城市螺旋隧道群開挖對鄰近建筑物的影響分析

高 峰，吳佳鑫，石龍飛，賈 山，何 江

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

在城市隧道的建設過程中，不可避免的會穿過或臨近各種既有構(gòu)筑物。城市隧道的修建很有可能會引起城市道路路面的裂縫和坍塌，以及會對相鄰隧道造成影響。因此，在隧道施工中如何既有效地減少對既有建筑物和圍巖的影響，又保證隧道和周圍環(huán)境的安全，是城市隧道施工的重難點。

隧道群施工具有強烈的空間效應，隧道之間無法忽略相互的影響[1]。影響隧道群空間效應主要有以下兩個因素：隧道群施工順序和開挖方法[2-4]。謝雄耀等[5]對重疊盾構(gòu)隧道施工開挖順序進行了研究，得出“先下洞后上洞”施工順序較為安全的結(jié)論；李為潔[6]對淺埋小凈距隧道不同開挖順序進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明先施工大斷面隧道后施工小斷面隧道的施工順序較好；路亮[7]對超淺埋多孔的小凈距隧道下穿鐵路干線過程進行了數(shù)值模擬，并對兩臺階法和四臺階法進行了對比，得出四臺階法優(yōu)于兩臺階法的結(jié)論；張頂立等[8]依托廈門機場路隧道下穿地表復雜建筑群工程，分析了隧道施工中建筑物的變化規(guī)律和建筑物的破壞模式。

以上學者多是針對較為復雜的下穿隧道進行研究。筆者所依托的工程為城市多層螺旋隧道群，位于大型商圈，展線復雜，需嚴格控制施工對既有建筑物的影響，施工難度極大。因此，有必要對大規(guī)模高密度多層重疊隧道群穿越建筑物的工程段進行深入研究，分析多層重疊隧道群施工引起周圍建筑物變形受力過程，掌握其對地層的影響和施工過程中的力學特征，并依此對多層重疊隧道群的施工方案進行優(yōu)化。

1 工程概況

解放碑地下停車庫及連接通道三期工程位于重慶市渝中區(qū)的解放碑核心區(qū)域，其目的是為緩解解放碑地區(qū)地面擁堵的交通，使解放碑地下停車系統(tǒng)利用率達到最大化，從而有效地改善該區(qū)域的交通狀況。該項目包括“一環(huán)七射多連通”：“一環(huán)”指環(huán)形地下主通道，由一期、二期及三期工程組成；“七射”指7條通道，用于進出主通道；“多連通”即車庫與車庫之間的連通。通過“一環(huán)七射多連通”組成了資源共享、統(tǒng)一管理、高效運行的地下停車系統(tǒng)，其隧道位置關(guān)系如圖1。

圖1 隧道位置關(guān)系(單位：m)Fig. 1 Relative position map of tunnel

2 計算模型

2.1 地下工程有限元分析

2.1.1 Mohr-Coulomb(M-C)屈服準則

庫倫提出了巖土的剪切破壞準則，兩個強度參數(shù)為黏聚力和內(nèi)摩擦角，如式(1)：

τn=c+σntanφ

(1)

式中：τn為抗剪極限強度；c為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角；σn為剪切面上的法向應力。

2.1.2 Ducker-Prager(D-P)屈服準則

D-P屈服準則計算如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

式中：J′1為應力張量的第一不變量；J′2為應力張量的第二不變量；Sx、Sy、Sz分別為應力偏離；α、k為D-P屈服準則的參數(shù)；σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的應力；τxy、τyz、τxz分別為xy平面、yz平面、xz平面上的剪切力；σm為平均應力。

D-P屈服準則對M-C屈服準則進行了適當優(yōu)化修正。在Von-Mises屈服準則基礎(chǔ)上，考慮了靜水壓力作用，彌補了Von-Mises屈服準則不足。D-P屈服準則中主要依據(jù)3個參數(shù)：黏聚力、內(nèi)摩擦角和膨脹角，如圖2。

圖2 D-P屈服準則Fig. 2 D-P yield criterion

2.2 物理參數(shù)

實際工程中使用初支含有架設鋼拱架和噴射混凝土。為方便建模，筆者把鋼拱架的貢獻折算到噴射混凝土彈性模量上，對于模擬鋼拱架架設，通過改變初支彈性模量來實現(xiàn)，其彈性模量按式(5)進行等效折算。

(5)

