隧道开挖对框架结构位移影响分析

曹 文 胡永利

0 引言

地下空间开发是可持续发展理念感召下采取的一大深具战略意义的决策。然而，由于起初对地下空间的开发缺乏长远规划，使得后续地下空间开发对先前建(构)筑物产生诸多影响。其中，隧道开挖对框架结构的影响已是一个越发普遍的问题，亟待解决。欲解决问题，先认识问题，只有认识隧道开挖对框架结构的影响，才能有效寻找解决问题的途径。基于此，本文建立隧道开挖对框架结构的影响模型，以认识隧道开挖对框架结构的影响问题，从而为广大工程技术人员提供认识问题的途径，并期能对类似工程问题的解决提供一定借鉴。

1 三维有限元模型建立

模型中的隧道截面为五心圆马蹄形断面，隧道轴线埋深10 m，外径6.3 m，衬砌厚度0.3 m。隧道轴线距框架中轴线的距离6.6 m。框架结构与隧道几何关系如图1所示。

图1 框架结构与隧道几何关系图（单位：mm）

框架结构为3层，纵横向均为3跨，采用一柱一桩的形式。平行于隧道轴线方向的框架跨度均为6 m，垂直于隧道轴线方向的框架跨度依次为 3.6 m，6 m，3.6 m，层高为 3.3 m，柱子和桩截面尺寸均为 0.4 m×0.4 m，梁的截面尺寸均为0.25 m×0.6 m，板厚为0.1 m，桩长为5 m。柱、桩、梁均采用梁单元模拟，楼板采用板单元模拟。土层自上而下共分四层，土体均采用摩尔—库仑模型。模型建立中自上而下所用土层和框架结构的物理力学参数如表1所示。

表1 材料的物理力学参数

模型在竖直方向上取30 m，在垂直隧道轴线方向上取50 m，在平行于隧道轴线的方向上取38 m。模型上边界为自由表面，下表面在竖向施加约束，侧面在相应水平方向施加约束[1-4]。为与实际情况相符，在楼板及地面上布置5 kN/m2的均布荷载。所建模型见图2。

图2 有限元模型

图3 隧道开挖各阶段施工长度示意图（单位：m）

2 施工阶段模拟

为分析框架结构位移随施工阶段的变化情况，模拟中将隧道分为10段进行开挖，每段施工长度除临近结构第一榀框架为2 m外，其余均为4 m。具体各施工段划分如图3所示。

模拟中将每施工段按土体开挖与衬砌支护两步施工，加上原始阶段，则共分21个施工阶段。为便于分析框架位移随施工阶段的变化情况，将隧道开挖的施工阶段以0～20进行定义，其每段对应施工工况如表2所示。

表2 施工阶段与施工工况对应表

3 框架结构最终位移影响分析

因隧道轴线与框架结构纵向平行，隧道开挖引起的框架位移主要是沉降以及与隧道轴线垂直方向的水平位移，故仅对这两方向位移进行分析。且因框架结构各榀框架相互平行，则只对第一榀框架的位移进行分析。

3.1 框架结构沉降变化分析

隧道开挖完成后，第一榀框架的沉降数值如图4所示。

图4 施工引起框架结构的最终沉降（单位：mm）

图5 施工引起框架结构的水平位移（单位：mm）

由图4可以得出如下结论:

1)隧道开挖引起框架各层梁沉降的变化规律及沉降数值基本相同，各层梁均在靠近隧道一侧沉降最大，在远离隧道一侧沉降最小，差异沉降达33.2 mm。

2)隧道开挖引起框架每根柱的沉降亦有靠近隧道开挖侧最大、远离隧道开挖侧最小的规律，且每根柱通长的沉降变化除在桩底小有差异外，其余均无变化。

分析可知，隧道开挖引起框架各部分不同程度的沉降，且因梁柱的连接作用，使框架同一竖向截面上的沉降基本一致。

3.2 框架结构水平位移变化分析

隧道开挖完成后，第一榀框架的水平位移数值如图5所示。

由图5可以得出如下结论:

1)施工引起框架每根柱的水平位移均有上大下小的规律，且各柱在同一标高处除桩基部分小有不同外，其余部分均无差异。靠近隧道开挖侧框架桩的水平位移方向与其余桩位移方向不同，这是因为此桩处开挖隧道上方，由于土体开挖应力释放引起该桩底部向隧道拱顶以右发生位移。

2)施工引起梁的水平位移亦有上大下小的规律，且各层梁通长范围内的水平位移相同。

分析可知，隧道开挖引起框架各部分不同程度的水平位移，且因梁柱的连接作用，使框架的地上部分在同一水平面上的位移基本一致。因框架桩间无梁连接，框架桩在同水平面上的位移便小有差异。

4 框架结构位移随施工阶段变化分析

4.1 框架结构沉降随施工阶段变化分析

因框架每层梁的沉降数值相差不大，故仅对第一榀框架如图6所示四个节点的沉降随施工阶段的变化进行分析，并得到节点沉降随施工阶段的变化曲线图(如图7所示)。

由图7可以得出如下结论:

1)框架各点沉降随施工阶段的进行逐渐增大，且其变化曲线随施工阶段的进行逐渐变缓。这是由于隧道开挖引起应力释放，导致土体沉降，相应引起框架沉降。随着施工阶段的进行，隧道开挖位置距离该榀框架越来越远，土体开挖产生的应力释放对该榀框架的沉降影响也会越来越小，从而使各点沉降随施工阶段的变化曲线渐趋平缓。

2)节点沉降随施工阶段的变化曲线因节点距离隧道轴线长度的增加而变缓。这是由于节点距离隧道轴线越远，其受隧道开挖影响越小。

图6 沉降分析四节点示意图

图7 框架沉降随施工阶段的变化曲线图

4.2 框架结构水平位移随施工阶段变化分析

因框架每根柱的水平位移相差极小，故仅对第一榀框架如图8所示四个节点的水平位移随施工阶段的变化进行分析，并得到各节点水平位移随施工阶段的变化曲线图(如图9所示)。

图8 水平位移分析四节点示意图

图9 框架水平位移随施工阶段的变化曲线图

由图9可以得出如下结论:

1)地面以上框架各点水平位移随施工阶段的变化规律大致相同。高度越高，节点水平位移随施工阶段的变化程度越剧烈。桩底节点的水平位移方向与上部框架节点位移方向相反，且其水平位移随施工阶段的变化不大。

2)各条曲线在后期施工阶段变缓，这与隧道开挖对该层框架的影响减弱有关。

5 结语

隧道开挖引起框架结构的差异位移与距离隧道轴线的长度和框架的基础形式有关。因该框架为桩基，且各桩之间无相互连接，其在控制结构差异位移方面较差。实际工程中如遇此类情况，应在隧道开挖时采用注浆加固地层的方法控制框架沉降，或在施工结束后采取纠偏措施纠正框架的差异沉降。也可考虑对框架基础进行加固，使框架基础成为各部分相互关联的整体，从而减小框架结构各部分的差异位移。

框架位移随施工阶段的变化规律说明施工阶段对框架结构的影响是有限的。故应在影响较为明显的施工阶段采取相应的工程措施控制框架结构的位移，这对控制框架结构的最终位移效果最明显。

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