隧道开挖对周边建筑物变形的影响分析

关 永 平

(中国铁路设计集团有限公司， 天津 300142)

隧道开挖对周边建筑物变形的影响分析

关 永 平

(中国铁路设计集团有限公司， 天津 300142)

以哈尔滨地铁某区间隧道为工程背景，采用有限元软件建立近接既有建筑物隧道施工的二维模型，研究不同隧道与建筑物水平间距、建筑物基础埋深以及土层参数等关键参数对建筑物变形的响应规律。从建筑物基础总体沉降和首尾沉降差分布两个角度分析，根据不同参数对于隧道开挖引起建筑物变形响应的规律，优化施工中隧道施工方案，保证地铁暗挖区间隧道在施工过程中的安全性、稳定性。

隧道施工；建筑物变形；数值模拟；相互作用

随着人口大量涌入城市，交通拥堵现象越来越严重，而开发地下空间是解决这一现象的有效途径之一[1-3]。随着隧道施工的逐渐增多，逐渐出现隧道下穿邻近既有建筑的现场，而隧道的施工过程中势必对建筑物的变形造成影响[4-5]。近年来，隧道开挖对周边建筑物变形的影响引起一些学者展开了一系列研究。

张顶立等[6]通过研究厦门机场路隧道下穿地表复杂建筑群，采用现场监测、数值分析以及理论计算的方法，揭示了下穿隧道施工对建筑物的变形规律以及变形破坏模式的影响。贺美德等[7]以盾构地铁区间隧道侧穿高层建筑物为依托，采用数值分析和现场测量的方法，对隧道开挖引起的邻近高层建筑物的基础倾斜和结构沉降进行研究，得出盾构机到达建筑物之前、经过及离开时，邻近建筑物的倾斜和结构沉降的变化规律。李亚勇[8]等通过建立离散元模型，分析了连拱隧道开挖引起的地表沉降规律，上部建筑物的倾斜度以及基础的沉降规律，以及研究了隧道下方既有隧道的变形和受力特征，并将实际监测的结果与数值计算的结果进行了对比分析。朱逢斌等[9]在考虑土体-隧道-建筑物相互作用的基础上，建立三维有限元模型，对隧道施工引起的楼面扭曲和框架柱轴力进行研究，并针对关键参数进行了敏感性分析。董燕等[10]采用有限元计算方法，分别对独立基础、筏板基础、独立桩基础的不同偏移距进行数值计算，研究不同偏移率和不同基础种类下建筑物沉降差和基础位移，得出其变化规律，并给出其对应的原因。一些学者也针对隧道施工对既有建筑物的影响进行了研究[11-14]。

但目前隧道施工引起的敏感性参数对邻近既有建筑物变形的影响仍需要进一步研究。本文采用数值模拟的方法建立有限元模型，对不同隧道与建筑物水平间距、建筑物基础埋深以及土层参数等关键参数引起的建筑物变形响应规律进行研究，从建筑物基础总体沉降和首尾沉降差分布两个角度分析，总结得出了一些有益结论。根据不同参数对于隧道开挖引起建筑物变形响应的规律，优化施工中隧道施工方案，保证地铁暗挖区间隧道在施工过程中的安全性、稳定性。

1 工程背景

工农大街站—终点区间，从工农大街站开挖，顺丽江路向东前进通过半径3 m的曲线，至丽江路到达终点。区间起讫里程为DK42+445.683—DK42+869.516，区间全长424.678 m。该隧道区间采用暗挖法施工，断面形状为单洞单线马蹄形。区间竖向为单向坡，最大的坡度为1.509%，其上覆土厚度约为15.177 m。区间设置施工竖井一座，见图1。

图1暗挖隧道的断面图

本区间线路主要沿丽江路由北向南敷设，沿线主要建筑物为商业与居民楼。线路从工农大街站引出后北行，向南敷设，到达终点。本区间施工方法为矿山法，其区间相连车站均采用明挖法施工，地质剖面图见图2。

图2地质剖面图

2 计算模型的建立

2.1 基本假定

模型中采用的基本假定和基本说明：

(1) 材料采用修正M-C破坏屈服准则，考虑土体卸载和重加载刚度硬化；

(2) 对隧道超前注浆导管采用实体单元等效刚度的原则进行模拟；

(3) 对于材料和地层的应力以及应变，假定其受力过程中均在弹塑性范围内变化；

(4) 忽略地下水的影响。

2.2 有限元模型

本文采用MIDAS/GTS建立数值模型进行计算，分析隧道施工对于邻近多层框架建筑物的变形影响规律。由于主要研究建筑物与周边地层的变形规律，故忽略隧道开挖纵长方向的影响，建立简化的二维平面应变模型。

