小凈距雙線隧道側(cè)穿鄰近建筑物施工安全分析

■王仕杰

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004）

近年來， 隧道下穿周邊建筑物的工程不斷增多。 隧道開挖過程中不可避免會引起地層擾動變形，導(dǎo)致建筑物沉降變形產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而產(chǎn)生不利影響。 嚴(yán)重時會導(dǎo)致建筑物破壞、隧道坍塌等工程事故，造成經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)甚至生命財產(chǎn)損失。 因此，采用合理的施工方法，確保施工過程中的安全穩(wěn)定性具有重大意義。

目前，關(guān)于隧道下穿建筑物方面已經(jīng)做了大量的研究工作，主要為經(jīng)驗(yàn)法、理論分析法、模型試驗(yàn)法與數(shù)值模擬法[1]。 江帥等[2]基于Peck 經(jīng)驗(yàn)公式，引入縱向開挖度系數(shù)對隧道開挖引起的地表沉降預(yù)測模型進(jìn)行了優(yōu)化。 馬險峰等[3]采用離心機(jī)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究軟體地區(qū)頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物的影響。 馮敬輝等[4]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測的方法，研究了CRD 法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道對周邊環(huán)境的影響。 周智等[5]采用數(shù)值模擬的方法，分析了隧道垂直下穿建筑物時建筑物的沉降分布曲線，雙線隧道相比單線隧道下穿建筑物的工況更為復(fù)雜，也更易導(dǎo)致建筑物的破壞。 劉紀(jì)峰等[6]對隧道開挖沿線上的建筑物墻體開裂問題進(jìn)行了研究，并采用信息化施工方法對超近距雙線隧道旁穿建筑物的風(fēng)險進(jìn)行控制[7]。龐峰[8]使用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對青島地鐵三號線下穿建筑物時，建筑物沉降變形的一般規(guī)律進(jìn)行了研究。 但目前多是關(guān)于采用盾構(gòu)施工方法下穿建筑物的研究，對于小凈距雙線隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿鄰近建筑物的研究較少。

因此，以貴安隧道為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，分析小凈距雙線隧道側(cè)穿鄰近建筑物和電塔過程中隧道、電塔和建筑物的位移變形規(guī)律，進(jìn)一步確定能否采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與長短洞開挖順序安全順利的完成施工，對類似工程的研究與施工具備借鑒意義。

1 工程概況

貴安隧道位于福州城區(qū)與周溪村區(qū)間內(nèi)，左洞起訖樁號為ZK3+865～ZK4+785，全長920 m。 右洞起訖樁號為YK3+893～YK4+799，全長906 m。 建筑物位于隧道左洞進(jìn)口左側(cè)100 m 處，建筑物與隧道位于同一水平高度。電塔位于隧道左線ZK3+910 左側(cè)28 m 處，電塔基礎(chǔ)較隧道軸線高30 m。 位置關(guān)系見圖1。

圖1 工程位置關(guān)系

隧道穿越土層為中風(fēng)化溶解凝灰?guī)r， 巖體破碎，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，為Ⅴ級圍巖，隧洞穩(wěn)定性差，特別是拱部，無支護(hù)易坍塌。 最上方土層主要為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化溶解凝灰?guī)r，呈碎、裂狀松散結(jié)構(gòu)，易坍塌。 隧道下方土層為微風(fēng)化溶解凝灰?guī)r，局部小節(jié)理裂隙帶發(fā)育。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS/GTS 軟件建立模型， 模型主要包含3 層土，自上而下分別為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化溶解凝灰?guī)r、中風(fēng)化溶解凝灰?guī)r和微風(fēng)化溶解凝灰?guī)r，各層深度分別為：15、15、23 m。 隧道埋深20 m，隧道雙線距離20 m，隧道寬14.85 m，高7.75 m。 建筑物的尺寸為40 m×20 m×45 m（長×寬×高）。電塔的尺寸為12 m×12 m×30 m（長×寬×高）。有限元模型見圖2。土層、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑物、電塔的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

圖2 三維有限元模型

土層以三維實(shí)體單元模擬，樓板、噴射混凝土與襯砌以板單元模擬， 錨桿以植入式梁單元模擬。建筑物結(jié)構(gòu)、電塔結(jié)構(gòu)以一維梁單元模擬。

2.2 施工模擬

雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖順序見圖3。 6 個開挖部分依次完成開挖、初期支護(hù)后拆除臨時支架并施作襯砌為1 個循環(huán)步驟。 雙線隧道采取長短洞開挖順序，右洞較左洞超前開挖50 m。 模擬的完整施工階段內(nèi)容見表2，其中重要施工階段見圖4。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖順序

