隧道開挖對(duì)周邊建筑的沉降影響分析

摘 要：【目的】陜西某隧道在建筑密集區(qū)進(jìn)行施工時(shí)，為了確保隧道施工的安全進(jìn)行，保障周邊建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對(duì)隧道開挖支護(hù)內(nèi)力及對(duì)周邊建筑的沉降影響進(jìn)行分析?！痉椒ā坎捎酶綦x樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)的施工方案，建立數(shù)值模型，對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬分析。模擬時(shí)充分考慮地質(zhì)條件、建筑分布、隧道結(jié)構(gòu)等因素，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性?！窘Y(jié)果】數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用隔離樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)的施工方案，能夠有效控制隧道開挖過程中拱腳部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)，該方案對(duì)周邊建筑的傾斜沉降影響較小，滿足規(guī)范要求?！窘Y(jié)論】本研究證明了在隧道施工中，采用隔離樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)的施工方案是可行的，能夠有效降低隧道開挖對(duì)周邊建筑的影響。研究結(jié)果對(duì)于類似工程具有一定的參考價(jià)值，對(duì)于保障隧道施工安全及周邊建筑穩(wěn)定性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：隧道開挖；周邊建筑；隔離樁；花管樁；支護(hù)

中圖分類號(hào)：U455" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）20-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.014

Analysis of the Settlement Impact of Tunnel Excavation on Surrounding Buildings

Abstract：[Purposes] To ensure the safe construction of a tunnel in a densely built-up area in Shaanxi Province and safeguard the stability of surrounding building structures， it is necessary to analyze the internal force of tunnel excavation support and the settlement impact on the surrounding buildings. [Methods] This paper adopts a construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support， and establishes a numerical model to simulate and analyze the tunnel excavation process. During the simulation， geological conditions， building distribution， tunnel structure， and other factors are fully considered to ensure the accuracy and reliability of the simulation results. [Findings] The numerical simulation results show that the construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support can effectively control the stress concentration phenomenon at the arch foot during tunnel excavation， thereby ensuring the safety of the tunnel support structure. Meanwhile， this scheme has a minor impact on the tilt and settlement of surrounding buildings， meeting the regulatory requirements. [Conclusions] This study proves that the construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support is feasible in tunnel construction， effectively reducing the impact of tunnel excavation on surrounding buildings. The research results have certain reference value for similar projects and are of great significance in ensuring the safety of tunnel construction and the stability of surrounding buildings.

Keywords： tunnel excavation; surrounding buildings; isolation piles; flower pipe piles; support

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和交通需求的不斷增長(zhǎng)，地鐵和隧道建設(shè)在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。然而，這些大型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不可避免地會(huì)對(duì)周邊環(huán)境，尤其是周邊的建筑物產(chǎn)生一定的影響。近年來，眾多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法，對(duì)地鐵和隧道施工對(duì)周邊建筑的影響進(jìn)行了廣泛的研究。任杰［1］通過對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道始發(fā)端近距離側(cè)穿老舊建筑沉降控制措施進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在隧道施工過程中采取合理的盾構(gòu)機(jī)操作、地層加固技術(shù)及監(jiān)測(cè)反饋機(jī)制，能夠有效控制老舊建筑的沉降變形，確保施工安全和鄰近建筑的穩(wěn)定。陳仁朋等［2］針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿引起的砌體結(jié)構(gòu)建筑沉降損傷進(jìn)行了實(shí)例研究，結(jié)果揭示了隧道施工對(duì)建筑物沉降和損傷的影響機(jī)制，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施和修復(fù)建議。戴軒等［3］在盾構(gòu)隧道平行側(cè)穿誘發(fā)的建筑縱向沉降實(shí)測(cè)與模擬分析中發(fā)現(xiàn)，隧道施工對(duì)鄰近建筑的縱向沉降具有顯著影響，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，為沉降控制提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。王波等［4］以京張高鐵懷來段某隧道為例，研究了隧道爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑的影響，結(jié)果表明爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)地表建筑產(chǎn)生不同程度的損傷，需要采取相應(yīng)的減振措施來降低影響。趙寶珠［5］通過對(duì)淺埋大斷面隧道下穿建筑地表沉降控制與微爆技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在隧道下穿建筑物時(shí)，通過采用微爆技術(shù)并合理設(shè)計(jì)施工方案，可以有效地控制地表沉降。張震［6］在地鐵隧道爆破建筑結(jié)構(gòu)樁體動(dòng)力效應(yīng)研究中，通過數(shù)值模擬和理論分析，探討了隧道爆破對(duì)建筑結(jié)構(gòu)樁體的動(dòng)力影響。結(jié)果表明，隧道爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波會(huì)對(duì)樁體產(chǎn)生一定的動(dòng)力效應(yīng)，包括樁體的位移、應(yīng)力和加速度等。王義春［7］針對(duì)昔格達(dá)地層中大斷面隧道下穿既有建筑施工技術(shù)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，在昔格達(dá)地層中施工大斷面隧道時(shí)，需要采取特殊的地質(zhì)處理措施和施工技術(shù)，以確保隧道的穩(wěn)定性和鄰近建筑的安全。張彥輝等［8］通過建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模擬了隧道爆破過程中地表高層建筑的動(dòng)力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，隧道爆破施工會(huì)對(duì)地表高層建筑產(chǎn)生一定的影響，包括建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、變形和損傷等。蔡義［9］通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探討了隧道施工對(duì)含空洞地層的變形和破壞機(jī)制，結(jié)果表明，隧道施工會(huì)引起空洞地層的應(yīng)力重分布和變形，進(jìn)而可能導(dǎo)致地層的破壞和失穩(wěn)。龐星［10］通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，探討了盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物的擾動(dòng)效應(yīng)。研究結(jié)果表明，盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生一定的擾動(dòng)影響，包括建筑物的沉降、傾斜和裂縫等。

