紧邻重要结构物隧道施工力学分析与控制技术

王 猛 张艳艳

(1.北车建设工程有限责任公司，北京 100078； 2.重庆隧源建筑劳务有限公司，重庆 400000)

紧邻重要结构物隧道施工力学分析与控制技术

王 猛1张艳艳2

(1.北车建设工程有限责任公司，北京 100078； 2.重庆隧源建筑劳务有限公司，重庆 400000)

以重庆轨道交通三号线华新街至观音桥区间隧道工程为背景，利用ANSYS有限元软件对隧道开挖时产生的影响进行了力学模拟，重点分析了地面建筑密集地段隧道双侧壁导坑法施工的稳定性，并以隧道施工安全为目标、控制沉降为基本条件，分析了开挖中产生应力、位移的原因，据此提出了安全的施工控制措施。

轨道交通，隧道开挖，力学分析，有限元分析

0 引言

城市土地资源日趋紧张，发展地下空间成为人类在地球上生活的第二空间[1]。城市轨道交通多数位于繁华地段，对隧道建设提出了更高要求，处理不当将造成土体不均匀沉降，从而引发隧道安全隐患，以及建筑结构的变形甚至破坏。施工中处理好隧道开挖与紧邻结构物的关系成为研究的重点。许多文献中以建筑物安全为目标，充分研究施工对建筑物基础沉降、结构内力的大小[2，3]。因隧道下穿施工引起结构物的局部倾斜是影响其安全和稳定的主要因素，按国家规定倾斜率3/1 000为最大局部倾斜值[4]。而地表构筑物与地下隧道施工之间会产生彼此相互影响，地表构筑物地基对地表上部荷载的传递是向下逐渐扩散的[5]。鉴于紧邻结构物的隧道施工由于围岩及覆盖结构物的不同，而产生应力的不确定性，很多研究都只是针对自己实际面对的模型进行的数值模拟研究[6-10]，结论也不一而终。

本文将上部结构物换算为等效荷载施加在基础上，并且着重考虑施工工法在隧道施工中的稳定性以及对结构物基础的沉降分析。

1 工程概况

重庆轨道交通三号线华新街—观音桥区间隧道共长929.407 m，其中隧道临近终点段位于观音桥步行街下穿道西侧，紧邻黄金海岸，周边主要有爱尔眼科医院、405车站以及观音桥商业步行街多家商场，交通及人流量十分大，管线星罗密布，隧道开挖轮廓线距黄金海岸商铺地下室仅0.7 m；隧道拱顶给水管、排水管、燃气管、光缆等各种管线密布，并且老化陈旧，部分管线位于隧道开挖轮廓线2 m范围内；区间地质条件较差，该段隧道长约45 m，断面宽11.9 m，高10.95 m，埋深5 m，暗挖法施工，采用双侧壁导坑法开挖。

隧道与周边结构物的关系如图1所示。

2 力学分析

力学分析采用ANSYS大型有限元分析软件，在计算中做如下假设：

1)使用二维平面应变模型进行数值模拟；

2)在计算范围内的围岩为均匀的土层；

3)将隧道顶部施加竖向附加应力等效为上部结构物。

2.1 计算条件

1)横向计算范围：隧道开挖左右边线外各取75 m；

2)竖向计算范围：隧道拱部及底部开挖边线外各取15 m；

3)约束条件：底部加竖向约束，左右各加水平约束；

4)计算中材料的物理力学参数见表1。

表1 材料的物理力学参数

2.2 计算结果

1)应力计算结果。

各开挖步骤围岩的应力场。开挖第一部分的应力场，如图2a)所示；开挖第二部分的应力场，如图2b)所示；开挖第三部分的应力场，如图2c)所示；开挖第四部分的应力场，如图2d)所示。

2)位移计算结果。

关键点位移。拱顶竖向位移变化曲线，如图3a)所示；拱底竖向位移变化曲线，如图3b)所示；左侧边墙中点水平位移变化曲线，如图3c)所示；右侧边墙中点水平位移变化曲线，如图3d)所示。