为消除边界效应对计算结果的影响，模型尺寸定为100 m×30 m，见图3。模型中建筑物采用3跨7层框架结构建筑，采用平面四边形实体单元来模拟建筑物基础，基础埋深为1.5 m，长度为15 m，厚度为1 m。基础上方的建筑物的梁柱体系，采用的是梁单元模拟。其中梁截面采用0.6 m×0.3 m的矩形截面，柱截面采用0.6 m×0.6 m的矩形截面。顶层的活荷载取0.5 kPa，其楼层取2.25 kPa，考虑到墙体的重力，在每层楼板面上施加荷载4.9 kPa[15]。

图3二维模型网格示意图

2.3 边界条件和材料参数

(1) 边界条件。采用直角坐标系建立模型坐标，二维平面应变模型建立在xoy面，z轴为模型的纵深方向。在xoy平面内，x轴为水平方向，y轴为竖直方向。模型的边界条件，见图3。模型岩土材料两侧为水平向约束；模型底部全部施加约束；顶部则设置为自由面。

(2) 材料参数。本文主要是为研究不同土体参数、不同建筑基础埋深、不同建筑与隧道间距等参数对既有建筑物的影响规律。为了获得同一种的土层下的变化规律，对有限元模型赋予同一类属性。土层参数见表1。对于建筑物来说，选用魏新江等提供的参数[15]。

表1 土层参数表

3 关键参数对既有建筑物的变形分析

3.1 不同水平间距的影响

为研究隧道与建筑物的水平间距引起地层与建筑物变形规律，选择右线隧道与建筑物轴线的水平间距L分别为-7 m(两隧道中间)、0 m、5 m、10 m、15 m、20 m。

当右线隧道与建筑物的轴线水平间距分别取L为-7 m、0 m、5 m、10 m、15 m、20 m时，计算得到建筑物离隧道距离不同时的隧道开挖所引起的地面的变形结果，见图4。

图4不同水平间距下建筑物竖向位移

由于建筑物的存在，地表沉降曲线类型不是轴对称，既有建筑物基础的地面沉降有了较为明显的变化。当L=-7 m时，建筑物位于两隧道中间，可以看出建筑物基础沉降相对均匀，左右相差不到2 mm，最大沉降量为34.1 mm，比无建筑物时的沉降要大。当L=0 m时，建筑物轴线与右线隧道轴线重合，属于隧道下穿既有建筑物的情况，可以看出，最大值比L=-7 m时偏大。左线开挖隧道的影响导致建筑物的左下方土体产生卸载，建筑物基础沉降最大值与最小值之差为9.7 mm。得出当隧道右线刚好穿越建筑物中轴线时，导致建筑物的整体下沉现象，左线开挖虽然导致建筑物倾斜，但隧道开挖对既有建筑物影响较小；当L=5 m时，隧道开挖引起的建筑物沉降量最明显，最大值为36.9 mm，既有建筑物呈现出向隧道开挖侧倾斜的趋势，建筑物基础的首尾沉降的最大差值约27.3 mm；当L=10 m时，地面沉降量相比较于L=5 m时，减少13.9 mm，建筑物的基础首尾沉降差约为20.2 mm；当L=15 m时，引起的地面沉降将继续减小，最大地面沉降量为13.5 mm，建筑物的基础首尾沉降差约为7.9 mm；当L=20 m时，其地面最大沉降量是7.9 mm，而既有建筑物基础的首尾沉降差值是2.2 mm。表明此时隧道施工对其影响不大。

3.2 不同基础埋深的影响

除了隧道与既有建筑物的水平间距外，既有建筑物的基础埋置深度的不同也对建筑物的变形产生影响。为了避免哈尔滨特有的季节性冻土对上部建筑物的影响，通常多层建筑的基础埋置于1.5 m以下。对于有地下室要求的建筑物通常基础的埋置深度将更深。为研究双隧道开挖下，不同基础埋深对既有建筑物变形规律的影响，现考虑四种基础埋深情况：H=1.5 m、H=4.0 m、H=7.0 m、H=10.0 m。考虑不同基础埋深条件下隧道开挖引起的建筑物变形规律分析时，模型均取L=15 m。

