小净距左右不同跨度隧道施工对上部建筑物变形影响分析

张学富,彭 涛

(重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074)

随着我国国民经济的快速发展，城镇化建设也在不断加速，地上道路不能满足现代交通需要，修建地下通道便成为了交通建设的必然手段。由于受地质、地面建筑复杂环境以及隧道分开建设带来的展线困难与占地大等因素的影响，小净距隧道因其施工工艺简便、工程造价低等优越性而越来越受到建设部门的青睐[1，2]。在城市轨道交通快速发展中，下穿建(构)筑物的特大跨径隧道越来越多，有必要研究特大跨度、偏压隧道施工对上部建筑物的影响[3]。

近年来，关于小间距隧道的设计和施工技术研究，国内外科学工作者已通过理论研究、现场测试和数值分析等措施取得了一定的经验和成果[4]。唐明明等[5]对穿越公路的小净距隧道施工方法进行了研究，得出采用上下台阶法可保证施工期间省道正常运行和洞室稳定；赵东平[6]对小净距平行隧道下穿施工对多层建筑的影响研究，得出了隧道施工对多层建筑物基础的位移影响规律；杜菊红等[7]对偏压错台小间距隧道施工的位移场进行了研究，得出了两洞开挖顺序不同，最终位移场的分布规律相同，但数据上有一定的差异；张雪金等[8]对小净距隧道下穿采空区地层施工室内模型试验，对施工过程围岩及采空区的沉降进行了监测；FU Y.P等[9-10]采用数值计算方法研究隧道开挖引起采空区位移影响，以及考虑地基影响时隧道施工与既有建筑物的关系；习淑娟等[11]以合肥小净距隧道穿越利海大厦办公楼工程为背景，采用数值分析方法研究了建筑物桩基变形特性、隧道围岩塑性区分布以及衬砌力学响应分析；毕可为等[12]分别采用先开挖单线盾构区间和施工折返暗挖段两种工况，研究了小净距隧道施工间的影响；曹雪[13]以重庆某近接隧道高层建筑为对象，研究了高层建筑施工对既有隧道稳定性影响；章慧健等[14]利用数值模拟方法讨论了新建隧道施工从不同距离、不同部位对既有建筑物的影响程度；刘书斌等[15]利用有限元方法模拟采空区地层下修建小净距隧道，分析采空区地层倾角对双洞小净距隧道初支的稳定影响；王俊，戴志仁[16]研究了黄土地区大面积基坑开挖和高层建筑施工对地铁隧道的影响，得出高层建筑物荷载通过转换梁与桩基础传到地层深处。以重庆市两江桥渝中连接隧道为研究对象，通过大型有限元软件ANSYS进行数值分析，重点研究了下穿多层建筑物且严重偏压小净距隧道施工对上部建筑物位移的影响规律，对相似工程研究具有一定参考作用。

1 工程概况

两江桥渝中连接隧道与解放东路接口工程场地行政区划属重庆市渝中区，主线隧道下穿重庆市第一人民医院门诊楼，其中位于隧道正上方的部分门诊楼及相关建筑现已拆除，位于隧道左上侧门诊楼保留，明挖区段和暗挖区段的交界里程为ZK13+920.500/YK13+919.810，保留门诊楼为8层框架结构房屋，其基础距离隧道边缘范围约为2.5～7.5 m，场地及周围无断层通过，上部建筑与隧道平面位置关系见图1。

图1 解放东路接口工程(EF匝道)平面

工程场区出露的地层由上而下依次为人工填土、砂质泥岩及砂岩层，砂岩节理裂隙不发育，完整度较好，有较好的自承能力。右洞开挖跨度达22.1 m，开挖高度为13.72 m，洞顶埋深仅约为7.72 m；左洞跨径为13.26 m，开挖高度为9.97 m，埋深为9.65 m。隧道拱顶以上为素填土，填土以下为泥岩砂质且较完整。两隧道净距范围为5.726～6.058 m，为典型的小净距隧道，断面设计见图2。

图2 衬砌设计断面(单位：mm)

2 计算模型

2.1 计算参数

本分析模型中围岩由填土层和砂岩层构成。根据地质勘查资料显示，渝中连接隧道围岩级别为Ⅳ级，围岩的支护体系主要包括喷混凝土、钢支撑、系统锚杆、预应力锚杆和加固区等。其中，初支为C25混凝土，二衬采用C30混凝土。围岩及隧道支护体系的力学参数见表1。隧道上部的建筑物作为本次研究对象，其计算参数见表2，上部建筑物为8层楼的框架结构建筑，主体结构包括框架柱、梁和楼板等，基础结构形式采用筏型基础。