2.3 计算结果分析

1)围岩主应力场分析。

从施工过程中各开挖步中围岩的第一和第三主应力图我们可以看出，围岩在整个过程中承受的最大压应力为5.33 MPa，它小于Ⅴ级围岩的抗压强度。在中隔壁支撑的围岩处出现了很大的拉应力，最大达到2.69 MPa，在围岩的抗拉强度以内，其处于安全状态。

2)位移变化分析。

拱顶在初始自重场中的沉降量为1.405 cm，到二衬施作完毕后沉降量为1.445 cm，在整个施工过程中共下沉0.04 cm；拱底在整个施工过程中上升了0.25 cm；拱墙左侧边缘点在整个施工过程中向右偏移了0.03 cm；拱墙右侧边缘点在整个施工过程中向左偏移了0.04 cm。

3 施工控制措施

根据本工程紧邻重要结构物的显著特点及以上力学分析，在施工中提出以下施工控制措施：

1)WSS超前预注浆。

在隧道进行开挖之前，通过采用WSS超前预注浆技术，对掌子面前方开挖轮廓线2 m范围以内的土体进行全断面预加固，注浆孔进行全断面(回填土范围)布置，掌子面间距为1 000 mm(根据土层情况及注浆效果可采取动态调整)，周边孔间距为400 mm，外插角确保开挖轮廓线外固结圈不小于2 m，每6 m施作一循环，钻孔深8 m，搭接2 m。

2)开挖及支护。

按双侧壁导坑法施工，隧道分成四个部分开挖，各部分开挖施工间隔为3 m～4 m，每次开挖进尺为一榀拱架间距，严禁多榀一次开挖。拱部支护采用φ51超前自进式锚杆，锚杆长L=5 000 mm、环向间距为300 mm、纵向为1.5 m，锚杆施工完毕后应立即注浆。

3)紧邻结构物的保护。

加强施工过程中对紧邻结构物的监控量测，加大对挡墙基础注浆加固，严格控制紧邻结构物、人行通道、挡墙及路面的下沉，确保隧道自身及周边结构物的安全。

4 结语

1)通过力学分析表明，本工程隧道采用双侧壁导坑法开挖是可行的；数值分析施工过程中拱顶及其他关键点的变形量都比较小，隧道处于稳定状态；同时，在拱顶处初衬可能会出现小范围的开裂，施工中应加以注意，采取应对措施加以控制。

2)在紧邻结构物的浅埋暗挖地段进行隧道施工中，本工程提出了WSS超前预注浆、控制进尺、加强监测、严控变形等等施工控制措施来确保在施工过程中隧道自身以及周边结构物的安全稳定。

[1] 王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧道建设，2010，30(4)：351-364.

[2] 姜忻良，贾 勇，赵保建，等.地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J].岩石力学，2008，29(11):3047-3052.

[3] 王志刚.地铁施工对某饭店裙楼结构稳定性影响分析[J].隧道建设，2010，30(4)：420-422.

[4] GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

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[6] 于 宁，朱合华.盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析[J].岩土力学，2004，25(2)：292-296.

[7] 卿伟宸，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J].地下空间与工程学报，2005，1(6)：960-963.

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Mechanical analysis and control technology of tunnel construction near important structures

Wang Meng1Zhang Yanyan2

(1.BeicheConstructionEngineeringCo.,Ltd,Beijing100078,China;2.ChongqingSuiyuanBuildingandLaborServiceCo.,Ltd,Chongqing400000,China)

Taking the tunnel engineering of Huaxin street-Guanyin bridge of Chongqing rail transit No.3 line as an example, the paper carries out mechanical simulation of tunnel excavation impact with ANSYS finite software, analyzes construction stability of double-side-drift method at crowded buildings section, takes tunnel construction safety as target and subsidence control as basic conditions, analyzes excavation stress and displacing causes, and finally puts forward construction safety controlling measures.

rail transit, tunnel excavation, mechanical analysis, finite element analysis

2014-12-19

王 猛(1979- )，男，硕士，工程师； 张艳艳(1986- )，女，助理工程师

1009-6825(2015)06-0157-03

U455

A