大跨度連拱隧道下穿古建筑物的安全評估

郭佳嘉，張國浩，褚 存,3,4

(1. 中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2. 中交第二航務工程局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；3. 長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

我國古建筑物具有分布廣泛、歷史悠久、文化底蘊深厚等特點，但古建筑物往往年代久遠，自身材料及結構已受到不同程度損壞，材料強度和穩(wěn)定性均較差。當修建的隧道需要下穿古建筑物時，會給文物保護和施工帶來了巨大困難。因此在施工中，若隧道要下穿古建筑物保護區(qū)時，就需要對古建筑物安全性及施工方案可行性進行研究和評估，以達到既能保護建筑物又能保障施工安全、節(jié)省工程造價、降低施工工期的目的。

針對隧道下穿古建筑物的問題，學界展開了相關的研究。李二兵等[1]采用監(jiān)控量測手段對南京市九華山隧道下穿古城墻的變形特點及控制措施進行了分析；何滿潮等[2-3]基于現(xiàn)場調研和工程地質勘察，使用FLAC3D仿真軟件對高句麗將軍墳的變形破壞內在機理和布達拉宮西印經(jīng)院地基應力特征與結構變形進行了分析；謝雄耀等[4]對盾構隧道下穿老舊建筑物群的微沉降控制技術進行了研究；程紅戰(zhàn)等[5]對考慮參數(shù)空間變異性的隧道下穿建筑物安全性進行了研究與評估；李永寬等[6]對淺埋暗挖隧道下穿地表建筑物的安全控制技術進行了分析。

筆者依托實際工程項目，對淺埋偏壓條件下大跨度連拱隧道下穿古炮臺遺址的地表沉降進行了分析，對古建筑物的安全性進行了評估[7-10]。

1 工程概況

南京仙新路過江通道工程是南京市新建的一條重要過江通道，包括跨江主橋、引橋、烏龍山隧道等。其中：烏龍山隧道長247 m，為雙向六車道連拱淺埋短隧道，最大埋深僅30 m。

烏龍山隧道地貌主要為構造剝蝕殘丘區(qū)，地面高程15～77 m不等，覆蓋層表層為素填土、種植土，工程性質較差，種植土以粉質黏土為主，填土主要為可塑-硬塑狀粉質黏土，厚度為5～35 m；隧道下伏基巖主要為強風化角礫巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。烏龍山隧道大部從可塑-硬塑狀中上更新統(tǒng)粉質黏土中穿過，總體圍巖級別以Ⅴ級為主，在隧道洞口區(qū)域為Ⅵ級。

隧道正洞開挖斷面最大跨度為15.8 m，高度為10.32 m，中導洞開挖斷面最大跨度為5.1 m，高度為7.5 m。隧道洞身采用新奧法原理進行設計，采用鋼拱架，噴射混凝土，砂漿錨桿組成初期支護來充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，超前大管棚加超前小導管的雙層預加固措施為主要的沉降控制手段，隧道支護參數(shù)如圖1。該隧道下穿烏龍山炮臺遺址保護區(qū)，必須要保證炮臺遺址不會因地表沉降過大而發(fā)生損壞和開裂，因此應對隧道下穿古炮臺遺址的地表變形情況進行分析，對古建筑物安全性進行評估。

圖1 連拱隧道三導洞法開挖支護設計參數(shù)Fig. 1 Design parameters of excavation and support of three heading method in multi-arch tunnel

2 數(shù)值計算

2.1 建立模型

為了建立能夠真實反映現(xiàn)場地形狀況的三維計算模型，筆者采用CFD方法進行建模[11]。即通過提取烏龍山炮臺遺址附近的等高線數(shù)據(jù)，導入第三方建模軟件來生成精細化三維地質模型，然后建立隧道結構和計算分組，劃分網(wǎng)格后導入FLAC3D仿真軟件進行計算。為了適應模型復雜的邊界條件，單元網(wǎng)格采用全四面體網(wǎng)格模型，同時加密隧道附近的網(wǎng)格數(shù)量來保證計算精度[12]，導入FLAC3D仿真軟件后生成的有限差分計算模型和分組如圖2。

圖2 三維有限差分計算模型Fig. 2 Three-dimensional finite difference calculation model

2.2 數(shù)值模擬

為了模擬天然巖土體的固有沉降和初始地應力，需先求解模型初始地應力場。模型初始地應力場采用彈塑性求解，模型底部和四周邊界固定，頂部自由，巖土體的計算采用Mohr彈塑性本構模型，擋土墻和導向墻采用線彈性模型，根據(jù)項目前期的地勘情況，相關計算參數(shù)如表1。

表1 巖土體的相關參數(shù)Table 1 Relevant parameters of rock and soil mass

模擬過程按照施工方案中的順序進行，方案中隧道采用三導洞法開挖，中導洞先行施工，中導洞施工完成后進行中隔墻施工，然后再進行隧道正洞施工。正洞施工時先施工正洞的側導洞，再用臺階法施工正洞剩余部分，連拱隧道施工順序如圖3。模型初始地應力場計算完成后，對塑性區(qū)、位移和速度進行歸零處理。