表2 建筑物的计算参数

2.2 模型

本模型采用有限元软件ANSYS进行数值模拟，整个模型采用地层-结构法进行分析。选取具有代表性的计算区段，计算里程为ZK13+928.441～ZK13+960.441/YK13+927.499～YK13+959.499。上部填埋层高度为2.5 m，下部砂岩层为58.8 m，分析计算模型沿隧道纵向总长度为32 m，左右总宽度为170 m，其左右横向边界到隧道外侧的距离约为4倍洞径，下部边界到隧道的距离约3倍洞径。初支、二衬采用solid45实体单元。左右隧道初支中均设置有钢支撑，截面形式为不同型号的工字钢。其中，锚杆、钢支撑和临时支撑采用beam188单元，通过定义不同的截面来区分各构件。在隧道上方建设有1栋8层框架结构的建筑物，从平面上看，建筑物位于左隧道左侧，距离左隧道边缘为5.2 m，为简化和建模需要，层高均为3 m，柱子和梁的截面尺寸为0.5 m×0.5 m，楼板厚12 cm，采用shell181单元；基础形式采用筏型基础，其埋深为2.5 m，基础横纵方向超出主体结构2 m，基础底面与砂岩层相接，尺寸为26 m(长)×16 m(宽)×2.5 m(高)，建筑物基础、柱和梁采用混凝土solid65实体单元。整个模型经网格划分后，单元有237 023个，节点有241 970个，其上部建筑物单元网格图和总体单元网格图分别见图3(a)、图3(b)所示。有限元计算模型顶部为自由边界，其余边界皆施加法向约束。

图3 3D仿真分析模型

2.3 开挖工况

小间距隧道施工通过开挖方法和开挖顺序定义了3种工况。根据其施工顺序不同分为左洞先行的CD+弧形导坑预留核心土(工况Ⅰ)、左洞先行的超短台阶+弧形导坑预留核心土(工况Ⅱ)和右洞先行的CD+弧形导坑预留核心土(工况Ⅲ)施工方法。在建立的弹塑性力学模型中，通过单元的生死来模拟开挖过程，各工况开挖进尺为4 m。工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的施工顺序分别见图4(a)、图4(b)、图4(c)。其中，超短上下台阶法中，上下掌子面距离为4 m。

图4 3种不同开挖工况

3 计算结果分析

结合实际施工状况，对上部建筑物的影响主要集中在沉降和倾斜两方面。为便于分析研究，针对不同的工况在建筑物中取出了15个分析点作为研究对象，分别为沿基础长度方向上等距离选取的A～G 7个分析点且各分析点间距为4 m，编号H～K的分析点为房屋顶面4个角点，在建筑物中柱上等距离取出了4个编号为L～O分析点。建筑物结构各分析点布置见图5。

图5 房屋结构分析点布置

3.1 工况Ⅰ

3.1.1 基础结构的位移分析

为能说明下部隧道施工对基础的影响，得出基础总位移沿长度的变化曲线，见图6。由图6可知，在地下隧道开挖后，基础的总位移沿其长度方向近似为直线，表明基础近似地发生了刚性位移，只是做微小的平动，即基础的形状几乎不会发生变形。

图6 基础总位移沿其长度方向的曲线

图7 建筑物顶面位移随荷载步变化曲线

3.1.2 主体结构的位移分析

工况Ⅰ的总荷载步为83步，上部建筑主体结构水平、竖向位移随隧道施工过程的曲线见图7、图8。

图8 建筑物沿其高度方向的位移随荷载步变化曲线

由图7(a)可知，在隧道开挖过程中，建筑物主要发生左右倾斜，靠近隧道的角点水平位移小于远离隧道的角点位移，房屋顶面四角点的水平位移变化规律相似，皆在开始施工右洞时出现突增的现象，但在数据上存在细小的区别，其水平位移变化范围为-0.126～0.30 mm。从图7(b)看出建筑物在隧道的开挖过程中发生沉降现象，其沉降量变化范围为-11.459～-11.65 mm，建筑物顶面四角点竖向位移皆在开挖右洞时呈现突增现象。靠近隧道的角点竖向位移在开挖右洞过程中逐渐减小，远离隧道的角点竖向位移逐渐增大，最终趋于稳定。

由图8(a)、图8(b)所示，建筑物沿高度方向的水平位移和竖向位移在隧道施工过程变化量不大，其水平方向摆动幅度为-0.096～0.145 mm，但在开挖右洞时出现突增的现象。建筑物竖向位移量随着高度的增加，沉降量越大。

3.2 工况Ⅱ

3.2.1 基础结构的位移分析

工况Ⅱ中总荷载步为66步，基础总位移沿长度方向的变化曲线见图9。由图9可知，在地下隧道开挖支护后，基础的总位移沿长度方向出现先减小后增加再趋于平缓的现象，由于减少的幅度小，表明基础在隧道开挖过程中形状发生了细微变形。