以上研究均基于單一的施工方案，且沒有對(duì)襯砌支護(hù)的內(nèi)力進(jìn)行研究，本研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)原CD法施工進(jìn)行調(diào)整，并確定隔離樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)的方案作為最終施工方法，并進(jìn)行了支護(hù)內(nèi)力分析。

1 工法對(duì)比分析

1.1 工程概況

該工程隧道右線1 230 m，左線1 252 m；在建隧道兩側(cè)分別有擬建的6層宿舍樓和3層的施工辦公樓，另外方向有已建成的6層民用建筑和2層氣象局辦公樓。

根據(jù)野外鉆探及現(xiàn)場(chǎng)鑒定結(jié)果，該區(qū)域地層如下：①層素填土（Q4ml）：厚度為2.50～11.50 m，平均8.03 m；層底標(biāo)高為51.80～61.30 m，平均55.34 m；層底埋深：2.50～11.50 m，平均8.03 m。②層粉質(zhì)黏土（Q4dl）：厚度為5.80 m，層底相對(duì)標(biāo)高為55.50 m，層底埋深為8.30 m。③層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖：該層場(chǎng)區(qū)普遍分布，最大揭露厚度為6.70 m。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)分別為補(bǔ)測(cè)3-3剖面，地層主要由兩種巖土組成，分別為①層為素填土和③層為強(qiáng)風(fēng)化云母片巖。

1.2 原設(shè)計(jì)方案與調(diào)整后設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

原設(shè)計(jì)方案Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段及Ⅴ級(jí)加強(qiáng)段均采用 CD 法開挖；Ⅴ級(jí)深埋圍巖采用留核心土臺(tái)階法開挖，CD法左右側(cè)導(dǎo)洞內(nèi)采用三臺(tái)階法開挖。IV 級(jí)圍巖采用三臺(tái)階分部開挖，IV 級(jí)圍巖緊急停車帶采用 CD 法開挖。小凈距段進(jìn)口現(xiàn)行洞室采用 CD 法，后行洞室采用 CRD 法。出口現(xiàn)行和后行洞室均采用 CRD 法施工。

本研究結(jié)合新的地質(zhì)勘測(cè)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)施工工法進(jìn)行調(diào)整，由原來的CD法修改為三臺(tái)階管樁法，有利于施工作業(yè)面的展開，從而加快施工進(jìn)度。采用微型樁鎖腳的設(shè)計(jì)方案在一定程度上屬于一種新的設(shè)計(jì)理念，支護(hù)可靠，故最終確定采用隔離樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)的施工方案。

