下穿建筑物及淺埋近接隧道施工力學行為分析

杜學焜

(貴州貴陽市域鐵路公司, 貴州貴陽 550003)

[定稿日期]2017-09-26

地下軌道交通路網(wǎng)的完善和擴能改造等都帶來大量在既有線旁修建新線、下穿地表建筑物等工程現(xiàn)象，這勢必造成新建結構物鄰近既有結構物施工。近接施工影響既有結構物受力狀態(tài)，既有與新建結構物的受力變異，從而產(chǎn)生各種不利影響。如結構物承載能力下降、甚至破壞；變形過大以致于侵入凈空；不均勻沉降造成周邊建(構)筑物破損或不能正常使用等[1]。概括講，如何把對環(huán)境的影響減少到最低限度，是地下建筑物在近距離條件下施工的核心問題[2]。因此，分析新建工程對鄰近結構物的影響程度，對于優(yōu)化工程選址及規(guī)劃、設計，準確判斷施工風險和把握工程關鍵部位，減輕環(huán)境影響，具有重要的參考價值和廣泛的指導意義。

本文以重慶東水門大橋·千廝門大橋渝中區(qū)連接隧道為研究背景，該隧道為城市公路隧道，設計行車速度40km/h，為雙向4車道連拱+小凈距隧道，隧道左右線全線按洞口連拱隧道、洞身段小凈距隧道布設(圖1)。

圖1 直中墻連拱隧道橫斷面

須要考慮的是：華夏銀行獨立柱基礎底部距離隧道初期支護拱頂3.83m，邊柱、中柱與隧道外邊墻的距離為0～8.85m，空間距離非常接近，兩者相互影響較大；圍巖分為三層，最上邊為素填土，中間為泥巖，下層為砂巖；同時軌道交通六號線區(qū)間與本工程從下方相交，并逐漸與本隧道向江北城同向行進，兩條隧道相交段之間的間隔2.5～4.3m。

分析主要采用數(shù)值模擬計算，以有限差分法軟件Flac3D建立近距離基樁下隧道近接施工的三維計算模型，對隧道開挖所導致的基樁的位移影響進行分析、預測，對新線隧道開挖所引起的圍巖和既有隧道襯砌應力、地表建筑物位移變化規(guī)律進行了研究分析。

1 隧道結構設計及施工方案

渝中連接隧道還未開挖之前軌道交通六號線就已經(jīng)開挖完成，固在本次數(shù)值計算分析中，先開挖渝中鏈接隧道與軌道交通六號線相交部分的軌道交通六號線，六號線開挖計算完成后再開挖上部隧道。

工程為整體式連拱隧道，施工采用中導洞+左右洞單側壁導坑法，并須采用人工或機械等非爆破開挖方式，避免對其上建筑基礎的影響，施工時首先施作大管棚，且必須其中一洞(右洞)先行，待先行洞二次襯砌澆筑完成并達到強度、中洞靠左側洞抵抗回填完成后方能開挖后行洞，隧道的開挖方式按照開挖以進尺2m一個循環(huán)進行。

開挖順序為：中導洞、中隔墻先行，左右洞采用上下臺階法施工。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型

根據(jù)圍巖條件和隧道結構型式，采用Flac3D商用仿真模擬軟件進行三維數(shù)值模擬分析，模型縱向長56.5m，房屋前后各約20m。將獨立樁基單獨建立模型(實體單元)，樁基按平面圖設6×4個(按線性排布)，計算中地表建筑自重及活荷載按GB50009-2001《建筑結構荷載規(guī)范》(2006版)中的要求取值，各個樁基的荷載承受值按《建筑地基基礎設計規(guī)范》進行取值(圖2、圖3)。

圖2 三維模型

圖3 近接隧道相對位置

2.2 施工過程模擬

在數(shù)值計算中嚴格按照隧道的施工步序對隧道進行動態(tài)數(shù)值模擬，即首選從地表打入大管棚，進行加固，然后在每一步計算式對隧道周邊的圍巖打入錨桿進行加固，隧道的開挖步驟按照設計進行(圖4)。

圖4 施加的管棚和錨桿

3 計算結果分析

3.1 圍巖應力分析

從圍巖應力圖中可知(圖5)，由于地表建筑的存在，樁基附近的地應力明顯的比同等埋深的圍巖處地應力大。從圍巖豎向位移云圖可知(圖6)，由于軌道交通六號線的存在，六號線的開挖對圍巖的擾動加上上部隧道開挖對圍巖的進一步擾動，使得上部隧道拱頂?shù)奈灰屏棵黠@的不同，左洞拱頂位移量比右洞拱頂?shù)奈灰屏恳?0 %。

圖5 圍巖最小主應力云圖(單位:Pa)

圖6 圍巖豎向位移云圖(單位:m)

3.2 襯砌內力分析

(1)上部隧道未開挖前與開挖后軌道交通六號線襯砌結構內力比較分析(圖7～圖10)。

圖7 六號線襯砌在上部隧道開挖前彎矩(單位：kN·m)

圖8 六號線襯砌在上部隧道開挖后彎矩(單位：kN·m)

圖9 六號線襯砌在上部隧道開挖前軸力(單位：MN)

圖10 六號線襯砌在上部隧道開挖后軸力(單位：MN)

(2)樁基礎處上部隧道襯砌結構內力圖(圖11、圖12)。

圖11 中樁處上部隧道襯砌彎矩(單位：kN·m)

