(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 山東青島266590)

0 引言

隨著城市地下空間的發(fā)展，隧道建設(shè)也進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，隨隧道施工過(guò)程不斷發(fā)生變化，而隧道開(kāi)挖對(duì)既有穩(wěn)定地層造成擾動(dòng)[1-3]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響隧道上方建筑物安全，造成巨大損失[4-7]。而青島地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，多為淤泥質(zhì)黏土，對(duì)青島地區(qū)隧道開(kāi)挖過(guò)程的研究，可以預(yù)測(cè)地表及建筑物在施工過(guò)程中的變化，提高工程與建筑物安全。為此，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。

Amir Khademian等[8]通過(guò)系統(tǒng)比較模型預(yù)測(cè)和儀器的性能數(shù)據(jù)來(lái)表征沉降估計(jì)模型的模型不確定性，分析(Loganathan和Poulos)和數(shù)值(FDM)方法估算Qom地鐵隧道挖掘引起的地表沉降量。譚文輝等[9]采用回歸分析方法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，并與經(jīng)驗(yàn) Peck 公式進(jìn)行對(duì)比研究。童立元等[10]分析了礦山法新建隧道對(duì)既有隧道位移和應(yīng)力的影響，揭示了其變化規(guī)律，指出了新建隧道開(kāi)挖影響范圍。劉大剛等[11]對(duì)預(yù)測(cè)公式進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了城市隧道開(kāi)挖引起的地表沉降及變形預(yù)測(cè)系統(tǒng)。鄭馨等[12]通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中大量地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用線性回歸的數(shù)學(xué)方法，引入地表最大沉降修正系數(shù)α、沉降槽寬度修正系數(shù)β。漆泰岳等[13]應(yīng)用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，對(duì)無(wú)或有建筑物條件下的地層和建筑物沉降特征進(jìn)行對(duì)比研究，揭示建筑物與隧道不同空間位置的地層和建筑物的沉降特征。楊子奇等[14]對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移反分析，得到適用疊加公式的區(qū)間隧道埋深范圍。李乾等[15]對(duì)工程地質(zhì)情況和周邊環(huán)境進(jìn)行分析，在工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬，對(duì)地層和隧道結(jié)構(gòu)的受力變形特征進(jìn)行了研究，確定了盾構(gòu)施工參數(shù)和掘進(jìn)控制技術(shù)。張為社等[16]通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同支護(hù)方案下隧道開(kāi)挖后圍巖變形規(guī)律與塑性區(qū)擴(kuò)展特征；基于隧道上覆巖層塑性區(qū)范圍、隧道沉降和收斂值等控制指標(biāo)優(yōu)化了支護(hù)方案。張頂立等[17]示隧道施工影響下地表建筑物的變形規(guī)律、變形破壞模式，提出以差異沉降和裂縫開(kāi)展為主的建筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)和“預(yù)警、報(bào)警及極限”的三級(jí)管理辦法，建立建筑物開(kāi)裂和沉降之間的關(guān)系。

基于以上文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，分析研究雙線隧道施工過(guò)程中地表及建筑物持續(xù)性動(dòng)態(tài)影響在實(shí)際工程中的運(yùn)用。結(jié)合青島地鐵3號(hào)線某區(qū)間側(cè)穿建筑物的工程實(shí)例，應(yīng)用 Midas/Gts NX軟件，對(duì)地表與建筑物分別進(jìn)行數(shù)值分析與關(guān)鍵點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)，總結(jié)地表在雙線隧道不同開(kāi)挖階段的變形規(guī)律，研究建筑物在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變形與內(nèi)力變化，為類似工程提供一定參考依據(jù)。

