隧道下穿文保建筑施工環(huán)境響應(yīng)預(yù)測與分析

孫銀娟， 劉波

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第一地質(zhì)大隊，南京 210041；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

近些年，隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，地下隧道臨近或穿越既有建筑物施工的案例大量涌現(xiàn)。隧道施工不可避免地會對周圍巖土體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而引起地表建筑物不均勻沉降及上部結(jié)構(gòu)附加變形，甚至導(dǎo)致建筑物開裂、破壞、倒塌。當(dāng)?shù)乇斫Y(jié)構(gòu)為文物保護(hù)建筑時，則對隧道施工環(huán)境效應(yīng)提出了更加嚴(yán)格的要求，需要在施工前進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測并提出保護(hù)措施。

相關(guān)學(xué)者針對隧道穿越地表建筑這一問題進(jìn)行了相關(guān)研究，得到了一些有益的結(jié)論。例如張振等[1]采用顯式動力分析軟件LS-DYNA研究了硬巖地區(qū)地鐵隧道爆破開挖對地表建筑的影響，得出了爆破震動在巖層中的傳播規(guī)律和動態(tài)響應(yīng)，針對采用的減震措施，評價了減震效果。張登雨等[2]、吳昌將等[3]以上海軟弱地層中地鐵11號線側(cè)穿徐匯天主教堂工程為例，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場實測的方法研究了盾構(gòu)掘進(jìn)施工對教堂的影響，評價了新型的MJS工法樁的加固效果。朱正國等[4]依托榮烏高速黃土嶺淺埋偏壓連拱隧道下穿古長城工程，采用數(shù)值模擬方法分析了施工過程中隧道受力和變形，選出了最合理施工方案，提出了隧道下穿古城墻施工時沉降及爆破振速控制標(biāo)準(zhǔn)。朱利明等[5，6]以南京地鐵4號線側(cè)穿鼓樓為背景，通過ANSYS有限元模擬與現(xiàn)場監(jiān)測驗證，分析了不同工況下爆破振動對南京鼓樓的影響，從降低振動角度給出了爆破藥量和進(jìn)尺建議值。賴金星等[7]以西安地鐵4號線側(cè)穿西安大雁塔文保建筑為背景，采用有限元分析軟件MIDAS建模研究了盾構(gòu)施工對大雁塔的影響，定量評價了隔離樁對減小施工環(huán)境響應(yīng)的控制效果。王文斌等[8]、張承客等[9]采用數(shù)值模擬方法研究了有、無隔離樁條件下西安地鐵2號線側(cè)穿鐘樓盾構(gòu)施工引起的環(huán)境響應(yīng)，驗證了隔離樁的有效性。馬蒙等[10，11]研究了西安地鐵2號線和6號線隧道運營期內(nèi)列車振動對臨近鐘樓的影響，評價了浮置板軌道和隔離樁兩種減震措施的有效性。這些研究成果極大提高了隧道穿越文保建筑施工的理論和技術(shù)水平。然而，上述案例中，文保建筑一般坐落于水平人工填土、雜填土或軟黏土地基中，且隧道多采用鉆爆法施工，目前關(guān)于隧道下穿濕陷性黃土邊坡上文保建筑的案例還比較少見。

文中以蘭州白塔山雙線隧道下穿濕陷性黃土邊坡上文保建筑為工程背景，采用數(shù)值模擬方法研究隧道施工順序、施工階段對文保建筑沉降、水平位移、傾斜等影響規(guī)律，從降低對文保建筑影響角度出發(fā)給出優(yōu)化施工方案和變形控制措施，以期為保障文保建筑安全提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 白塔山隧道工程

為提升蘭州白塔山片區(qū)商業(yè)、旅游及休閑功能，緩解北濱河路黃河鐵橋（中山橋）東西兩側(cè)交通瓶頸，擬建造南、北兩條隧道從白塔山景區(qū)下部穿過。白塔山上現(xiàn)存的古建筑群為甘肅省省級文物保護(hù)單位，該建筑群始建于元代，經(jīng)明、清兩代修葺擴(kuò)建，最終形成了現(xiàn)存的規(guī)模和布局。建筑群根據(jù)白塔山地形分為一臺、二臺、三臺和山脊頂端的白塔寺4組，共16座單體建筑或獨立院落。

根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定，涉及文物保護(hù)單位保護(hù)范圍和建設(shè)控制地帶的建設(shè)項目，必須保證文物保護(hù)單位的安全、不得破壞文物保護(hù)單位的歷史風(fēng)貌、不得建設(shè)污染文物保護(hù)單位及其環(huán)境的設(shè)施等，以確保白塔山建筑群本體安全和環(huán)境風(fēng)貌和諧。

1.2 工程地質(zhì)條件

施工區(qū)地貌單元屬黃河北岸侵蝕-剝蝕堆積的黃土丘陵地貌，分布有黃河北岸Ⅲ～Ⅳ級階地，地勢西北高東南低，自西北向東南逐漸傾斜，沿線地面最高與最低海拔相對高差129.7m。文保建筑群根據(jù)白塔山的山體呈多級臺階狀分布于各級平臺之上，呈現(xiàn)錯臺分布。

