建筑物施工对下部高铁隧道结构变形影响分析

唐 健

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

近年来，随着我国高速铁路、轨道交通和城镇化建设的快速发展，地下隧道与建筑物相互交叉、相互影响的情况越来越多，此时存在2 种工况：①隧道后于邻近建筑物施工，此时隧道的施工对已有建筑物产生影响；②隧道先于邻近建筑物存在，此时地面建筑物的施工必将对已有的隧道造成一定的影响。对于隧道施工对邻近建筑物的影响，国内研究的非常多［1－2］；而对于建筑物施工对其下部隧道、尤其是对变形有极为严格要求的高速铁路隧道的影响，国内外还没有这方面的研究。因此，本论文以某物流公司5，6号仓库上跨下部狮子洋高铁隧道为背景，利用有限差分软件分析建筑物施工对其下部高铁隧道结构变形的影响。

1 隧道工程概况

1.1 工程概况

拟建的建筑物位于广东省东莞市环东路以西，查验东路以北，保税中路以东。地块呈东西长向，地势较为平坦，项目建设用地面积67946.32 m2。其中5，6 号仓库位于广深高铁狮子洋隧道DK41＋600～DK42＋000段正上方，地表仓库距离隧道约28m，其结构采用门式框架结构，仓库内地面堆载50kN／m2。狮子洋隧道全长10.8 km，拟建建筑物下部区段隧道为盾构隧道，盾构内径9.8m，外径10.8m。管片采用C50高性能耐腐蚀混凝土，混凝土抗渗等级S12。每环环向接缝采用22只M36纵向斜螺栓连接，每环衬砌纵缝内共采用24只M36环向斜螺栓连接。

1.2 工程水文地质条件

仓库下部地层由上至下为：①人工填土层，组成物主要为粘性土，欠压实，层厚0.40～3.55m，平均厚度1.36 m，层顶埋藏标高－0.09～2.85 m；②海陆交互相沉积层，主要分布有粉质粘土层、淤泥层、淤泥质土层、粉土层、粗砾砂层、圆砾土层等；③冲积层，主要分布有粘性土层、淤泥质土层、粉细砂层、粗砾砂层、砾石卵石层；④残积土层主要分布有基岩、岩石全风化、岩石弱风化带。地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系碎屑岩类裂隙、孔隙水。

2 三维数值计算

2.1 模型的建立

根据建筑物与隧道的位置关系，计算模型尺寸为：隧道水平方向取200m，竖直向上取23.40 m，竖直向下取24.60m，隧道轴向取398m。计算区域划分成144067个单元，183895个节点，能够保证计算具有足够的精度。计算模型见图1。其约束条件为：两侧边界水平方向约束，铅直方向自由；底部边界铅直方向约束，水平方向自由；顶部为自由表面，上部受围岩自重作用。

图1 三维计算模型

2.2 流变本构模型

伯格斯是一种粘弹性模型［3］，它由马克斯威尔模型与开尔文模型串联而成，有4个可调参数。伯格斯模型的本构方程、蠕变方程、卸载方程分别为

式中：ηM、ηK 分别为马克斯威尔和开尔文粘滞系数；EK分别为马克斯威尔和开尔文模型的弹性模量；当t＝0时，ε0＝σ0／EM，模型有瞬时弹性变形，此时只有弹簧元件M 有变形，随时间的增长，应变逐渐加大，粘性元件按等速流动。

2.3 计算参数的确定

在计算中，围岩采用了伯格斯流变本构模型，隧道开挖采用了Null模型。管片结构采用了结构单元中的Shell单元，本构模型为弹性。岩体的初始地应力场考虑了自重应力，侧压系数取为0.43。考虑基底水泥搅拌桩加固对围岩岩性的改善，在模拟时适当提高加固区围岩参数［4－5］。在模拟过程中，围岩和支护结构物理力学参数见表1。

表1 围岩和支护结构物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 仓库施工阶段隧道结构位移分析

图2为仓库施工阶段隧道管片结构总位移云图。由图2可见，在隧道上方仓库施工的影响下，隧道管片发生了位移。影响区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，并且在仓库基础正下方的盾构隧道管片的变形较大，而Y＝160～270m 范围内的隧道管片变形相对较小，说明隧道上方仓库施工对正下部隧道的变形有一定程度的影响。

图2 施工阶段隧道管片结构总位移云图（单位：m）

从图2可以看出位移沿隧道轴向的大致分布规律，以下对隧道拱顶和左右边墙的位移规律进行深入分析。图3为隧道拱顶下沉位移曲线图，图4～5分别为隧道左右边墙的水平位移曲线。

