關 永 平

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

隧道開挖對周邊建筑物變形的影響分析

關 永 平

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

以哈爾濱地鐵某區(qū)間隧道為工程背景，采用有限元軟件建立近接既有建筑物隧道施工的二維模型，研究不同隧道與建筑物水平間距、建筑物基礎埋深以及土層參數(shù)等關鍵參數(shù)對建筑物變形的響應規(guī)律。從建筑物基礎總體沉降和首尾沉降差分布兩個角度分析，根據不同參數(shù)對于隧道開挖引起建筑物變形響應的規(guī)律，優(yōu)化施工中隧道施工方案，保證地鐵暗挖區(qū)間隧道在施工過程中的安全性、穩(wěn)定性。

隧道施工；建筑物變形；數(shù)值模擬；相互作用

隨著人口大量涌入城市，交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴重，而開發(fā)地下空間是解決這一現(xiàn)象的有效途徑之一[1-3]。隨著隧道施工的逐漸增多，逐漸出現(xiàn)隧道下穿鄰近既有建筑的現(xiàn)場，而隧道的施工過程中勢必對建筑物的變形造成影響[4-5]。近年來，隧道開挖對周邊建筑物變形的影響引起一些學者展開了一系列研究。

張頂立等[6]通過研究廈門機場路隧道下穿地表復雜建筑群，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值分析以及理論計算的方法，揭示了下穿隧道施工對建筑物的變形規(guī)律以及變形破壞模式的影響。賀美德等[7]以盾構地鐵區(qū)間隧道側穿高層建筑物為依托，采用數(shù)值分析和現(xiàn)場測量的方法，對隧道開挖引起的鄰近高層建筑物的基礎傾斜和結構沉降進行研究，得出盾構機到達建筑物之前、經過及離開時，鄰近建筑物的傾斜和結構沉降的變化規(guī)律。李亞勇[8]等通過建立離散元模型，分析了連拱隧道開挖引起的地表沉降規(guī)律，上部建筑物的傾斜度以及基礎的沉降規(guī)律，以及研究了隧道下方既有隧道的變形和受力特征，并將實際監(jiān)測的結果與數(shù)值計算的結果進行了對比分析。朱逢斌等[9]在考慮土體-隧道-建筑物相互作用的基礎上，建立三維有限元模型，對隧道施工引起的樓面扭曲和框架柱軸力進行研究，并針對關鍵參數(shù)進行了敏感性分析。董燕等[10]采用有限元計算方法，分別對獨立基礎、筏板基礎、獨立樁基礎的不同偏移距進行數(shù)值計算，研究不同偏移率和不同基礎種類下建筑物沉降差和基礎位移，得出其變化規(guī)律，并給出其對應的原因。一些學者也針對隧道施工對既有建筑物的影響進行了研究[11-14]。

但目前隧道施工引起的敏感性參數(shù)對鄰近既有建筑物變形的影響仍需要進一步研究。本文采用數(shù)值模擬的方法建立有限元模型，對不同隧道與建筑物水平間距、建筑物基礎埋深以及土層參數(shù)等關鍵參數(shù)引起的建筑物變形響應規(guī)律進行研究，從建筑物基礎總體沉降和首尾沉降差分布兩個角度分析，總結得出了一些有益結論。根據不同參數(shù)對于隧道開挖引起建筑物變形響應的規(guī)律，優(yōu)化施工中隧道施工方案，保證地鐵暗挖區(qū)間隧道在施工過程中的安全性、穩(wěn)定性。

1 工程背景

工農大街站—終點區(qū)間，從工農大街站開挖，順麗江路向東前進通過半徑3 m的曲線，至麗江路到達終點。區(qū)間起訖里程為DK42+445.683—DK42+869.516，區(qū)間全長424.678 m。該隧道區(qū)間采用暗挖法施工，斷面形狀為單洞單線馬蹄形。區(qū)間豎向為單向坡，最大的坡度為1.509%，其上覆土厚度約為15.177 m。區(qū)間設置施工豎井一座，見圖1。

圖1暗挖隧道的斷面圖

本區(qū)間線路主要沿麗江路由北向南敷設，沿線主要建筑物為商業(yè)與居民樓。線路從工農大街站引出后北行，向南敷設，到達終點。本區(qū)間施工方法為礦山法，其區(qū)間相連車站均采用明挖法施工，地質剖面圖見圖2。

圖2地質剖面圖

2 計算模型的建立

2.1 基本假定

模型中采用的基本假定和基本說明：

(1) 材料采用修正M-C破壞屈服準則，考慮土體卸載和重加載剛度硬化；

(2) 對隧道超前注漿導管采用實體單元等效剛度的原則進行模擬；

(3) 對于材料和地層的應力以及應變，假定其受力過程中均在彈塑性范圍內變化；

(4) 忽略地下水的影響。

2.2 有限元模型

本文采用MIDAS/GTS建立數(shù)值模型進行計算，分析隧道施工對于鄰近多層框架建筑物的變形影響規(guī)律。由于主要研究建筑物與周邊地層的變形規(guī)律，故忽略隧道開挖縱長方向的影響，建立簡化的二維平面應變模型。

