浅埋暗挖法隧道穿越邻近建构筑物时施工步序对隧道结构的影响分析

摘要：城市轨道交通建设中隧道掘进穿越会对周边建构筑物产生一定的交互影响，正确客观地分析评估这种影响不仅有利于设计师改进地铁隧道掘进的设计方案和施工方式，同时也能为地铁隧道建设过程中对周边建构筑物采取何种保护措施提供参考依据。本文结合重庆轨道交通一号线石桥铺～高庙村区间浅埋暗挖隧道工程，针对区间隧道计划穿越临近建筑物时面临的实际工程问题开展研究。在利用ANSYS软件建立了隧道掘进三维有限元分析模型，客观模拟隧道工程现场施工条件和施工过程的基础上，研究分析了隧道掘进的施工步序对穿越区建构筑物的交互影响，得出先修建待穿越建筑物，后施工区间隧道对区间隧道影响较小的结论。研究结果对隧道与周边建筑物的设计和安全施工有指导意义，也为后续安排施工步序提供参考和建议。

关键词：浅埋暗挖法；隧道掘进；ANSYS；施工步序；影响分析

1引言

随着我国经济的快速发展和城市化速度的不断加快，越来越多的城市开始进行城市轨道交通的建设，合理的规划、设计和施工是地铁建设面临的关键问题。受既有和规划建构筑物、复杂地质条件的限制，新建地铁隧道近距离穿越建构筑物的施工环境成为设计人员重点研究的课题，如南京地铁南北线一期鼓楼站～玄武门站区间隧道下穿高层建筑、厦门轨道交通一号线中山西路站～中山路站区间矿山法施工下穿中华城桩群等。目前国内外学界对浅埋暗挖法隧道施工已有不少研究，但对浅埋暗挖隧道穿越既有线工程的研究大多为对个别工程的总结与回顾，系统的研究仅见于日本在1997年公布的《既有铁路隧道近接施工指南》，该国学者也发表了一些邻近地下工程施工案例研究的论著[1]。浅埋暗挖法隧道施工引起地表沉降及对周边环境影响的研究较多，但大多数都基于随机介质理论和半经验半解析理论研究，施工上更难于控制[2]。

1.1浅埋暗挖法隧道邻近建筑物施工掘进时动态预测

邻近或下穿建筑物受浅埋暗挖法施工影响程度的大小取决于建筑物的设计条件、结构条件、刚度、地层特性等[5]。浅埋暗挖法掘进施工对环境的影响预测方法主要有：（1）对浅埋暗挖法掘进引起的周边地层变形进行分析，并将结果作为建筑物结构受力分析的输入条件，再进行结构分析；（2）建立地层和建构筑物结构的协同模型，对建构筑物因掘进引起的地层变形和建构筑物变形的动态变形同时进行分析。方法（1）是在继承了地层变形分析基础上的结构分析方法，它的模拟精度很大程度受地层变形模拟准确度的影响，而且它的局限还在于不能模拟岩土体和建筑物结构之间动态协同变形；方法（2）克服了方法（1）的这一缺陷，相比较而言具有很大的进步，不过方法（2）的模拟精度在很大程度上也取决于岩土体和建筑结构体系的输入参数是否能反映客观实体情况。

本文在优选岩土体参数的基础上，建立了较客观的地层和建筑物结构协同模型，对不同施工步序下的浅埋暗挖隧道穿越建构筑物进行了三维数值模拟分析，研究了施工步序对隧道结构变形的影响。

本文结合重庆地铁一号线矿山法施工隧道，利用三维有限元数值计算软件ANSYS对石桥铺～高庙村区间隧道穿越机三院科研大楼桩基的施工力学行为进行数值模拟，根据计算结果，分析总结矿山法隧道与建筑物施工顺序对两者受力变形的影响，为后续安排施工步序提供参考和建议。

1.2浅埋暗挖法施工原理

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法，它在沿用了新奥法基本原理的基础上，创建了信息化量测设计和施工的新理念；采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，初期支护按全部承担基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载[3]。

浅埋暗挖法广泛应用于第四纪软弱地层的地下工程，此类工程环境的围岩自承能力一般较差。为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时，以尽量增大支护的承载，减小围岩的自承载。经过大量工程试验探索，王梦恕院士创造性地提出了浅埋暗挖法施工应遵循的十八字方针，“管超前、严注浆、短进尺、早封闭、勤测量”，突出时空效应对防塌的重要作用。初次支护必须从上向下施工，初次支护基本稳定后才能做二次衬砌，且必须从下到上施工[1]。根据地层情况、地面建筑物特点及机械设备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断面大或地层较差，可采取经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好，可用全断面开挖法[4]。

2工程实例分析

2.1工程概况

重庆轨道交通一号线石桥铺～高庙村区间隧道，采用双线双洞隧道形式从拟建的机三院科研大楼下方穿过。机三院科研大楼主楼有26层110.2m高，附楼有6层19m高，区间隧道左线从机三院大楼主楼的正下方通过。机三院主楼采用独立基础、条形基础和筏板基础这三种基础形式，基础底部与左线隧道洞顶最小间距为7.98m。机三院科研大楼基础与区间隧道的空间位置关系如图1所示。

图1 机三院大楼基础与石高区间隧道空间位置关系透视图

2.2地质条件及相关参数

根据地质勘测报告，本区段围岩为中等风化厚层状砂岩，岩体裂隙较发育，呈块状结构，岩体较完整。砂岩单轴饱和抗压强度标准值36.3MPa，为较硬岩。砂岩的透水性为不透水性，有少量的孔隙水和基岩裂隙水，呈滴状。围岩弹性纵波速度υp=2.3～3.0Km/s。围岩级别为Ⅲ级。有限元计算采用的相关计算参数可参考表1中的内容。