不同基础埋深情况下的建筑物基础竖向位移和总位移如图5和6所示。

图5 不同基础埋深下建筑物竖向位移

图6不同基础埋深下建筑物总位移

从图5、图6可以看出，当基础埋深H=1.5 m时，建筑物的竖向变形最大，约为13.5 mm，基础总变形同样最大，约为13.8 mm。建筑物的竖向变形和总变形量相差不大，说明建筑物的水平位移较小，没有受到较大的水平不平衡力。建筑物基础的首尾沉降差最大，约为7.93 mm，建筑物将会发生向隧道一侧倾斜的趋势。随着建筑物基础埋深的增加，建筑物沉降值逐渐减小。当H=10.0 m时，最大沉降值约为3.7 mm，此时基础的底板位于隧道的拱腰处。此时，建筑物的基础首尾沉降差约为2.2 mm，同样为各工况下最小值。因此，当建筑物基础的埋置深度增加时，建筑物的沉降量逐渐减小，建筑物的破坏风险降低。

3.3 不同土层参数的影响

现考察不同土质条件下隧道开挖引起的建筑物变形情况，考虑到哈尔滨的土质特性，本节模型中分别取三种不同的土体进行研究，土质参数的改变见表2，考虑到砂土与黏土在隧道施工过程中的时间效应，不同土质采用不同的应力释放系数进行模拟，即隧道开挖后，应力并非达到完全稳定，而是经过一定的时间才会趋于稳定，通常当应力、变形尚未达到稳定时，支护便起到约束作用，利用数值软件中应力释放率的不同来表示实际工程中支护时机的不同。不同土质的应力释放率见表3，考虑土质变化时均取L=10 m。不同土层参数下建筑物变形情况见图7、图8。

表2 土层参数表

图7不同土质参数下建筑物的变形规律

表3 应力释放系数表

图8不同土质参数下基础的变形规律

由图7和图8可以看出，随着土质变差，建筑物倾斜度和最大建筑物沉降量都发生明显增大。当E=20 MPa(土层为粉质黏土)时，最大的沉降量达39.4 mm，并且在建筑物基础的下方产生较大的沉降差，约为20.9 mm，建筑物容易开裂，因此可见暗挖法并不适用于土质较差的情况。如若条件只允许采用暗挖法进行施工，那么对于软弱地层的中小型断面来说可考虑采用CRD、CD工法或大管棚法，值得注意的是不宜采用全断面法。

4 结 论

(1) 当建筑物在两隧道之间以及单个隧道的上方位置时，既有建筑物的沉降量较大，但建筑物相对安全；当建筑物的基础边缘位于单个隧道开挖范围上方时，建筑物首尾的沉降差较大，建筑物较危险；当随着水平间距的进一步增大，隧道开挖对建筑物的影响较小；当建筑物与隧道的轴线距离大于3倍隧道开挖洞径时，隧道施工对建筑物的影响可以忽略不计。

(2) 随着基础埋深的减小，建筑物的沉降量会明显增大，并且基础首尾差异沉降量也随之增加。随着土质的变差，最大建筑物沉降量和建筑物倾斜度都明显增大。

(3) 土层参数的改变对于既有建筑物变形的影响较为显著，尤其是土体弹性模量的改变最为敏感。随着土质的变差，建筑物倾斜度和最大建筑物沉降量都发生明显增大。暗挖法并不适用土质较差的情况。如若条件只允许采用暗挖法进行施工，那么对于软弱地层的中小型断面来说可考虑采用CRD、CD工法或大管棚法，值得注意的是不宜采用全断面法。

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ImpactsofTunnelExcavationonDeformationofSurroundingBuilding

GUAN Yongping

(ChinaRailwayDesignCorporation,Tianjin300142,China)

Two dimensional finite element model is adopted to analyze the impacts of tunnel excavation on deformation of surrounding building. The key parameters considered are the distance between tunnel and building, overburden of building foundation and soil parameters. The investigations are conducted through two aspects which are the total settlement of building foundation and the different settlement distribution both sides. Based on effect the different parameters on deformation of building caused by tunneling excavation, the construction schedules are optimized to ensure the security and stability in the tunneling construction stages.

tunnelingconstruction;deformationofbuilding;numericalsimulation;interaction

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.045

2017-06-24

2017-07-24

关永平(1989—)，男(蒙古族)，内蒙古通辽人，博士，工程师，主要从事地铁设计和研究等方面的工作。E-mail: guanyongping@126.com

TU47

A

1672—1144(2017)06—0227—06