2 模型構(gòu)建

2.1 計(jì)算方法的選取

在地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法兩大主流計(jì)算方法。荷載結(jié)構(gòu)法簡(jiǎn)便快捷，但因其獨(dú)立考慮圍巖與襯砌，未能全面反映二者間的相互作用，計(jì)算結(jié)果偏于保守。而地層結(jié)構(gòu)法則通過彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，將圍巖與結(jié)構(gòu)視作統(tǒng)一的受力體系，能夠全面考慮幾何形狀、材料非線性、三維空間效應(yīng)及地質(zhì)不連續(xù)面等因素，因此，本計(jì)算優(yōu)選地層結(jié)構(gòu)法，以確保設(shè)計(jì)更符合工程實(shí)際和安全性要求。

2.2 邊界條件和初始地應(yīng)力場(chǎng)

該模型采用的位移邊界條件如圖1所示。模型水平方向左右各取5倍洞徑，向下取3倍洞徑；土體采用摩爾-庫(kù)倫屈服條件，初級(jí)支護(hù)的噴射混凝土和鋼拱架均按梁?jiǎn)卧M。

為了確定力的邊界條件，必須首先確定巖體內(nèi)的初始應(yīng)力場(chǎng)。常用的方法是根據(jù)自重應(yīng)力場(chǎng)及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，確定比較符合計(jì)算區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)的力邊界條件，并利用部分量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修正。自重應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)是垂直及水平方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向，主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其大小與深度有關(guān)，而與水平位置及時(shí)間無關(guān)。根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，簡(jiǎn)化后認(rèn)為垂直地應(yīng)力由巖體的自重產(chǎn)生，而水平的地應(yīng)力則與同深度的垂直地應(yīng)力呈倍數(shù)（側(cè)壓系數(shù)）關(guān)系。

在有限元計(jì)算中，邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。實(shí)踐和理論分析表明，由于荷載釋放而引起的洞室周圍介質(zhì)的應(yīng)力和位移變化，在5倍洞徑范圍之外小于1%，在3倍洞徑之外約小于5%。因此，依據(jù)工程的具體要求和有限元法的離散誤差，本計(jì)算模型的邊界范圍是水平方向左、右兩邊和隧道上方都取洞徑的5倍；隧道下方取洞徑的3倍。

計(jì)算時(shí)施加的邊界條件為兩側(cè)邊界約束水平方向位移，底部邊界約束豎向位移。計(jì)算模型設(shè)定：①所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的；②圍巖采用符合莫爾-庫(kù)倫屈服條件的材料模擬，噴射混凝土、鋼架采用梁?jiǎn)卧M；③采用二維平面應(yīng)變計(jì)算模型。

2.3 模擬參數(shù)確定

圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚28 cm?；炷廖锢韰?shù)見表2，初級(jí)支護(hù)拱架采用工22b型鋼拱架，縱向間距65 cm。型鋼力學(xué)參數(shù)見表3。初級(jí)支護(hù)錨桿參數(shù)為φ42 mm中空注漿，L=4 m，間距100 cm×100 cm；雙層超前注漿采用φ42 mm小導(dǎo)管：L=4 m，環(huán)向間距40 cm。錨桿和超前導(dǎo)管注漿區(qū)域?qū)鷰r有加固作用，本計(jì)算擬提高此區(qū)域的巖土物理參數(shù)來模擬錨桿的作用；隔離柱采用φ800 mm灌注樁，樁長(zhǎng)18 m，樁間距0.8 m×1.2 m，橫截面面積A=0.502 4 m2，慣性矩I=0.020 096 m4，彈性模量E=31.5 GPa。注漿小導(dǎo)管直徑89 mm，管長(zhǎng)25 m，間距1.2 m×1.2 m。

3 結(jié)果分析

3.1 在建隧道與在建建筑工況分析

本研究取k1+485斷面進(jìn)行計(jì)算。隧道兩側(cè)分別有6層的擬建宿舍樓和3層的施工辦公樓。在樓層自重作用基礎(chǔ)上，每層自重按15 kPa取值。塔吊基礎(chǔ)承擔(dān)荷載為300 kN。計(jì)算模型如圖2所示。

3.1.1 宿舍樓封頂先于隧道穿越，作為工況1。

①位移及應(yīng)力分析。位移云圖如圖3所示，豎向應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖可知，隧道開挖引起的位移絕大部分都發(fā)生在隔離樁范圍之內(nèi)，說明隔離樁發(fā)揮了很好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對(duì)周邊建筑的影響。