3数值分析

3.1三维有限元建模

本区段分析采用地层―结构计算模型，用ANSYS程序进行计算分析。模拟计算中，初期支护承担70%的释放荷载，二次衬砌承担30%的释放荷载。最后根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005），按照极限状态法计算二次衬砌在基本组合承载力状态和人防组合承载力状态下的安全系数，并对正常使用状态下的裂缝宽度进行验算。

三维模型的计算荷载有围岩压力、结构自重和机三院大楼作用在基础上的荷载，机三院大楼作用在基础上的荷载可参考相关规范取值。计算模型的长×宽×高分别为324×237×80m，设置好荷载的有限元模型如图2所示。

3.2计算工况

目前石高区间隧道和机三院科研大楼都未修建，因此计算时采用两种计算工况模拟区间隧道和科研大楼不同的修建顺序。工况1模拟科研大楼修建完毕后再修建石高区间隧道；工况2模拟石高区间隧道先修建，然后在其上方修建科研大楼。

3.3计算结果分析

模型计算时，浅埋暗挖法隧道掘进施工考虑使用ANSYS中的生死单元来实现，衬砌采用弹性衬砌模型模拟。根据两种计算工况条件，计算不同的施工顺序引起区间隧道不同的沉降变化和受力情况。

3.3.1位移计算结果分析

（一）工况1计算结果（大楼修建完毕后再修建石高区间隧道）

（二）工况2计算结果（隧道修建完毕后再修建大楼）

图5工况2隧道位移云图

不同的施工顺序会引起石-高区间隧道不同的位移沉降，这里取区间隧道拱顶位移作为研究，分析不同的施工顺序对隧道纵向位移的影响。不同工况隧道拱顶位移的计算结果见图6。

从区间隧道拱顶位移沉降曲线中可以看出，工况1所引起区间隧道拱顶的位移较小，工况2引起的拱顶位移较大。这是因为工况1中，区间隧道的开挖只引起周围局部的岩体松动产生变形；而工况2在区间隧道修建完后修建科研大楼，科研大楼的荷载会直接作用在区间隧道上，使局部产生较大变形。工况2由于科研大楼修建所引起的沉降范围大约为100m。

3.3.2隧道衬砌内力结果分析

（一）工况1内力计算：

（二）工况2内力计算：

从区间隧道衬砌内力计算结果中可以看出，按工况1施工顺序施工，隧道衬砌内力较小，可以按照标准区间段设计参数（衬砌厚350mm，配筋φ20@200）设计，不进行加固处理；按工况2施工顺序施工，隧道衬砌变形、内力均较大，需要对科研大楼下100m范围内的隧道进行加固，建议加固后的隧道衬砌厚450mm，配筋φ25@150。

4结论

通过ANSYS三维有限元软件模拟分析机三院科研大楼与石-高区间隧道修建的先后顺序对隧道结构的影响分析，可以得到如下结论：

（1）先修建机三院科研大楼，再修建石高区间隧道，即按工况1顺序施工，机三院科研大楼对其下方区间隧道施工时的结构变形影响较小，区间隧道可按照隧道标准衬砌类型参数进行设计，隧道掘进施工时区间土体不需要加固；先修建石高区间隧道，再修建机三院科研大楼，即按工况2顺序施工，机三院大楼施工会对下方区间隧道结构变形产生较大影响，机三院科研大楼施工时需要对大楼附近100m范围内的区间隧道土体进行加固。

（2）尽管三维有限元软件分析表明工况1施工顺序优于工况2施工顺序，但由于此次模拟没有考虑隧道开挖时的爆破振动对上方高层建筑物的影响，因此工况1的计算条件与实际施工时的现场环境有一定出入；工况2在隧道施工完毕后再修建科研大楼，不会有大的爆破振动，因此工况2的计算条件与实际施工较符合，其计算结果与实际情况较接近。建议下一步开展矿山法爆破震动环境下的结构变形研究和工程分析。

（3）在实际施工中建议建设方综合考虑施工风险、施工工期以及工程经济等多方面因素的基础上选取安全、经济、合理的施工顺序和方案。

参考文献：

[1]王梦恕，地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽.安徽教育出版社.

[2]吴昭永，复杂环境条件下城市暗挖隧道施工技术研究.隧道建设，2003；2：34～37

[3]范国问，王先堂，暗挖双连拱隧道穿越基础高层楼群区施工技术.土木工程学会隧道及地下工程分会12届年会论文集，2002.10

[4]陈绍章，陈越，刘智成.矿山法暗挖技术在广州地铁中的应用.世界隧道，2003；4

[5]刘招伟，王梦恕.浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题的探讨.第五届全国青年岩石力学与工程学术会议论文集，1999

[5]刘招伟，王梦恕.浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题的探讨.第五届全国青年岩石力学与工程学术会议论文集，1999

[6]孙钧.地下工程设计理论与实践[M].上海.上海科学技术出版社.1996

[7]潘景副，李泽光，杨秀仁.北京地铁五号线盾构法隧道施工的三维有限元数值模拟[J].岩土工程界，2004（7）：79

[8]郭晨.近距离重叠盾构隧道施工影响的数值模拟[D].成都：西南交通大学，2009

[9]孙钧，易宏伟.地铁隧道盾构掘进施工市区环境土工安全的地基变形与沉降控制[J].地下工程与隧道，2001（2）：10-13

作者简介：

梁万金，男，1981年生，博士，工程师，2011年毕业于河海大学水工结构工程专业，主要从事隧道和地下空间的设计和研究工作。