山體上部為馬蘭黃土，中部為卵礫石，下部為前寒武系變質(zhì)巖。由于上部黃土土質(zhì)疏松，在地表水的侵蝕、沖蝕作用下形成了黃土梁、峁、溝壑等地貌，地形破碎。

1.3 隧道簡介

隧道大致呈東西走向，為分離式雙線隧道，北線隧道起訖里程N(yùn)K0+479.5～NK1+626.975，長1147.475m，南線隧道起訖里程SK0+526.198～SK1+587.799，長1061.601m，單線總長約2209m。隧道為雙向六車道，采用拱形內(nèi)輪廓形式，三車道主線斷面為三心圓型式，如圖2所示。全線隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖。

圖2 隧道斷面尺寸（單位：mm）

隧道洞身采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護(hù)形式單獨或組合使用，二次襯砌采用模筑（鋼筋）混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4 文保建筑

評估的文保建筑為百花亭。百花亭位于白塔山東麓，建筑面積107m2，雙層歇山頂，南北朝向，平面略呈方形，1層柱網(wǎng)3層，中間四柱用通柱。檐柱南北明間做門道，其余各間欄桿圍合，檐下各間施平升科單拱2攢。金柱次間砌墻，北側(cè)開門，內(nèi)置通往2層的樓梯；2層出平座，平座下端砌花墻與1層屋面相接，上方欄桿圍合。百花亭體量較大，結(jié)構(gòu)造型巧妙，保存較為完好，對研究蘭州地方園林建筑具有一定的價值，如圖3所示。

圖3 文保建筑-百花亭實景

2 文保建筑三維激光掃描測繪

為準(zhǔn)確獲取文保建筑結(jié)構(gòu)形式及尺寸，為后續(xù)三維數(shù)值建模提供支撐，對百花亭進(jìn)行三維激光掃描測繪。測繪工作包括：對圖根控制測量、外業(yè)掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。掃描采用LeicaP40掃描儀，測角精度8，測距精度1.2mm+10ppm。經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后得到了建筑三維激光掃描點云。

3 隧道下穿文保建筑數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)地形地貌、地層巖性、隧道設(shè)計施工方案以及百花亭建筑信息等，建立隧道下穿施工對百花亭影響的三維有限元數(shù)值計算模型，如圖4所示。模型X方向取60m，Y方向取150m，Z方向取80m，該尺寸基本可以消除邊界效應(yīng)的影響。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，且在隧道、百花亭周圍進(jìn)行局部加密，以提高研究對象的計算精度。巖土體采用實體單元模擬，根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，劃分為黃土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖和中風(fēng)化片麻巖4層，百花亭基礎(chǔ)坐落于馬蘭黃土地層上，隧道施工位于強(qiáng)風(fēng)化片麻巖地層中，其中南線隧道位于百花亭正下方。

圖5為南線隧道和北線隧道有限元模型。其中，隧道襯砌采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。為了研究隧道動態(tài)施工過程對百花亭的影響，建模時沿隧道走向?qū)⑺淼绖澐譃?0個施工步，每個施工步開挖進(jìn)尺1m。

圖5 隧道三維有限元模型

3.2 模擬參數(shù)

模擬中，巖土體本構(gòu)模型采用基于理想彈塑性準(zhǔn)則的摩爾庫倫模型（MC模型），MC模型有5個參數(shù)，即控制彈性行為的2個參數(shù)：彈性模量E、泊松比v，控制塑性行為的3個參數(shù)：有效粘聚力c、有效內(nèi)摩擦角φ、剪脹角ψ，具體參數(shù)見表1。

表1 巖土體MC模型參數(shù)

模擬中，隧道襯砌、錨桿、百花亭構(gòu)件材料采用線彈性本構(gòu)模型。線彈性本構(gòu)模型有2個控制參數(shù)：彈性模量E、泊松比v，各參數(shù)通過設(shè)計文件和相關(guān)資料獲得見表2。

表2 隧道和文保建筑線彈性模型參數(shù)

3.3 模擬工況

為了研究隧道施工順序?qū)ξ谋＝ㄖ挠绊?，給出優(yōu)化施工順序，制定了3種模擬工況。工況1：南、北線隧道同時施工；工況2：先施工南線后施工北線隧道；工況3：先施工北線后施工南線隧道。

同時，為了研究隧道施工過程對百花亭的影響，沿隧道施工方向分別設(shè)置如下幾個關(guān)鍵階段。階段1：隧道施工至百花亭下邊界前1倍建筑寬度（14m）處；階段2：施工至百花亭下邊界；階段3：施工至百花亭上邊界；階段4：施工至百花亭上邊界后1倍建筑寬度（14m）處，如圖6所示。