图9 基础总位移沿其长度方向的曲线

3.2.2 主体结构的位移分析

图10(a)可看出，在整个隧道开挖过程中，靠近隧道一侧的角点主要发生负方向位移，远离隧道一侧的角点主要发生正方向位移，皆在左洞施工完后开挖右洞时位移发生突变，总的变化幅度为-0.134～301 mm。由图10(b)可知，建筑物在隧道的施工过程中发生沉降现象，建筑物沉降最大值为-11.661 mm，发生在靠近隧道一侧。

图10 建筑物顶面位移随荷载步变化曲线

图11(a)、图11(b)分别展示了建筑物沿高度方向随隧道施工过程的水平位移和竖向位移变化曲线。其中，沿建筑物高度方向上各分析点的水平位移变化范围很小，总的变化范围为-0.145～+0.146 mm；不同高度分析点的竖向位移不同，其沉降量沿高度方向近似线性增加，但在左洞开挖支护结束后施工右洞时出现突变现象。

图11 建筑物沿其高度方向的位移随荷载步变化曲线

3.3 工况Ⅲ

3.3.1 基础结构的位移分析

图12为基础总位移沿长度方向的变化曲线。由图12可知，在地下隧道开挖支护后，基础的总位移沿长度方向近似呈直线变化，表明基础在隧道开挖过程中近似地发生了刚性位移，即基础的形状几乎不会发生变形，只是在隧道开挖过程中有细微的平动。

图12 基础总位移沿其长度方向的曲线

3.3.2 主体结构的位移分析

工况Ⅲ与工况Ⅰ荷载步相同，只是开挖顺序不同。在隧道施工过程中，建筑物屋顶的水平位移和竖向位移同荷载步变化曲线依次见图13(a)、图13(b)所示。由图13可知，靠近隧道一侧角点的水平位移和竖向位移在隧道的整个开挖过程中变化幅度较小，在开挖右洞时出现突变现象；但远离隧道一侧角点的竖向位移在隧道的整个开挖过程中，变化幅度较小，未出现突变现象。其中，水平位移(Ux)总的变化范围为-0.35～0.19 mm，竖向位移(Uy)总的变化范围为-11.627～-11.403 mm。

图13 建筑物顶面位移随荷载步变化曲线

图14(a)、图14(b)分别展示了建筑物沿高度方向随隧道施工过程的水平位移和竖向位移变化曲线。其中，沿建筑物高度方向上选取各分析点的水平位移在隧道开挖过程中主要发生负向位移，在左洞开挖支护结束后出现位移由负值变为正值的现象，但最终趋于平衡，总的变化范围为-0.334～+0.063 mm；不同高度的分析点其沉降量沿高度方向近似呈线性增加，但增长幅度逐渐减小。

图14 建筑物沿其高度方向的位移随荷载步变化曲线

4 比较与讨论

通过上述结果分析，对比图6、图9、图12可知，在左洞先行的CD+弧形导坑预留核心土法(工况Ⅰ)、右洞先行的CD+弧形导坑预留核心土法(工况Ⅲ)下的小净距隧道施工对上部建筑物基础的影响规律大致相同，只是在数值上存在细微的差异；在左洞先行的超短台阶+弧形导坑预留核心土法(工况Ⅱ)作用下基础发生非刚性位移而产生细微的变形，最终影响大小为工况Ⅱ>工况Ⅰ>工况Ⅲ。比较图7、图10、图13则有：在各工况下的小净距隧道施工过程中，上部建筑物的沉降规律和偏移规律总体相似，仅在数值上存在细小的变化。工况Ⅰ下，水平偏移幅度量为0.426 mm，最大沉降量为11.65 mm；工况Ⅱ中，相应值分别为0.435 mm、11.661 mm，在工况Ⅲ中，对应值为0.54 mm、11.627 mm。相比工况Ⅲ，工况Ⅰ下的水平偏移量和沉降量分别增加-21.1%、0.2%；同理，在工况Ⅱ中相应值分别为-19.44%、0.29%。在3种开挖方式下，房屋顶面的水平位移变化幅度比竖向位移大，其原因之一可解释如下：由于两小净距隧道的埋深不同，也存在偏压、错台现象，建筑物位于埋深较大的左隧道上面，在隧道开挖过程中，围岩受力发生变化，主要是由原来的上下竖向变形转化为左右倾斜变形。由图8、图11、图14可看出，在各工况下的小净距隧道施工过程中，沿建筑物高度方向由下向上各点的沉降量呈现出逐渐增大趋势，但增大幅度逐渐减小；工况Ⅰ中，沿建筑物高度方向沉降量增加百分比分别为5.75%，9.31%，10.47%；工况Ⅱ中，相应的值分别为5.71%，9.27%，10.42%；工况Ⅲ中，相应的值为5.73%，9.32%，10.46%。各点的水平位移值在隧道交接施工过程中出现了突变现象，究其原因为先开挖隧道施工结束后，整个围岩受力状态基本趋于稳定，但在后开挖隧道时出现了应力重分布，结构受力性质发生了改变，但在工况Ⅰ、工况Ⅱ下的小净距隧道施工过程中，由于沿高度方向上各点的水平位移有正有负，表现出对建筑物有微小的剪切发生。

