高层建筑物下隧道围岩应力的分析

摘要：现代化城市合理利用地下空间来解决人们生活中存在的交通拥堵问题。因此更加合理的开发项目，就显得尤为重要。本文结合某开发项目中，综合分析城市高层建筑物的地基基础，探索地下隧道围岩，使其二者相互作用。通过数据模拟，运用隧道围岩应力分布曲线，得到应力集中作用范围，为今后发展地下空间工程项目、工程设计提供有力依据。

关键词：隧道施工 应力 高层建筑

0 引言

城市综合症的存在严重影响着社会的发展和城市化进程，诸如环境污染、交通阻塞、基础建设不完善以及生态平衡的破坏对一个城市的正常运行起到了阻碍作用。为了保证人们的正常生存、治疗城市综合症，我们要充分的利用好城市的地下空间，以确保城市的顺利发展。由于城市用地严重稀缺，工业化占地日益严重，所以高层建设是现代化城市必须的产物。深层施工基础工艺随着高层建筑的发展而迅速壮大，在整个施工中，基础工程的好坏直接影响着工程造价和工期。

笔者参与了某城市地下空间建设项目的整个施工过程。该项目是在城市高层建筑下20米打通一个铁路运输隧道。该隧道高7.5米，跨度为6米，从隧道的结构静力稳定角度加以分析，考虑到该隧道没经过天然和人工扰动，总结了隧道开挖后的四种状态。利用2D-σ有限元结构分析程序，分析了地面高层建筑的地基变形特点、受力情况以及隧道围岩的应力。

1 工程介绍

该工程位于某繁华城市中心地段，施工面积23万平方米，该面积内有12座高层建筑和8座多层建筑。其中多层建筑为5-8层，56米长，这些建筑的上层结构为砖混结构，底层为框架结构，采用桩深6.5米，桩径600毫米，桩距为2米的挖空桩作为地基，该建筑建设在砂岩层上。高层建筑为18-25层不等，建筑跨度为长42米，宽18米，将框架剪力墙结构作为其上层结构，地基仍采用挖孔桩。其中桩深12.5米，桩径1米，桩距为4米，采用端承桩作为其地基结构，也就是说可以忽略不计桩侧收到的阻力情况，桩端承受了大部分的桩顶负荷，还建筑同样建立在砂岩层上。根据城市规划需要，要在该面积区域地下打通一条铁路隧道，该隧道高7.5米，跨度为6米，距地面20米。隧道距离多层建筑地基最近水平距离为7.5米，最近垂直距离为16.5米，距离高层建筑地基最近水平距离为8米，最近垂直距离为12米。

根据上面实际勘察的数据资料显示，我们总结如下数据：a.地质状况：良好；b.地势：相对平缓，南高北低；c绝对标高：+254米至+270米。其组成和各层特性简述如下：

1.1 杂填土:主要由建筑垃圾、炭灰渣、生活垃圾等组成，厚度由1.2-28米不等，其中夹石块，硬质物块径一般为10-100毫米，含量22%-31%，结构松弛，需地基处理。

1.2 粉质粘土:褐黄色，厚度为0.8-1米不等，夹少量碎石，粘粒含量30%～50%，塑性指数12，可塑。

1.3 泥岩:层理不明显，呈块状，泥质结构，黄色或紫红色，厚度1.4-4.6m不等，砂质含量重。强风化岩芯多呈碎块状，质软，强度低；中风化岩芯多呈柱状，质硬，完整性好。碎石土，漂石、块石，颗粒含量59%。

1.4 砂岩:厚度勘察从4.6米以下全部为砂眼，淡褐色或红色。中粒结构，中等厚度状构造.岩芯多呈柱状，质较硬，完整。

2 计算模型的建立

2.1 计算范围的确定。我们以地表作为重点，从两方面考虑应力状态和变形情况。一是建筑物基础，二是地下隧道围岩范围。通过有限元计算范围，其重点考虑分为以下几个方面：