為消除邊界效應對計算結果的影響，模型尺寸定為100 m×30 m，見圖3。模型中建筑物采用3跨7層框架結構建筑，采用平面四邊形實體單元來模擬建筑物基礎，基礎埋深為1.5 m，長度為15 m，厚度為1 m?；A上方的建筑物的梁柱體系，采用的是梁單元模擬。其中梁截面采用0.6 m×0.3 m的矩形截面，柱截面采用0.6 m×0.6 m的矩形截面。頂層的活荷載取0.5 kPa，其樓層取2.25 kPa，考慮到墻體的重力，在每層樓板面上施加荷載4.9 kPa[15]。

圖3二維模型網格示意圖

2.3 邊界條件和材料參數(shù)

(1) 邊界條件。采用直角坐標系建立模型坐標，二維平面應變模型建立在xoy面，z軸為模型的縱深方向。在xoy平面內，x軸為水平方向，y軸為豎直方向。模型的邊界條件，見圖3。模型巖土材料兩側為水平向約束；模型底部全部施加約束；頂部則設置為自由面。

(2) 材料參數(shù)。本文主要是為研究不同土體參數(shù)、不同建筑基礎埋深、不同建筑與隧道間距等參數(shù)對既有建筑物的影響規(guī)律。為了獲得同一種的土層下的變化規(guī)律，對有限元模型賦予同一類屬性。土層參數(shù)見表1。對于建筑物來說，選用魏新江等提供的參數(shù)[15]。

表1 土層參數(shù)表

3 關鍵參數(shù)對既有建筑物的變形分析

3.1 不同水平間距的影響

為研究隧道與建筑物的水平間距引起地層與建筑物變形規(guī)律，選擇右線隧道與建筑物軸線的水平間距L分別為-7 m(兩隧道中間)、0 m、5 m、10 m、15 m、20 m。

當右線隧道與建筑物的軸線水平間距分別取L為-7 m、0 m、5 m、10 m、15 m、20 m時，計算得到建筑物離隧道距離不同時的隧道開挖所引起的地面的變形結果，見圖4。

圖4不同水平間距下建筑物豎向位移

由于建筑物的存在，地表沉降曲線類型不是軸對稱，既有建筑物基礎的地面沉降有了較為明顯的變化。當L=-7 m時，建筑物位于兩隧道中間，可以看出建筑物基礎沉降相對均勻，左右相差不到2 mm，最大沉降量為34.1 mm，比無建筑物時的沉降要大。當L=0 m時，建筑物軸線與右線隧道軸線重合，屬于隧道下穿既有建筑物的情況，可以看出，最大值比L=-7 m時偏大。左線開挖隧道的影響導致建筑物的左下方土體產生卸載，建筑物基礎沉降最大值與最小值之差為9.7 mm。得出當隧道右線剛好穿越建筑物中軸線時，導致建筑物的整體下沉現(xiàn)象，左線開挖雖然導致建筑物傾斜，但隧道開挖對既有建筑物影響較??；當L=5 m時，隧道開挖引起的建筑物沉降量最明顯，最大值為36.9 mm，既有建筑物呈現(xiàn)出向隧道開挖側傾斜的趨勢，建筑物基礎的首尾沉降的最大差值約27.3 mm；當L=10 m時，地面沉降量相比較于L=5 m時，減少13.9 mm，建筑物的基礎首尾沉降差約為20.2 mm；當L=15 m時，引起的地面沉降將繼續(xù)減小，最大地面沉降量為13.5 mm，建筑物的基礎首尾沉降差約為7.9 mm；當L=20 m時，其地面最大沉降量是7.9 mm，而既有建筑物基礎的首尾沉降差值是2.2 mm。表明此時隧道施工對其影響不大。

3.2 不同基礎埋深的影響

除了隧道與既有建筑物的水平間距外，既有建筑物的基礎埋置深度的不同也對建筑物的變形產生影響。為了避免哈爾濱特有的季節(jié)性凍土對上部建筑物的影響，通常多層建筑的基礎埋置于1.5 m以下。對于有地下室要求的建筑物通常基礎的埋置深度將更深。為研究雙隧道開挖下，不同基礎埋深對既有建筑物變形規(guī)律的影響，現(xiàn)考慮四種基礎埋深情況：H=1.5 m、H=4.0 m、H=7.0 m、H=10.0 m?？紤]不同基礎埋深條件下隧道開挖引起的建筑物變形規(guī)律分析時，模型均取L=15 m。