式中：E為折算后的混凝土彈性模量；E0為噴射混凝土彈性模量；Eg為鋼拱架的彈性模量；Sg為鋼拱架截面積；Sc為噴射混凝土截面積。

圍巖、初期支護和建筑基礎(chǔ)物理力學參數(shù)分別見表1～表3。

表1 圍巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

表2 初期支護的物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of initial support

表3 建筑基礎(chǔ)的物理力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of building foundation

3 展線方案影響研究

在擬建項目中，當連接通道與主通道連接時，因受地形限制，有32 m高差需克服，無法直接通過自然隧道展線進行兩隧道連接，需要延展隧道距離來克服高差?？刹捎寐菪淼勒咕€方案或回頭隧道展線方案，筆者對這兩種方案進行詳細的定性、定量分析，得出較優(yōu)方案。

3.1 模型建立

螺旋隧道展線方案。根據(jù)解放碑三期環(huán)道實際工程情況沿縱向取250 m；在螺旋隧道展線的兩螺旋轉(zhuǎn)彎處各取3.5倍洞徑(約45 m)為隧道左右邊界，計算模型寬度為310 m；模型上邊界取至水平地表面，下邊界取3.5倍洞高(約30 m)作為下邊界，計算模型高度為80 m(上層素填土高度為2.1 m)。螺旋隧道展線模型后視如圖3。

圖3 螺旋隧道展線模型后視圖Fig. 3 Rear view of spiral tunnel line model

回頭隧道展線方案。根據(jù)解放碑三期環(huán)道實際工程情況沿縱向取250 m；在回頭隧道展線隧道轉(zhuǎn)彎處各取3.5倍洞徑(約45 m)為隧道左右邊界，計算模型寬度為370 m；模型上邊界取至水平地表面?；仡^隧道展線模型后視如圖4。

圖4 回頭隧道展線模型后視圖Fig. 4 Rear view of turn-around tunnel line model

3.2 定性分析

筆者對兩種展線方案可從經(jīng)濟性、安全性和可實施性進行定性分析。

3.2.1 經(jīng)濟性分析

對于螺旋隧道展線，需要開挖隧道長度為706 m，最小平曲線半徑為29.5 m，每延米開挖土石方數(shù)量為140.8 m3；對于回頭隧道展線，需要開挖隧道長度為650 m，最小平曲線半徑為23.2 m，因此螺旋隧道展線相比回頭隧道展線，其造價更高。

3.2.2 安全性分析

在工程建設過程中，對螺旋隧道展線方案，螺旋重疊段高差大，施工較復雜，三隧道平行重疊段相互影響較大；而在另一螺旋隧道段，遠離4A級景區(qū)洪崖洞，影響較小，為工程建設安全創(chuàng)造了有利條件?；仡^隧道展線方案未有螺旋重疊段，但回頭隧道展線平行段相隔較近，影響較大；在隧道回頭轉(zhuǎn)彎段，需在4A級景區(qū)洪崖洞周邊進行轉(zhuǎn)彎回頭，對工程建設安全影響較大。在運營過程中，螺旋隧道展線繞行了706 m，完成了360°升坡；回頭隧道展線繞行了650 m，完成了32 m高差升坡。行車過程自然舒順，均有助于駕乘人員心理穩(wěn)定并有利于行車安全。故螺旋隧道展線優(yōu)于回頭隧道展線[9]。

3.2.3 可實施性分析

考慮工程建設進場條件，工程所連接的環(huán)道一、二期及地下車庫等均已投入使用，不允許大型車輛進出，本工程目前只能利用位于嘉濱路的洞口作為施工通道?？紤]場地布置和棄渣處置，該進出口位于黃花園大橋和千廝門大橋之間的嘉濱路，周邊基本無可利用臨設場地，棄渣通過工程車輛運出，但洞口臨近4A級景區(qū)，平時交通車流量大，早晚高峰期異常擁堵，對工程影響較大。

通過對工程建設難度及工程建設經(jīng)濟性、安全性和可實施性進行分析，螺旋隧道方案需要開挖距離較長，但平曲線半徑較大，有利于行車安全，更具有合理性和科學性[10]。

3.3 定量分析

對螺旋隧道展線和回頭隧道展線兩種隧道開挖方案數(shù)值模擬，選取圍巖最大位移、應力和初期支護位移、應力結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖5～圖8。