2.1.1 水平方向。我们通过数据采集、计算，得到研究对象范围宽度为55米左右。因为地下隧道位于两栋多层或高层建筑物之间，其距离为55米左右。

2.1.2 深度方面。我们通过实际数据、计算，得到研究对象范围为54米。因为地下隧道顶板距地表为20米，高7.5米，我们研究的实际区域范围在洞高4倍范围内。

2.1.3 为了减少通过有限元结构分析出现的误差，我们根据水平方向左右延伸30米左右距离和隧道地板在深度方向延伸30米这样一个规定范围内，来确定计算范围在断面的水平方向为110米，深度方向为75米。此数据来源，是我们避免了由于有限元结构分析所采用的边界条件与实际地层岩体的真实边界条件之间的差异多带来的计算误差。

2.2 力学模型与计算边界约束条件的确定。为了简化分析问题，我们可以采用岩体原始地应力勘察检测数据，结合对应区域的实际地址构造状况，近似的将三维问题转化为平面问题来进行处理。我们在研究区域进行有限元数值分析，其分析对象是一个非常复杂的三维地质体。我们可以通过选定的区域数值计算方法，来分析、计算、解决问题。我们将所选择的研究区域的泥岩和砂岩作为主题研究对象，利用其非匀质、低抗拉的介质特性，利用一定泥岩和砂岩的线性变形特征，较长的变形弹性段，采用各向同性的线弹性模型，来进行边界约束条件的确定，尽管在其最后得出的计算数据与实际数据存在误差。

2.3 不同计算工况的考虑。作者根据实际情况对工程的施工情况做了4种情况分析，每种情况都具有一定的意义，以下为描述：①在地面没有建筑物的情况下，也没有对地下隧道进行支护。该阶段表示，地面不存在高层建筑物的情况下对地下硐室、隧道等项目施工。②在地面具有高层建筑物的情况下，没有对地下隧道进行支护。该阶段表示，在地面存在高层建筑物的情况下对无支护地下隧道、硐室进行施工。③在地面没有高层建筑的情况，对地下隧道及硐室进行支护操作。该阶段表示了没有地面高层建筑的状态下，对地下隧道及硐室的建设施工完成。④在地面具有高层建筑的情况下，地下隧道及硐室进行支护操作。该阶段表示了地面具有高层建筑，地下隧道或硐室完成建筑施工。

本文从位移变形及围岩应力变化的角度分析隧道的关键部位，重点研究了隧道的三个垂直剖面和四个水平剖面，如图1所示。

3 计算结果分析

通过对施工情况的四结点等参数的分析，利用2D-σ有限元结构分析程序对网格进行的自动剖析，研究了该区域内的数值模拟问题，通过计算生成了1352个单元。数据输入卡片的运用使得结构分析过程节省了大量的人力及误差，提高了该分析结果的可靠性。上述四种情况中，有支护有高层建筑状态下，分析结果如图2，图3所示。

在本文的计算范围内对第一主应力σ1的分布规律加以分析，得出以下结论：该工程的计算范围内，压应力是该第一主应力σ1的主要部分；应力集中效应在硐室附近表现非常突出，其第一主应力σ1要远大于其他部分；压应力是硐室周围墙体所受到的第一主应力，隧道拱形顶部受到的第一主应力为拉应力；从隧道硐室向外并逐渐增大的分布着第一主应力σ1。

4 结论

高层建筑下隧道的稳定性取决于高层建筑物地面负载以及围岩的自重，其中起决定作用的是高层建筑的负载。开挖的隧道硐室周围会出现应力集中现象，具体表现为：墙体第一主应力为压应力，洞顶拱形部分第一主应力为拉应力。应力传递不规则且应力梯度分布在以硐室为中心的部分，即离硐室越近受到的应力越大，反之越小。文章中只考虑了隧道硐室支护处理上的衬砌的作用，忽视了锚杆的加固支护效果，希望在以后的研究中对锚杆支护加以着重分析。

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作者简介：张兵兵（1979-），男，辽宁沈阳人，硕士学位，工程师，研究方向为城市桥梁及隧道的设计工作。