1 隧道施工模型的建立

以青島地鐵3號(hào)線湛山站區(qū)段為背景，起止里程為K6+075.395—K6+276.795，全長(zhǎng)201.4 m，區(qū)段上方道路曲折，下穿建筑較多。取某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)共分為4層，為方便計(jì)算，將各層簡(jiǎn)化為規(guī)則的矩形平面，平面尺寸為70 m×35 m，層高為3 m。框架柱截面尺寸為0.5 m×0.5 m，梁截面尺寸為0.4 m×0.5 m，樓板厚0.12 m。基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，基礎(chǔ)尺寸為48 m×84 m，厚2 m。

按區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)青島市第四系標(biāo)準(zhǔn)層從序，計(jì)算模型中各材料所取物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

工程實(shí)例縱向剖面圖如圖1所示。為使模擬結(jié)果更貼近工程實(shí)際，模型將地表建筑與基礎(chǔ)等效為整體，上部結(jié)構(gòu)僅考慮剛度影響，自重折算成單柱荷載以集中力的形式施加到底層柱，每個(gè)底層單柱施加荷載為-4 832 kN(如圖2(b)所示)。地鐵隧道埋深-17 m，為雙線平行隧道，左、右線隧道中心線間距為18 m，隧道洞口直徑為9.8 m，初支噴混厚度為0.15 m，二次襯砌厚度為0.45 m (如圖2(a)所示)。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

圖1 工程實(shí)例縱向剖面圖
Fig.1 Longitudinal section of the engineering example

(a) 隧道模型

(b) 框架模型

(c) 建筑物模型

圖2 數(shù)值模型示意圖
Fig.2 Schematic diagram of the numerical model

采用Drucke-Prager準(zhǔn)則，土體、基礎(chǔ)及梁柱單元?jiǎng)澐殖叽鐬?，框架板劃分尺寸為2，模型單元總體數(shù)量為35 044個(gè)，土體材料為彈塑性材料，圍巖計(jì)算模型尺寸150 m×132 m×54 m，四周和底面約束，重力加速度為9.8 m/s2，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。地鐵隧道采用全斷面式開(kāi)挖，沿y軸正向(如圖2(c)所示)向前推進(jìn)。隧道開(kāi)挖方式為：以3 m為一循環(huán)，左線隧道先開(kāi)挖一循環(huán)，為上一循環(huán)隧道洞加初支噴混，依次循環(huán)至左線隧道貫通，加注二次襯砌，然后按同樣方法開(kāi)挖右線隧道。

2 模型計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 地表沉降動(dòng)態(tài)變化分析

為分析隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表不同時(shí)刻的沉降變化，將雙線隧道開(kāi)挖過(guò)程分為4個(gè)階段研究，分別為：階段一，左線隧道開(kāi)挖至66 m處時(shí)；階段二，左線隧道貫通時(shí)；階段三，右線隧道開(kāi)挖至66 m處；階段四，右線隧道貫通時(shí)。對(duì)如圖3所示的五個(gè)截面處(截面1～5)地表豎向位移進(jìn)行計(jì)算，模型收斂計(jì)算結(jié)束后，得到如圖4所示的地表沉降曲線。

圖3 建筑物和隧道相互位置與截面位置Fig.3 Location and cross-section of buildings and tunnels

(a) 左線隧道開(kāi)挖至66 m時(shí)

(b) 左線隧道貫通時(shí)

(c) 右線隧道開(kāi)挖至66 m時(shí)

(d) 右線隧道貫通時(shí)

圖4 隧道開(kāi)挖不同時(shí)刻地表沉降曲線
Fig.4 Surface settlement curve of tunnel excavation at different times

圖4中，地表沉降整體呈“V”形趨勢(shì)，豎向位移在沿水平方向60 m～90 m范圍內(nèi)變化明顯，由圖3可知該范圍為雙隧道施工位置。圖4(a)、(b)為左線隧道開(kāi)挖的兩個(gè)階段，左線隧道開(kāi)挖至66 m時(shí)，截面1、2、3處的地表沉降較大，最大值為截面1的7.34 mm；此時(shí)刻左線隧道還未施工至截面4，但該處地表也產(chǎn)生了一定變形，沉降值為3.47 mm；截面5距離施工位置較遠(yuǎn)，地表沉降值均不超過(guò)0.04 mm。當(dāng)左線隧道貫通時(shí)，截面1、2、3地表沉降值較上一階段變化不大，截面4、5處地表沉降值分別由3.47 mm增加至6.14 mm、0.03 mm增加至6.55 mm。