圖5 地層位移對比分析Fig. 5 Comparative analysis chart of stratum displacement

圖6 初期支護位移分析Fig. 6 Analysis chart of initial support displacement

圖7 地層應力對比分析Fig. 7 Comparative analysis chart of stratum stress

圖8 初期支護應力對比分析Fig. 8 Comparative analysis chart of initial support stress

由圖5～圖8可知：采用螺旋隧道方案時，圍巖豎向位移、應力和隧道初支的豎向、水平位移整體表現(xiàn)優(yōu)于回頭隧道方案，結(jié)合塑性區(qū)和關(guān)鍵點位移等數(shù)據(jù)及定性分析結(jié)果，采用螺旋隧道方案優(yōu)于回頭隧道方案。

4 施工順序與開挖方法的影響

地下工程施工中，在狹小區(qū)域內(nèi)，多個隧道洞室的重復交叉開挖會使得圍巖產(chǎn)生復雜的應力重分布。在不同的開挖順序與開挖方法下，圍巖和隧道結(jié)構(gòu)本身受力和變形過程存在著不同，其受重疊隧道群施工開挖影響程度及穩(wěn)定性也存在著不同，同時上部巖土體也會產(chǎn)生差異，最終導致地層變形[11-12]。

對重疊隧道群地表建筑物位移，是由于隧道群開挖導致的地表位移，之后會直接引起建筑基礎(chǔ)位移；當建筑基礎(chǔ)豎向或水平位移過大時，會導致建筑物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。為了提高圍巖和建筑物穩(wěn)定性，優(yōu)化上、 中、 下這3層隧道群開挖順序與開挖方法尤為重要[13]。

4.1 模型建立

模型尺寸與邊界約束根據(jù)解放碑三期環(huán)道實際工程情況沿主通道隧道的縱向取190 m；在連接道和主通道外各取3.5倍洞徑為隧道左右邊界，計算模型寬度為210 m；模型上邊界取至水平地表面，下邊界取連接道的3.5倍洞高為下邊界，計算模型高度為80 m(上層素填土高度為2.1 m)。邊界約束采用邁達斯軟件中的自動約束。地表建筑物空間位置如圖9。

圖9 地表建筑物空間示意Fig. 9 Stereoscopic sketch of surface building

4.2 不同開挖順序?qū)鷰r和建筑物的影響

通過數(shù)值模擬方法，模擬以下4種不同施工順序，分析比較隧道群開挖對地層和地表建筑物的影響。

1)工況1：先開挖連接道，再開挖電力隧道，最后主通道；

2)工況2：先開挖電力隧道，再開挖連接道，最后主通道；

3)工況3：先開挖電力隧道，再開挖主通道，最后連接道；

4)工況4：先開挖主通道，再開挖電力隧道，最后連接道。

對螺旋隧道4種開挖順序工況進行數(shù)值模擬，選取地層位移、初期支護位移、地層應力和初期支護應力進行對比，結(jié)果如圖10～圖13。提取建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)沉降量，如表4。

圖10 地層位移對比分析Fig. 10 Comparative analysis chart of stratum displacement

圖11 初支位移對比分析Fig. 11 Comparative analysis chart of initial support displacement

圖12 地層應力對比分析Fig. 12 Comparative analysis chart of stratum stress

圖13 初支應力對比分析Fig. 13 Comparative analysis chart of initial support

表4 建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)沉降量Table 4 Settlement of building pile foundation andbuilding foundation mm

由圖10～圖13可知：在工況1下，初期支護和地層位移整體較小，地層應力和初期支護應力也相對較小，結(jié)構(gòu)更加安全。由表4可知：采用工況1時，建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)整體沉降更小，且不均勻沉降亦小于其他3種工況，有利于整體受力。故采用由下往上開挖最佳，即先開挖下層連接道，再開挖中層電力隧道，最后開挖上層主通道的施工順序。

4.3 不同開挖方法對圍巖和建筑物的影響

通過數(shù)值模擬方法，分析比較以下3種不同的群洞開挖方法對地層和地表建筑物影響。

1)工況1：連接道采用臺階法且主通道采用單側(cè)壁；

2)工況2：連接道采用全斷面且主通道采用臺階法；

3)工況3：連接道與主通道均采用臺階法。

對螺旋隧道3種開挖方法進行數(shù)值模擬，選取地層位移、初期支護位移、地層應力和初期支護應力進行對比，結(jié)果如圖14～圖17。提取建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)沉降量，如表5。

圖14 地層位移對比分析Fig. 14 Comparative analysis chart of stratum displacement

圖15 初支位移對比分析Fig. 15 Comparative analysis chart of initial support

圖16 地層應力對比分析Fig. 16 Comparative analysis chart of stratum stress

圖17 初支應力對比分析Fig. 17 Comparative analysis chart of initial support

表5 建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)沉降量Table 5 Settlement of building pile foundation andbuilding foundation mm