圖12 樁基處上部隧道襯砌軸力(單位：MN)

比較可知，在上部隧道開挖前，軌道交通六號線的支護結構內力分布比較規(guī)整，彎矩、軸力都在允許范圍內，安全系數(shù)比較高。上部隧道開挖以后軌道交通六號線襯砌結構內力發(fā)生了變化，由于上部荷載的部分卸載和拱頂圍巖不均勻圍巖壓力，使襯砌的左上方彎矩向外突出，這是對隧道襯砌結構不利的受力方式，上部隧道開挖后六號線襯砌的軸力也發(fā)生了變化，最初對稱的軸力分布變?yōu)榱怂淼雷筮呉r砌軸力明顯下降，而右邊襯砌軸力有了增加，這也是對隧道結構形狀不利的受力方式。

對于上部隧道，支護結構彎矩不大，右洞彎矩較左洞小，安全系數(shù)左洞要小，作為后開挖洞，左洞處于深樁基下，本身支護結構受力較大，加之右洞開挖肯定對后挖洞左洞圍巖會產(chǎn)生影響，故建議設計上考慮左洞工法可以更保守點，以保護圍巖及結構穩(wěn)定。

3.3 樁基及拱頂沉降量分析

該監(jiān)控是在隧道位于樁基部位隧道左洞頂(②)，中墻頂部(③)，右洞頂(④)進行的位移監(jiān)控，由圖13、圖14可知，由于右洞下部近接軌道交通六號線，固右部拱頂?shù)奈灰屏棵黠@大于中墻及左洞拱頂?shù)奈灰?。由于初始開挖的是導洞及右洞，故中墻頂部圍巖位移明顯大于左洞頂部，左洞開挖后，在洞頂樁基礎荷載作用下，左洞頂部圍巖位移也逐漸增大，最后和中墻頂部圍巖位移量一致。

圖13 樁基編號

圖14 隧道洞頂位移監(jiān)控(單位:m)注：監(jiān)控圖的x坐標為計算步數(shù)，y坐標為監(jiān)控點的位移量，正值表示位移沉降量，負值表示位移凸起量。

從圖15、圖16比較可知，在六號線開挖完成后，樁基礎的位移量按一定規(guī)律分布：沿著隧道縱向，每一列樁基的位移量相同；在隧道橫向方向上，距離隧道橫斷面越近樁基位移量越大，最大位移量為0.8mm。上部隧道開挖以后，樁基的位移量有了明顯的增加，最大值為1.7mm，位移值增加了50 %。

圖15 六號線通過后樁基位移(單位: m)

圖16 上部隧道開挖通過樁基位移(單位:m)

從樁基位移圖及各監(jiān)控點的監(jiān)控圖(圖17、圖18)可以看出，距離掌子面最近的106號樁基位移最大。從圖中可以看出距離隧道較近的105、106號樁基位移有了一定幅度的增加，而104、103號樁以后的樁基位移量不變。

圖17 第一列樁基(106、112、118、123號樁)位移監(jiān)控(單位: m)

圖18 第一排樁基(103～106號樁)位移監(jiān)控分析(單位:m)

從圖18可看出隧道左洞開挖使左洞頂部樁基沉降位移再次明顯的增加，樁基的最大位移從右洞開挖后的1.0mm增加到了1.37mm，表明隧道左洞的開挖對樁基位移沉降影響較大。計算步從113 000到132 000為隧道左洞通過第一排樁基至第四排樁基的開挖過程，從圖中可以看出左洞在開挖過程中各個樁基的沉降量一直在增加，這與右洞開挖時樁基的沉降量變化不大相比，說明左洞的開挖對樁基沉降有較大的影響。

從圖18可知隧道在通過第四排樁基后各樁基沉降并不是馬上就穩(wěn)定下來，后兩排樁基位移量還在繼續(xù)增加，當隧道通過樁基20m以后樁基的沉降才基本穩(wěn)定不在變化。

4 結論及建議

(1)隧道采用先行洞右洞先開挖后再開挖左洞的施工方案對減小樁基位移是利的，當單洞開挖時，在施加了超前管棚的情況下，由于軌道交通六號線的存在，使得上部樁基礎位移達到了1.0mm左右。

(2)隧道左洞的開挖樁基礎沉降量影響較大，左洞的開挖使樁的位移最大達到了1.84mm左右，距離掌子面越近的樁，隧道的開挖對其影響越大，這是施工中關鍵控制部位，特別是左洞上臺階的開挖，施工中需密切監(jiān)控地表建筑物不均勻沉降。

(3)靠近隧道第一列4個樁要比內側樁位移要大，越靠近隧道開挖面位移越大。隨隧道開挖，各個樁基位移都在增大，最大位移產(chǎn)生在112號樁基，最大位移量為1.77mm。

(4)由于上部隧道開挖以后，軌道交通六號線承受的上部荷載發(fā)生了變化，隧道結構受偏壓荷載，使得其結構內力左右不對稱，與上部隧道開挖之前相比左邊襯砌結構安全系數(shù)明顯減小。

(5)對于上部隧道襯砌結構，支護結構彎矩不大，邊樁位置內力較中間樁位置小?？偟膩碚f右洞彎矩、軸力比左洞要小，安全儲備大。作為后開挖洞，建議設計上考慮左洞工法可以更保守，并加強監(jiān)控量測，以保護圍巖及結構穩(wěn)定。

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