圖4(c)、(d)為右線隧道開(kāi)挖的兩個(gè)階段，右線隧道開(kāi)挖至66 m時(shí)，截面4、5處的地表沉降值較左線隧道貫通時(shí)無(wú)較大改變，截面1、2、3處沉降值明顯增加，分別增加至11.13 mm、10.87 mm和11.06 mm；右線隧道貫通，即雙線隧道全部施工結(jié)束時(shí)，五個(gè)截面處的地表沉降曲線大致相近，地表沉降值平均為11.36 mm，波動(dòng)范圍較小。

由圖4(a、b、c、d)可以看出，5個(gè)截面中，截面1處地表在隧道施工階段沉降始終處最大值狀態(tài)，截面4、5處地表沉降值階段性變化明顯；截面3處地表位置為建筑物中部，左線隧道開(kāi)挖至截面3處時(shí)，截面3處地表沉降最大值為6.57 mm；左線隧道貫通時(shí)，截面3處地表沉降最大值為6.92 mm；右線隧道開(kāi)挖至截面3處時(shí)，截面3處地表沉降最大值為10.43 mm，右線隧道貫通時(shí)，截面3處地表沉降最大值為11.07 mm。

由上述對(duì)青島地鐵三號(hào)線隧道施工地表沉降變化規(guī)律分析得出，隧道開(kāi)挖初位置處地表沉降始終最大。左線隧道施工時(shí)，截面1處地表較截面2、3、4、5處沉降始終最大，最大沉降值為7.34 mm，同時(shí)比較5個(gè)截面所處不同位置及隧道開(kāi)挖的不同階段可知，上部建筑物會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生一定影響，影響因子為0.051；右線隧道開(kāi)挖初始階段截面1處地表沉降最大，至右線隧道貫通時(shí)，截面3處地表沉降最大，由于左線和右線隧道的不同位置，上部結(jié)構(gòu)對(duì)右線隧道上方地表沉降的影響因子為0.057。地表沉降主要發(fā)生在隧道開(kāi)挖地段上方，沉降影響范圍約為30 m；左線隧道施工，對(duì)左線隧道施工段上方地表產(chǎn)生沉降，對(duì)右線隧道預(yù)開(kāi)挖地段上方地表也產(chǎn)生沉降影響。

2.2 建筑物變形與內(nèi)力分析

2.2.1 建筑物變形

圖6為建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，以建筑物頂層中間一榀框架為例，設(shè)置K1～K5五個(gè)位置點(diǎn)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖6 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖
Fig.6 Building monitoring point layout

圖7 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線
Fig.7 Building monitoring point settlement curve