由圖14～圖17可知：在工況1下，地層和隧道拱頂沉降更小，圍巖應力和初期支護應力大小也較其他兩種工況更小。由表5可知：采用工況1時，建筑樁基礎(chǔ)和建筑基礎(chǔ)整體沉降更小，且不均勻沉降亦小于其他兩種工況，有利于整體受力。故采用電力隧道使用全斷面法，連接道采用臺階法和主通道采用單側(cè)壁法的方案最好。

5 現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及分析

為驗證三維數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，第1組選取在三維數(shù)值模擬中位于下層螺旋轉(zhuǎn)彎處的中部板單元與實際隧道中ZK0+540位置布置監(jiān)控點，取其拱頂豎向位移進行比較分析；第2組選取在三維數(shù)值模擬中建筑物的附二院的角點1與實際建筑物角點布置監(jiān)控點，取豎向位移進行對比分析[14]。

在實際施工和數(shù)值模擬中，采取相同的開挖順序和開挖方法，既連接道采用臺階法施工，電力隧道采用全斷面開挖，主通道采用單側(cè)壁法進行施工，以保證數(shù)值模擬和實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)有可比性。拱頂沉降模擬值和實測值見圖18；角點1沉降模擬值和實測值見圖19。

圖18 拱頂豎向位移Fig. 18 Vertical displacement of arch crown

圖19 角點1豎向位移Fig. 19 Vertical displacement of corner 1

由圖18可知：在現(xiàn)場進行監(jiān)控量測時所需監(jiān)測點位要等到相應的掌子面開挖后才能進行布設，因此相應監(jiān)測點的拱頂沉降實測值中并無開挖前相關(guān)數(shù)據(jù)；而對于開挖后，還有上層螺旋隧道、電力隧道和主通道需要開挖，因此沒有之后的相關(guān)數(shù)據(jù)，故在兩沉降曲線圖中存在著不同。在有限元數(shù)值模擬中，從Step87開始，對應監(jiān)測點點位的豎向位移迅速向下沉降，待到Step100時沉降值達到7.5 mm左右。而在實際監(jiān)測過程中，前期階段豎向位移也迅速向下沉降，但其值要小于數(shù)值模擬值，這是由于在模擬過程中連接道有中隔墻的修建；隨后階段，數(shù)值模擬值和實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)都趨于平穩(wěn)，但在現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)后期，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)會有小范圍上下波動，波動值較小，這是由于工程采用爆破開挖方式，會產(chǎn)生一定影響。數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)控量測變化趨勢是先突降再平緩，而對于最終豎向位移結(jié)果數(shù)值模擬為7.50 mm，真實監(jiān)控量測為6.00 mm，模擬值去除中導洞開挖沉降的2.00 mm左右，兩者值基本相吻合。

由圖19可知：在模擬隧道開挖到連接道主洞的下層螺旋轉(zhuǎn)彎處時(S87)，實測值比模擬值要大，這是由于模擬開挖時只模擬連接道中導洞和主洞的一部分，在下層隧道開挖至基礎(chǔ)角點1正下方時，其數(shù)值模擬值和真實測量值都迅速減小，兩者在開挖基礎(chǔ)角點1附近影響沉降值大致相等(模擬值為2.50 mm，真實測量值為2.75 mm)。從總體上看，兩者變化趨勢都是先突降然后變得平緩，而真實監(jiān)測平緩趨勢有上下無序的波動，原因也是由于爆破開挖影響[15]。

6 結(jié) 論

筆者以重慶解放碑隧道群工程為背景，就多層螺旋隧道群開挖對地層和地表建筑物影響進行了分析，得出如下結(jié)論：

1)對比分析為克服高差所采用的螺旋隧道展線和回頭隧道展線，得出在該工程連接隧道修建，采用螺旋隧道展線方案最佳；

2)采用先開挖下層連接道，再開挖中層電力隧道，最后開挖上層主通道的施工順序，重疊隧道群開挖后對圍巖、初支及附近建筑物樁基礎(chǔ)影響最??；

3)開挖方法為連接道采用上下臺階法，電力隧道采用全斷面法，主通道采用單側(cè)壁法時，重疊隧道群開挖對其圍巖、初支及附近建筑物樁基礎(chǔ)的影響最??；

4)將數(shù)值模擬結(jié)果和實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行對比，兩者沉降值和發(fā)展趨勢在一定程度上較為接近，說明了數(shù)值模擬的真實性和現(xiàn)場監(jiān)控量測的必要性，這兩者結(jié)合能預測和指導實際工程施工。