3.1.2 宿舍樓封頂后于隧道穿越，作為工況2。

①位移及應(yīng)力分析。位移云圖如圖7所示，豎向應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可知，隧道開挖引起的位移絕大部分都發(fā)生在隔離樁范圍之內(nèi)，并且豎向應(yīng)力均較小，說明隔離樁發(fā)揮了較好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對(duì)周邊建筑的影響。

支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用的混凝土截面尺寸為0.65 m（寬）×0.28 m（高）。支護(hù)內(nèi)力如圖10所示，結(jié)果顯示支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.2 在建隧道與已建建筑工況分析

3.2.1 取k1+580斷面進(jìn)行計(jì)算。隧道兩側(cè)分別有6層的民用建筑和2層的氣象局辦公樓。在樓層自重作用基礎(chǔ)上，每層自重按15 kPa取值，計(jì)算模型如圖11所示。位移云圖和豎向應(yīng)力云圖如圖12所示，豎向應(yīng)力云圖如圖13所示。從位移云圖可以看出，隧道開挖引起的位移絕大部分都發(fā)生在隔離樁范圍之內(nèi)，說明隔離樁發(fā)揮了很好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對(duì)周邊建筑的影響。

支護(hù)內(nèi)力如圖15所示。分析采用的混凝土截面尺寸為0.65 m（寬）×0.28 m（高）。結(jié)果顯示支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)調(diào)整后工法（隔離樁+花管樁+加強(qiáng)初期支護(hù)）進(jìn)行施工，并分析周邊建筑的沉降影響及隧道支護(hù)內(nèi)力，得出以下結(jié)論。

①數(shù)值模擬結(jié)果顯示，調(diào)整后的工法能夠顯著降低隧道開挖對(duì)周邊建筑（包括在建宿舍樓和已建辦公樓）的影響。無論是宿舍樓封頂先于隧道穿越還是后于隧道穿越的工況，調(diào)整后的工法都能有效保證周邊建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

②調(diào)整后的工法在隧道開挖過程中能夠有效減少拱腳部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

③隧道二襯施作時(shí)機(jī)必須按設(shè)計(jì)文件要求嚴(yán)格執(zhí)行，隧道圍巖開挖后由于時(shí)空效應(yīng)會(huì)引起巖體應(yīng)力調(diào)整，防止二次支護(hù)不及時(shí)而引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和過大沉降。

④隧道開挖時(shí)，地質(zhì)具有隱蔽性、復(fù)雜性和不可預(yù)見性等特征。由于工程地質(zhì)勘察手段的局限性，現(xiàn)有地質(zhì)資料不可能完全準(zhǔn)確反映實(shí)際地質(zhì)情況，數(shù)值模擬與實(shí)際情況有些許偏差。

參考文獻(xiàn)：

［1］任杰.地鐵盾構(gòu)隧道始發(fā)端近距離側(cè)穿老舊建筑沉降控制措施［J］.鐵道勘察，2021，47（2）：134-139.

［2］陳仁朋，曾巍，吳懷娜，等.盾構(gòu)隧道下穿引起砌體結(jié)構(gòu)建筑沉降損傷實(shí)例研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（12）：2301-2307.

［3］戴軒，郭旺，程雪松，等.盾構(gòu)隧道平行側(cè)穿誘發(fā)的建筑縱向沉降實(shí)測(cè)與模擬分析［J］.巖土力學(xué)，2021，42（1）：233-244.

［4］王波，郭迅，郭嘉源，等.隧道爆破振動(dòng)對(duì)地表建筑的影響：以京張高鐵懷來段某隧道為例［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（25）：10452-10458.

［5］趙寶珠.淺埋大斷面隧道下穿建筑地表沉降控制與微爆研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2020（8）：133-136，161.

［6］張震.地鐵隧道爆破建筑結(jié)構(gòu)樁體動(dòng)力效應(yīng)研究［D］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2020.

［7］王義春.昔格達(dá)地層大斷面隧道下穿既有建筑施工技術(shù)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2020（6）：128-131，136.

［8］張彥輝，明華軍.基于Midas/GTS的公路隧道爆破施工對(duì)地表高層建筑影響的研究［J］.公路工程，2019，44（6）：171-176.

［9］蔡義.城市隧道施工影響下含空洞地層的變形與破壞研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2020.

［10］龐星.太原地鐵隧道近接建筑物盾構(gòu)施工擾動(dòng)效應(yīng)及控制措施研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2019.