不同基礎埋深情況下的建筑物基礎豎向位移和總位移如圖5和6所示。

圖5 不同基礎埋深下建筑物豎向位移

圖6不同基礎埋深下建筑物總位移

從圖5、圖6可以看出，當基礎埋深H=1.5 m時，建筑物的豎向變形最大，約為13.5 mm，基礎總變形同樣最大，約為13.8 mm。建筑物的豎向變形和總變形量相差不大，說明建筑物的水平位移較小，沒有受到較大的水平不平衡力。建筑物基礎的首尾沉降差最大，約為7.93 mm，建筑物將會發(fā)生向隧道一側傾斜的趨勢。隨著建筑物基礎埋深的增加，建筑物沉降值逐漸減小。當H=10.0 m時，最大沉降值約為3.7 mm，此時基礎的底板位于隧道的拱腰處。此時，建筑物的基礎首尾沉降差約為2.2 mm，同樣為各工況下最小值。因此，當建筑物基礎的埋置深度增加時，建筑物的沉降量逐漸減小，建筑物的破壞風險降低。

3.3 不同土層參數(shù)的影響

現(xiàn)考察不同土質條件下隧道開挖引起的建筑物變形情況，考慮到哈爾濱的土質特性，本節(jié)模型中分別取三種不同的土體進行研究，土質參數(shù)的改變見表2，考慮到砂土與黏土在隧道施工過程中的時間效應，不同土質采用不同的應力釋放系數(shù)進行模擬，即隧道開挖后，應力并非達到完全穩(wěn)定，而是經過一定的時間才會趨于穩(wěn)定，通常當應力、變形尚未達到穩(wěn)定時，支護便起到約束作用，利用數(shù)值軟件中應力釋放率的不同來表示實際工程中支護時機的不同。不同土質的應力釋放率見表3，考慮土質變化時均取L=10 m。不同土層參數(shù)下建筑物變形情況見圖7、圖8。

表2 土層參數(shù)表

圖7不同土質參數(shù)下建筑物的變形規(guī)律

表3 應力釋放系數(shù)表

圖8不同土質參數(shù)下基礎的變形規(guī)律

由圖7和圖8可以看出，隨著土質變差，建筑物傾斜度和最大建筑物沉降量都發(fā)生明顯增大。當E=20 MPa(土層為粉質黏土)時，最大的沉降量達39.4 mm，并且在建筑物基礎的下方產生較大的沉降差，約為20.9 mm，建筑物容易開裂，因此可見暗挖法并不適用于土質較差的情況。如若條件只允許采用暗挖法進行施工，那么對于軟弱地層的中小型斷面來說可考慮采用CRD、CD工法或大管棚法，值得注意的是不宜采用全斷面法。

4 結 論

(1) 當建筑物在兩隧道之間以及單個隧道的上方位置時，既有建筑物的沉降量較大，但建筑物相對安全；當建筑物的基礎邊緣位于單個隧道開挖范圍上方時，建筑物首尾的沉降差較大，建筑物較危險；當隨著水平間距的進一步增大，隧道開挖對建筑物的影響較小；當建筑物與隧道的軸線距離大于3倍隧道開挖洞徑時，隧道施工對建筑物的影響可以忽略不計。

(2) 隨著基礎埋深的減小，建筑物的沉降量會明顯增大，并且基礎首尾差異沉降量也隨之增加。隨著土質的變差，最大建筑物沉降量和建筑物傾斜度都明顯增大。

(3) 土層參數(shù)的改變對于既有建筑物變形的影響較為顯著，尤其是土體彈性模量的改變最為敏感。隨著土質的變差，建筑物傾斜度和最大建筑物沉降量都發(fā)生明顯增大。暗挖法并不適用土質較差的情況。如若條件只允許采用暗挖法進行施工，那么對于軟弱地層的中小型斷面來說可考慮采用CRD、CD工法或大管棚法，值得注意的是不宜采用全斷面法。

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ImpactsofTunnelExcavationonDeformationofSurroundingBuilding

GUAN Yongping

(ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

Two dimensional finite element model is adopted to analyze the impacts of tunnel excavation on deformation of surrounding building. The key parameters considered are the distance between tunnel and building, overburden of building foundation and soil parameters. The investigations are conducted through two aspects which are the total settlement of building foundation and the different settlement distribution both sides. Based on effect the different parameters on deformation of building caused by tunneling excavation, the construction schedules are optimized to ensure the security and stability in the tunneling construction stages.

tunnelingconstruction;deformationofbuilding;numericalsimulation;interaction

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.045

2017-06-24

2017-07-24

關永平(1989—)，男(蒙古族)，內蒙古通遼人，博士，工程師，主要從事地鐵設計和研究等方面的工作。E-mail: guanyongping@126.com

TU47

A

1672—1144(2017)06—0227—06