如圖所示，在K1～K5五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，K1、K2和K5監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較小，沉降值趨近于0，K3、K4監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化明顯。其中，在隧道施工至24個(gè)循環(huán)時(shí)，K3和K4監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，沉降值分別由0.38 mm增大至1.02 mm，0.54 mm增大至1.05 mm，此時(shí)，K3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值略大于K4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。隨著隧道施工的不斷行進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降在定時(shí)間內(nèi)較為平穩(wěn)，當(dāng)隧道施工至68個(gè)循環(huán)時(shí)，K1、K2、K3和K5監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化較為平穩(wěn)，而K4監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化率較大，沉降值由4.42 mm增大至11.3 mm。此后隨隧道施工結(jié)束，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖8為上部結(jié)構(gòu)沉降云圖，分別將建筑物沉降變化趨勢(shì)明顯的兩個(gè)時(shí)刻與隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)建筑物整體云圖進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，建筑物豎向位移發(fā)生在隧道施工上方，且當(dāng)隧道施工至24循環(huán)，即左線隧道施工至72 m處時(shí)，隧道開(kāi)挖引起的建筑物沉降量較大值集中在邊緣部分。當(dāng)隧道施工至68循環(huán)，即右線隧道開(kāi)挖至72 m時(shí)，隧道開(kāi)挖引起的建筑物沉降量較大值也集中在邊緣部分，與左線隧道不同，此時(shí)隧道開(kāi)挖軌跡上方建筑物均發(fā)生不同沉降，說(shuō)明左線隧道開(kāi)挖對(duì)右線隧道未開(kāi)挖區(qū)段也產(chǎn)生了一定影響。雙線隧道施工結(jié)束時(shí)，建筑物沉降范圍明顯擴(kuò)大，沉降值較大位置主要體現(xiàn)在右線隧道上方建筑物梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域。對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降值，可以看出實(shí)際的建筑物豎向位移大于模擬數(shù)值結(jié)果，這是由于實(shí)際工程中除建筑物自重外，還有建筑物內(nèi)部的部分恒荷載和活荷載，因此上部結(jié)構(gòu)實(shí)際沉降要比數(shù)值結(jié)果大0.073 %。

(a) 施工至24循環(huán)時(shí)

(b) 施工至68循環(huán)時(shí)

(c) 施工結(jié)束時(shí)

圖9 建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫向偏移曲線圖Fig.9 Horizontal deviation curve of building monitoring points

如圖9所示，五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏移量曲線呈“W”形，分別在隧道施工至24個(gè)循環(huán)和68個(gè)循環(huán)時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)沉降“峰值”。五個(gè)監(jiān)測(cè)位置變化趨勢(shì)基本相同，在左線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)產(chǎn)生偏移，隨后偏移量逐漸回升并趨近于0；在右線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)再次產(chǎn)生偏移，隧道偏移量逐漸回升至一定值。觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)峰值可以發(fā)現(xiàn)，左線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)建筑物偏移變化率較小，五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏移平均值為1 mm左右，而右線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)建筑物偏移變化率較大，監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的偏移值也相差較大，其中，K1偏移值為0.032 mm，K2偏移值為0.395 mm，K3偏移值為0.639 mm，K4偏移值為0.883 mm，K5偏移值為1.24 mm。隧道全部施工結(jié)束后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏移值K5>K4>K3>K2>K1。實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要略大于模擬數(shù)值，但總體趨勢(shì)未發(fā)生變化，至雙線隧道全部貫通結(jié)束時(shí)，建筑物實(shí)際偏移量為0.082 mm。

根據(jù)監(jiān)測(cè)位置的沉降值與偏移量，可以大致估算建筑物隨隧道開(kāi)挖的傾斜度變化，當(dāng)右線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)，建筑物最大傾斜度為0.15°

2.2.2 建筑物內(nèi)力

如圖表2、3所示，取建筑物頂層中間一榀框架K3為例，得到隧道施工過(guò)程中框架柱軸力和彎矩的變化。從表2中，建筑物越高，柱軸力值越大。左線隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，左邊柱和右邊柱軸力值減小，其中，左邊柱軸力值減小幅度為0.1 %～0.2 %，中間柱軸力值減小幅度為0.4 %～0.6 %。而右邊柱軸力值有所增加，增大幅度為0.1 % ～ 0.3。右線隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，各柱軸力均增加，左邊柱軸力增加幅度為0.1 %～0.2 %，中間柱軸力值增加幅度為0.1 %～0.3 %，右邊柱軸力值增加幅度為0.2 %～2.5 %?？梢钥闯?，隧道施工時(shí)，對(duì)建筑物右側(cè)影響較大。地表沉降使建筑物整體產(chǎn)生不均勻的豎向位移，右側(cè)豎向位移較大，引起右側(cè)柱產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力，柱軸力增加。