5 结论

以重庆市两江桥渝中连接隧道为研究对象，通过大型有限元软件ANSYS进行数值分析，重点研究了下穿多层建筑物且严重偏压小净距隧道施工对上部建筑物位移的影响规律，结论如下。

(1)当围岩条件比较好、支护支撑合理、隧道地表存在不对称荷载时，右洞先行的CD+弧形导坑预留核心土(工况Ⅲ)相对于左洞先行的CD+弧形导坑预留核心土(工况Ⅰ)、左洞先行的超短台阶+弧形导坑预留核心土(工况Ⅱ)较好，即采用先开挖地表荷载较小的一侧隧道更为有利。

(2)在3种工况中，小净距隧道施工对上部建筑物的水平位移和竖向位移影响规律大致相同，仅在数值上存在细微的区别。相比工况Ⅲ，工况Ⅰ下的水平偏移量减少21.1%，沉降量增加0.2%；同理，在工况Ⅱ中相应值分别为-19.44%、0.29%。

(3)地表上侧建筑物沿高度方向由下向上的位移在隧道施工过程中移逐渐增大，但增长的幅度逐渐减小。工况Ⅲ中，沿建筑物高度方向沉降增加量百分比分别为5.73%，9.32%，10.46%。

(4)在小净距隧道采用中隔壁法、超短上下台阶法和环形导坑法的整个施工过程中，对上部建筑物的最不利影响发生在左右隧道交接施工过程中。因此，实际施工过程中，在一侧隧道施工完后，开始施工另一侧隧道时应加大监控力度。

[1] 杨小礼，眭志荣.浅埋小净距偏压隧道施工工序的数值分[J].中南大学学报(自然科学版)，2007，38(4):764-770.

[2] 王万平，韩常领，李建斐.超浅埋小间距隧道穿越既有公路变形规律模拟研究[J].现代隧道技术，2013，50(2):94-101.

[3] 张学富，刘佳祥，丁燕平，等.下穿高层建筑特大跨度超大断面偏压隧道施工方法研究[J].铁道学报，2012，34(5):107-113.

[4] 李立功，张亮亮，刘星.小净距双洞隧道下穿建筑物爆破震速控制技术研究[J].隧道建设，2016，36(5):592-599.

[5] 唐明明，王芝银，李云鹏.穿越公路偏压小净距隧道施工方法探讨[J].岩土力学，2011，32(4):1163-1168.

[6] 赵东平.小净距平行隧道下穿施工对多层建筑的影响研究[J].现代隧道技术，2011，48(5):30-38.

[7] 杜菊红，黄宏伟.偏压错台小间距隧道施工位移场动态模拟分析[J].岩土力学，2009，30(4):1102-1108.

[8] 张雪金，方勇，杨斌，等.小净距隧道下穿薄层采空区引起的地层移动分析[J].现代隧道技术，2016，53(5):100-107.

[9] Fu Y P， Fang Y， Cui G， et al. Influence of Over-lying Mined-Out Area Dip Angle on Stability of Highway Tunnel During Excavation[C]∥Proceedings of the International Conference on Geotechnical & Earthquake Engineering， Chengdu: ASCE， 2013：507-514.

[10] HM Shahin， T Nakai，S Kuroi. Interaction of Tunneling and Existing Structure Considering the Location of Foundation[J]. J-STAGE Journals， 2016，2(40):1428-1432.

[11] 习淑娟，黄琳.小净距隧道下穿既有建筑物稳定性研究[J].铁道标准设计，2015，59(6):117-121.

[12] 毕可为，皮圣，胡国平.不同施工方法下小净距隧道施工数值模拟及影响分析[J].铁道建筑，2015(12):47-49.

[13] 曹雪.城市高层建筑近接地铁隧道施工的影响研究[J].公路交通技术，2017，33(2):70-75.

[14] 章慧健，郭蕾，郑余朝，等.城市隧道近接建筑物施工的影响与对策分析[J].铁道工程学报，2016(4):95-100.

[15] 刘书斌，周超月，方勇.小净距隧道下穿薄煤层采空区地层开挖稳定性分析[J].铁道标准设计，2015，59(10):128-133.

[16] 王俊，戴志仁.黄土地区既有隧道上方新建建筑施工影响分析[J].地下空间与工程学报，2016，12(3):747-753.