圖6 隧道施工過程4個階段示意圖

4 模擬結(jié)果分析

4.1 隧道施工順序?qū)ξ谋＝ㄖ冃蔚挠绊?/h3>

圖7為不同工況條件下隧道施工結(jié)束時百花亭沉降云圖?？梢?，垂直隧道軸線方向，從左向右百花亭基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)沉降逐漸降低。分析原因可能是因為百花亭左側(cè)山體地勢較低，面對臨空面、所受約束較小，因此左側(cè)沉降較大。沿隧道軸線方向，百花亭基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)沉降分布較為均勻。

圖7 不同工況條件下百花亭沉降云圖

工況1時，百花亭最大沉降7.66mm；工況2時，最大沉降7.78mm；工況3時，最大沉降7.46mm?？梢?，隧道施工順序?qū)Π倩ㄍこ两档挠绊懖淮蟆７治鲈蚩赡苁且驗樗淼缆裰糜趲r性較好的片麻巖中，且北線隧道距離百花亭較遠(yuǎn)，因此百花亭響應(yīng)主要受南線隧道控制。綜合隧道施工影響效果和施工進(jìn)度，認(rèn)為南、北線隧道同時施工是可行的。

圖8為不同工況條件下隧道施工結(jié)束時百花亭水平位移云圖。可見，亭身產(chǎn)生了朝向地形較低的臨空面方向的水平位移，且頂面水平位移略大于基礎(chǔ)水平位移，使亭身產(chǎn)生向臨空面一側(cè)的傾斜。

圖8 不同工況條件下百花亭水平位移云圖

工況1時，頂面最大水平位移約10.04mm，基礎(chǔ)最小水平位移約4.24mm，兩者相對位移5.8mm，由于百花亭高約10m，因此傾斜率為5.8×10-4；工況2時，頂面最大水平位移約為10.14mm，基礎(chǔ)最小水平位移約4.31mm，兩者相對位移5.83mm，傾斜率為5.83×10-4；工況3時，頂面最大水平位移約為9.85mm，基礎(chǔ)最小水平位移約4.22mm，兩者相對位移5.63mm，傾斜率為5.63×10-4。與前述結(jié)論一致，隧道施工順序?qū)Π倩ㄍに轿灰坪蛢A斜的影響不大。

4.2 隧道施工階段對文保建筑變形的影響

由以上分析可知，隧道施工順序?qū)Π倩ㄍぷ冃蔚挠绊懞苄　Ｒ虼?，下面以工況1：南、北線隧道同時施工為例，研究隧道穿越施工過程對百花亭變形的影響。

圖9為隧道不同施工階段時百花亭沉降云圖。可見，隨著隧道向前施工，百花亭沉降范圍和大小也隨之不斷增大。階段1時百花亭最大沉降1.30mm，占總沉降的16.97%；階段2時，百花亭最大沉降3.85mm，約占總沉降的50.26%，較第1階段增長了33.29%；階段3時，百花亭最大沉降6.24mm，約占總沉降的81.46%，較第2階段增長了31.2%；階段4時，百花亭最大沉降6.72mm，約占總沉降的87.73%，較第3階段增長了6.27%。從階段1～階段4，百花亭沉降增加了70.76%。由此可知，百花亭沉降主要由距百花亭上下邊界各1倍建筑寬度范圍內(nèi)的隧道施工所引起，隧道在此范圍外施工引起的建筑沉降占總沉降的比例很小。

圖9 不同施工階段百花亭沉降云圖

圖10為隧道不同施工階段時百花亭水平位移云圖。可見，階段1時百花亭傾斜5.04×10-4，約占總傾斜的86.9%；階段2時，百花亭傾斜5.28×10-4，約占總傾斜的91.03%，較第1階段增長了4.13%；階段3時，百花亭傾斜5.91×10-4，約占總傾斜的101.90%，較第2階段增長了10.87%；階段4時，百花亭傾斜5.9×10-4，與第3階段一致。從階段1～階段4，百花亭傾斜僅增加了15%。由此可知，盡管隧道施工對百花亭傾斜的影響在隧道穿越階段增長較快，但從總量上講隧道施工對其影響不大。由于百花亭地處白塔山山坡臺階上，模擬過程中邊坡產(chǎn)生向臨空面的滑移，因此百花亭水平位移和傾斜主要受邊坡位移控制而受隧道施工影響較小。因此，建議減少因地面花木噴灌而引起的黃土地基濕陷、滑塌，必要時采取邊坡支擋、加固措施。

5 結(jié)語

（1）隧道施工順序?qū)Π倩ㄍこ两?、水平位移、傾斜的影響不大，綜合隧道施工影響效果和施工進(jìn)度，認(rèn)為南、北線隧道同時施工是可行的。

（2）百花亭沉降受隧道下穿施工影響較大，主要由距百花亭上下邊界各1倍建筑寬度范圍內(nèi)的隧道施工所引起，隧道在此范圍外施工引起的建筑沉降占總沉降的比例很小。

（3）百花亭水平位移和傾斜受隧道下穿施工影響很小，主要受白塔山山體邊坡位移控制，建議減小因地面花木噴灌引起的地基濕陷、滑塌，必要時采取邊坡支擋、加固措施。