表2 框架柱軸力變化表Tab.2 Frame column axial force change table

表3 框架柱彎矩變化表Tab.3 Frame column bending moment change table

表3中，左線隧道施工結(jié)束時(shí)，左邊柱二、三、四層柱為負(fù)彎矩，彎矩值變化在0.2 ～ 2 kN·m范圍內(nèi)，底層為正彎矩，彎矩值減小0.31 kN·m。中間柱二、三、四層彎矩方向發(fā)生改變，彎矩值均增加，變化值在6.32 kN·m ～ 13.64 kN·m之間，底層柱彎矩值變化為0.03 kN·m，方向未發(fā)生改變。右邊柱彎矩值方向均未發(fā)生改變，變化幅度為0.1 % ～ 0.2 %。右線隧道施工結(jié)束時(shí)，右邊柱負(fù)彎矩值增加，變化范圍為0.6 kN·m ～ 1.7 kN·m，正彎矩減小0.31 kN·m。底層中間柱彎矩值減小2.81 kN·m，二、三、四層彎矩方向改變，彎矩值變化范圍為2.77 kN·m ～ 18.4 kN·m。右邊柱彎矩方向未發(fā)生改變，彎矩值變化幅度為0.2 % ～ 0.4 %。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)青島地鐵3號(hào)線湛山站區(qū)段實(shí)際工程的數(shù)值模擬，并對(duì)地表在雙線隧道不同開(kāi)挖階段進(jìn)行對(duì)比分析，建筑物在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變形機(jī)理與內(nèi)力變化對(duì)比，得出結(jié)論與建議如下：

①雙線隧道施工引起的地表沉降在整體上呈“V”字形；左線隧道施工時(shí)，截面1處地表較截面2、3、4、5處沉降始終最大，最大沉降值為7.34 mm，上部建筑物會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生一定影響，影響因子為0.051；右線隧道開(kāi)挖初始階段截面1處地表沉降最大，至右線隧道貫通時(shí)，截面3處地表沉降最大，由于左線和右線隧道的不同位置，上部結(jié)構(gòu)對(duì)右線隧道上方地表沉降的影響因子為0.057。地表沉降主要發(fā)生在隧道開(kāi)挖地段上方，沉降影響范圍約為30 m；左線隧道施工，對(duì)左線隧道施工段上方地表產(chǎn)生沉降，對(duì)右線隧道預(yù)開(kāi)挖地段上方地表也產(chǎn)生沉降影響。

②青島地鐵左線隧道開(kāi)挖對(duì)右線隧道未開(kāi)挖區(qū)段產(chǎn)生影響。隧道施工結(jié)束時(shí)，建筑物沉降范圍明顯擴(kuò)大，沉降值較大位置主要體現(xiàn)在右線隧道上方建筑物梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域。監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏移量曲線呈“W”形，左線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)建筑物偏移變化率較小，右線隧道開(kāi)挖至建筑物中部時(shí)建筑物偏移變化率較大，隧道全部施工結(jié)束后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)K1、K2、K3、K4和K5的偏移值逐漸減小。

③左線隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，左邊柱和右邊柱軸力值減小，其中，左邊柱軸力值減小幅度為0.1 %～0.2 %，中間柱軸力值減小幅度為0.4 %～0.6 %。而右邊柱軸力值有所增加，增大幅度為0.1 %～0.3。右線隧道開(kāi)挖結(jié)束時(shí)，各柱軸力均增加，左邊柱軸力增加幅度為0.1 %～0.2 %。隧道施工對(duì)框架柱彎矩影響較小。

④雙線隧道側(cè)穿建筑物施工過(guò)程中，應(yīng)做好隧道、地表、建筑物及周圍建筑物的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)做好加固處理，保證施工環(huán)境與已有建筑的安全。