圖4 重要施工階段

表2 施工階段內(nèi)容

3 計算結(jié)果及分析

3.1 圍巖穩(wěn)定性分析

由圖5 可知，整個施工階段過程中隧道圍巖的最大沉降值為5.2 mm， 發(fā)生在右線隧道拱頂處位置。 整個施工階段過程中隧道圍巖的最大隆起值為1 mm，發(fā)生在右線隧道底板處位置。

圖5 圍巖最大豎向位移時態(tài)曲線圖

隨著右線第1 循環(huán)步驟中開挖的進(jìn)行，圍巖豎向最大位移值迅速增加，S7 階段開始施作襯砌后，豎向最大位移值增長速率開始下降，致使右線隧道開挖50 m 階段內(nèi)豎向位移值緩慢增長，左線開始開挖直至施工完成階段，隧道圍巖豎向最大位移值趨于穩(wěn)定。 右線隧道單獨(dú)開挖階段上方地層豎向位移呈V 型分布，左線隧道開挖后上方地層豎向位移呈W 型分布。

圍巖最大水平位移值在施工完成階段達(dá)到最大，見圖6。右側(cè)方向的最大水平位移值發(fā)生在左線隧道上方圍巖，為1.29 mm。左側(cè)方向的最大水平位移值發(fā)生在右線隧道上方圍巖，為1.28 mm。

圖6 施工完成階段圍巖水平位移云圖

綜上所述， 采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖雙線隧道，開挖后及時施作初期支護(hù)臨時支架，1 個開挖循環(huán)完成后及時施作二次襯砌的施工方法時，整個施工階段過程中圍巖的穩(wěn)定性較好， 未出現(xiàn)大變形、坍塌等情況。

3.2 建筑物沉降分析

根據(jù)GB50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，此建筑物的最大沉降量不得超過200 mm， 其整體傾斜的最大值不得超過0.003，見表3。

由圖7 可知，隨施工步驟的進(jìn)行，建筑物豎向最大位移值大致呈不斷增加趨勢。 在左線隧道未進(jìn)行開挖時，豎向最大位移值增長較為緩慢，隨著左線隧道的開挖施工，建筑物最大豎向位移值呈增長趨勢，在施工結(jié)束階段達(dá)到最大。 由于建筑物與隧道間距離較大， 豎向位移值較小。 最大沉降值為0.000 12 mm，最大隆起值為0.000 63 mm。 故建筑物豎向位移值及整體傾斜滿足規(guī)范要求。

圖7 建筑物豎向最大位移時態(tài)曲線圖

3.3 電塔沉降分析

由圖8 可知，越靠近左線隧道的電塔基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的豎向沉降值越大。 電塔豎向沉降最大值為0.41 mm，位于電塔基礎(chǔ)最右側(cè)，滿足沉降值規(guī)范要求。

圖8 施工完成階段電塔豎向位移云圖

為進(jìn)一步分析其沉降變形規(guī)律，選取電塔底部4 個點(diǎn)為研究對象（圖9），做其位移時態(tài)曲線（圖10）。從圖10 可知， 相比而言右線隧道開挖對電塔豎向沉降值的影響較小，約占整個比重的30%。 而隨著左線施工，電塔降值迅速增大，尤其是距離左線隧道較近的測點(diǎn)C 和測點(diǎn)D。 左線隧道施工完成后電塔豎向沉降值達(dá)到最大，其中D 點(diǎn)為0.33 mm，C 點(diǎn)為0.31 mm，B 點(diǎn)為0.04 mm，A 點(diǎn)為0.06 mm。 故最大差異沉降值為0.27 mm，整體傾斜為0.27/12000=0.000 022 5，滿足規(guī)范要求。

圖10 電塔底部測點(diǎn)豎向沉降時態(tài)曲線圖

4 結(jié)論

通過建立有限元數(shù)值模型分析貴安隧道側(cè)穿鄰近電塔與建筑物工況下隧道、建筑物與電塔的安全性，可得出如下結(jié)論：（1）采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法長短洞順序開挖時，整個施工階段過程中隧道及周邊圍巖變形在合理范圍內(nèi)，是穩(wěn)定和安全的。 第1 個開挖循環(huán)結(jié)束施作襯砌后使圍巖豎向變形得到顯著控制，圍巖最大豎向變形值發(fā)生在施工完成后右線隧道拱頂和底板處。 （2）隧道開挖對建筑物的影響較小，建筑物豎向變形值與整體傾斜均滿足規(guī)范要求。 （3）隧道右線開挖對電塔豎向沉降值的影響較小，約占總豎向位移的30%。 最大沉降值發(fā)生在左線隧道土體全部開挖后，且小于規(guī)范值。 電塔整體向左線隧道方向傾斜且滿足規(guī)范要求。