图3 隧道结构拱顶下沉位移曲线图

图4 隧道左边墙水平位移曲线图

图5 隧道右边墙水平位移曲线图

由图3可见，隧道变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160m 和Y＝270～322m），该区域内隧道拱顶点竖向位移主要以沉降为主，且当隧道正上方存在仓库基础时，该处隧道结构拱顶竖向沉降位移出现峰值，左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y＝160m位置附近，右线发生在Y＝60m 位置附近，其峰值分别为－2.2 mm 和－2.0 mm；Y＝160～270 m 范围内的隧道结构的竖向位移相对较小，局部出现隆起现象，左右线隧道最小竖向位移位置分别为Y＝270m 和Y＝220m 附近；Y＝220m 位置左隧道处于6号仓库基础下方，而右隧道位于两仓库基础之间；Y＝270m 位置右隧道处于5号基础下方，而左隧道处于2仓库基础之间。此外，由于隧道与仓库基础区呈斜交，左右线隧道结构拱顶竖向位移曲线变化规律基本一致，但数值及其变化点位置不一样。

从图4和图5可以看出：在隧道上方仓库施工的影响下，隧道管片发生了水平变形，且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左隧道Y＝100m 和Y＝320m 处，最大负向水平位移量为1.64 mm。最大正向水平位移约在右隧道Y ＝160 m 处，最大正向水平位移量为

0.25 mm。

综上分析可知，隧道结构变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160 m 和Y＝270～322m），当隧道正上方存在仓库基础时，该处隧道结构位移出现峰值；而Y＝160～270m 范围内的隧道结构的位移相对较小，说明仓库基础施工对下方一定范围内隧道结构产生影响。

3.2 仓库运营阶段高铁隧道结构位移特征

图6为仓库运营过程中高铁隧道结构总位移云图。

图6 仓库运营阶段隧道衬砌结构总体位移云图（单位：m）

由图6可见，在隧道上方仓库堆载的影响下，盾构隧道管片变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，并且在仓库正下方的盾构隧道管片的变形较大，而Y＝160～270m 范围内的隧道管片变形相对较小，说明隧道上方仓库堆载对下部隧道的变形有一定程度的影响。最大变形位置约在左线隧道Y＝100m 处，管片最大变形量为8.73mm。

图7为隧道拱顶竖向位移曲线图，图8～9分别为隧道左右边墙的水平位移曲线。

图7 隧道拱顶竖向位移曲线图

图8 隧道左边墙水平位移曲线图

图9 隧道右边墙水平位移曲线图

从图7可以看出，在隧道上方仓库堆载的影响下，盾构隧道管片发生了竖向变形，左线和右线的竖向位移特征不同。隧道竖向变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160m 以及Y＝270～322 m 范围内），并且在仓库正下方的盾构隧道管片的竖向位移较大，而Y＝160～270m 范围内的隧道管片的竖向位移相对较小，说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的竖向位移。并且在仓库对隧道水平位移影响的区域内，隧道距离仓库底部的距离越近，隧道的竖向位移越大。最大竖向位移位于Y＝40m 处左右，最大竖向位移为7.69mm。

由图8和图9可见，在隧道上方仓库堆载的影响下，隧道管片发生了水平变形，且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左线隧道Y＝322m处，最大负向水平位移量为5.73mm。最大正向水平位移约在右线隧道Y＝322m 处，最大正向水平位移量为1.14mm。左线隧道Y＝322m 处位于与5号仓库斜交的边墙处，说明在仓库对隧道水平位移影响的区域内，隧道偏离仓库底部的距离越远，隧道的水平位移越大。

综上分析可知，隧道变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，而在其他区域内盾构隧道的变形较小，说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的变形。

4 结论

（1）仓库施工阶段，隧道结构变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，其他区域变形较小。最大负向水平位移位于左线隧道Y＝100m 和Y＝320 m 断面附近，其值为1.64 mm。最大正向水平位移位于右线隧道Y＝160 m 断面附近，其值为0.25mm。左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y＝160m 断面附近，右线发生在Y＝60m 断面附近，其值分别为－2.2 mm 和－2.0mm。

（2）仓库运营阶段，隧道结构变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，其他区域变形较小。最大负向水平位移位于左线隧道Y＝322m 断面附近，其值为5.73mm；最大正向水平位移位于右线隧道Y＝322m 断面附近，其值为1.14mm；最大正向轴向位移位于隧道Y＝322m 断面附近，其值为2.05mm；最大竖向位移位于左隧道Y＝40m 断面附近，其值为7.69mm。

［1］田世文，杜新飞，张 柏.北京地铁10 号线盾构下穿既有建筑物的控制措施［J］.铁道标准设计，2008（12）：148－150.

［2］杨毅秋，张继清.大直径盾构下穿既有地铁车站的施工模拟［J］.铁道标准设计，2011（2）：90－92.

［3］Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D User Manuals［R］.Minneapolis，Minnesota：Itasca Consulting Group Inc.，2005.

［4］彭文斌.FLAC3D 实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［5］陈育民，徐鼎平.FLAC／FLAC3D 基础与工程实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

［6］常 斌.浅埋软土隧道蠕变问题的有限元分析［D］.天津：天津大学，2006.

［7］张 永.盾构下穿地铁线路地层加固技术［J］.铁道建筑技术［J］.2011（1）：99－101.

［8］张茂海.水泥搅拌桩加固SH 高速公路软弱地基［J］.公路，2011（10）：48－49.

［9］邱青长，莫海鸿.水泥搅拌桩和砂桩在真空预压防护工程中应用与分析［J］.岩土工程学报，2007，29（1）：143－146.