圖3 連拱隧道施工順序Fig. 3 Construction sequence of multi-arch tunnel

3 結果分析

筆者對中導洞開挖時的變形情況進行分析。中導洞按兩臺階法進行開挖模擬，每循環(huán)進尺1.2 m，超前管棚、超前小導管、錨桿及襯砌采用FLAC3D仿真軟件自帶的Pile、Cable、Shell結構單元進行模擬，通過FISH編寫程序自動進行開挖循環(huán)計算，計算完成后的圍巖垂向位移云圖和塑性區(qū)分布如圖4、圖5。

圖4 圍巖垂向位移云圖(單位：m)Fig. 4 Nephogram of vertical displacement of surrounding rock

圖5 圍巖塑性區(qū)分布圖Fig. 5 Distribution map of surrounding rock plastic zone

從圖4、圖5可知：在中導洞貫通后，中導洞的頂拱沉降最大約為1.2 cm，地表累計沉降量值范圍為2.1～2.6 mm，古炮臺整體變形最大為0.23 mm；且古炮臺及附近區(qū)域的塑性區(qū)并未出現(xiàn)，說明該區(qū)域處于彈性變形范圍內，中導洞的開挖對地表沉降影響很小，對古炮臺的穩(wěn)定性影響極小。

中導洞開挖完成后緊接著進行中隔墻施工，最后進行隧道正洞施工。正洞按施工方案進行仿真模擬，先進行側導洞施工，然后進行正洞開挖。隧道正洞采用臺階法施工，采用超前管棚加超前小導管進行預支護，先進行正洞上臺階開挖，之后及時對正洞上臺階進行初期支護，再對正洞下臺階進行開挖，左、右洞采取相同的施工步序，兩洞在縱向上距離為30 m。開挖模擬完成后的垂直位移云圖、水平位移云圖、最大主應力云圖和塑性區(qū)分布如圖6～圖8。

圖6 開挖完成后地表位移云圖(單位：m)Fig. 6 Nephogram of surface displacement after excavation

圖7 開挖完成后最大主應力云圖(單位：Pa)Fig. 7 Nephogram of maximum principal stress after excavation

圖8 開挖完成后圍巖塑性區(qū)分布Fig. 8 Distribution of surrounding rock plastic zone after excavation

由圖6(a)可看出：在隧道開挖貫通之后，地表沉降量值分布范圍為0.1～2.3 cm，受下穿隧道開挖影響，地表沉降量值在中間區(qū)域最大并向兩側遞減，其中古炮臺位于地表沉降變形最大區(qū)域，炮臺的最大沉降量值達到了2.1 cm。從圖6(b)可知：隧道開挖完成后引起的地表水平位移量很小，約為0.12～1.30 cm，地表水平位移表現(xiàn)出中部小，周圍大的特點，其中古炮臺的最大水平位移約0.3 cm，可見古炮臺變形以沉降變形為主。

由圖7可知：當隧道開挖完成后，古炮臺頂部主要承受拉應力、下部承受壓應力，其中炮臺頂部的最大拉應力約為0.16 MPa，底部的最大壓應力約0.38 MPa。

由圖8可知：古炮臺未有塑性區(qū)出現(xiàn)，可見是發(fā)生的彈性變形。因此筆者根據(jù)隧道開挖完成后古炮臺的沉降變形、水平變形、最大主應力和塑性區(qū)分布來看，可認為該隧道的支護設計參數(shù)和下穿施工方案合理可行，隧道的開挖不會讓古炮臺產(chǎn)生過大的變形從而造成其災難性損壞。筆者建議在實際施工中應加強監(jiān)控量測，古炮臺最大沉降量值以2 cm為控制標準。

4 結 論

筆者通過對大跨度連拱隧道下穿古建筑物的數(shù)值模擬，可得出以下結論：

1)在隧道施工過程中，中導洞開挖跨度和開挖斷面均較小，因此其自成拱的能力和掌子面的自穩(wěn)能力均較強，中導洞開挖對地表擾動很小，中導洞施工過程對古建筑物影響極小。

2)隧道正洞的開挖貫通主要對古炮臺沉降變形影響較大、水平變形影響較小，開挖引起的地表沉降變形規(guī)律為中部區(qū)域最大，并向周圍遞減；地表水平變形規(guī)律為中部最小，周圍區(qū)域較大。

3)該隧道工程采用的支護設計參數(shù)及施工方案對地表沉降控制效果較好，隧道下穿造成的古炮臺最大沉降量約為2.1 cm，水平變形量約為0.3 cm，古炮臺未有塑性區(qū)出現(xiàn)，整體處于彈性變形，隧道施工下穿不會對古建筑物產(chǎn)生嚴重損壞。