基本可變荷載組合情況下，考慮襯砌最薄厚度0.2 m時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)為2.31，滿足規(guī)范要求。

表4 隧道襯砌安全系數(shù)Table 4 Safety factor of tunnel lining

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本項目塔樓基坑底標(biāo)高距隧道洞頂豎向距離為30～40 m，基坑開挖深度22～33 m，4棟超高層建筑基礎(chǔ)形式、數(shù)量眾多，基礎(chǔ)軸力大，通過采用Midas/GTS有限元軟件，建立三維模型對基坑開挖到建筑物加載的施工全過程進行模擬分析，得出以下結(jié)論:

1)深大基坑開挖工程，基坑底部將出現(xiàn)隆起變形，基坑隆起對隧道上抬變形的影響程度隨著隧道埋置深度的增大而減弱;特別是在巖質(zhì)地基中當(dāng)隧道埋置深度為基坑開挖深度的1～1.5倍時，基坑開挖卸載對隧道位移、襯砌內(nèi)力的影響不顯著。

2)建筑物加載對隧道上抬變形有一定的補償作用，使隧道的位移和襯砌內(nèi)力基本恢復(fù)到原始襯砌狀態(tài)，對隧道而言，在項目施工過程中的最不利工況為基坑開挖完成時，應(yīng)在該階段加強對隧道的監(jiān)測和檢測工作。

3)本次數(shù)值計算所選取的計算參數(shù)和建立的模型在計算結(jié)果及影響趨勢方面是符合理論和經(jīng)驗判斷的，基坑卸載和建筑加載對公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響小，其位移、應(yīng)力、內(nèi)力、安全系數(shù)等均滿足規(guī)范及正常使用要求，數(shù)值計算的結(jié)果可以用于指導(dǎo)設(shè)計和施工。

4.2 建議

1)對營運時間超過10年以上的隧道，建議在進行安全評估分析前對隧道的現(xiàn)狀進行檢測，并根據(jù)現(xiàn)狀資料進行分析，考慮到施工質(zhì)量及材料強度劣化等不良影響，應(yīng)對分析參數(shù)進行折減，以反映隧道結(jié)構(gòu)目前的真實狀態(tài)。

2)本文主要針對一具體工程實例得出分析結(jié)論，還需在今后作進一步研究，將理論分析與數(shù)值計算相結(jié)合，通過對隧道埋置深度和基坑開挖深度的參數(shù)研究，找出二者之間的影響趨勢和變化規(guī)律。

［1］ 張永興，王桂林，胡居義.巖石洞室地基穩(wěn)定性分析方法與實踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.(ZHANG Yongxing，WANG Guilin，HU Juyi.Rock cave foundation stability analysis method and practice［M］.Beijing:Science Press，2005.(in Chinese))

［2］ 李楊秋，辛亞輝，唐秋元.擬建超高層與相鄰隧道不同水平距離對比分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2011，7(1):33－38.(LI Yangqiu，XIN Yahui，TANG Qiuyuan.Analysis of proposed super high-rise building with adjacent tunnel at different horizontal distances［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(1):33－38.(in Chinese))

［3］ 趙俊，甘鵬路，申文明，等.復(fù)合地層中基坑開挖對下臥隧道變形影響研究［J］.隧道建設(shè)，2014，34(2):118－123.(ZHAO Jun，GAN Penglu，SHEN Wenming，et al.Study on influence of excavation of foundation pit on deformation of underlying tunnel in complex ground［J］.Tunnel Construction，2014，34(2):118－123.(in Chinese))

［4］ 張宗興.重慶某建筑深基坑施工對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)影響研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2013.(ZHANG Zongxing.Study on effect of existing adjacent tunnel structure due to the deep excavation construction in Chongqing［D］.Chongqing:School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，2013.(in Chinese))

［5］ 王衛(wèi)東，沈健，翁其平，等.基坑工程對鄰近地鐵隧道影響的分析與對策［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(S1): 1340－1345.(WANG Weidong，SHEN Jian，WENG Qiping，et al.Analysis and countermeasures of influence of excavation on adjacent tunnels［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(S1):1340－1345.(in Chinese))

［6］ 秦前波，方引晴.基坑開挖及上蓋荷載對下臥隧道結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012，42(6):107－111.(QIN Qianbo，F(xiàn)ANG Yinqin.Study on influence of deep excavation and cover load on the underlying subway tunnel structure［J］.Building Structure，2012，42(6):107－111.(in Chinese))

［7］ 張治國，張孟喜，王衛(wèi)東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法［J］.巖土力學(xué)，2011，32(7):2085－2092.(ZHANG Zhiguo，ZHANG Mengxi，WANG Weidong.Two-stage method for analyzing effects on adjacent Metro tunnels due to foundation pit excavation［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(7):2085－2092.(in Chinese))

［8］ JTG/T D70—2010公路隧道設(shè)計細則［S］.北京:人民交通出版社，2010.(JTG/T D70—2010 Guidelines for design of highway tunnel［S］.Beijing:China Communications Press，2010.(in Chinese))

［9］ JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.(JTG D70—2004 Code for design of road tunnel［S］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinese))