近接建筑及桥梁地铁黄土暗挖隧道施工影响分析

王 哲

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

随着城市轨道交通网络的不断完善，地铁临近建筑及构筑物的情况愈发普遍。地铁施工会对周边建构筑物的受力和变形产生很大影响，甚至会导致建构筑物产生差异沉降、倾斜和破坏。为此，国内外学者对上述问题开展了一系列研究[1-5]，主要是对隧道施工对于地表沉降及支护结构的变形和受力进行了分析，但针对黄土地层同时紧邻建筑的地铁暗挖隧道的力学演化特征及对建筑物的影响规律研究较少。为此，本文采用MIDAS/GTS有限元三维数值模拟，对黄土地层中紧邻楼房建筑及桥梁的地铁暗挖隧道施工过程中隧道支护结构变形受力特性与对建筑物的影响规律进行了分析，并进一步提出了相应的工程控制措施。

1 地铁暗挖施工数值模型

西安地铁3号线某区间隧道为黄土地层双线暗挖隧道，断面为马蹄形结构(结构如图1所示)，隧道埋深为15 m，左右线中心净距为20 m。采用MIDAS/GTS有限元软件进行建模，模型水平方向取120 m，竖直方向取80 m，地下水位线位于-11.0 m处。

图1 暗挖隧道横断面(单位：cm)

土体模型采用M-C本构模型，各土层物理力学参数如表1所示。

模型中左线、右线隧道以y方向水平布置进行施工，建筑物紧邻左线隧道，桥梁紧邻右线隧道。土层、初期支护、二次衬砌及建筑物、基础均采用实体单元；桥梁基础采用实体单元模拟，桩长43 m，上方承台高1.5 m，其上部作用的桥墩荷载根据《建筑桩基技术规范》反推得出为500 kPa。建筑物基础、桥梁基础与土层的接触关系均为光滑接触。将钢拱架按等效刚度折算进初期支护，超前加固采用加固圈的方式进行模拟。初期支护与二次衬砌均采用弹性本构。支护结构参数如表1所示，三维数值模型如图2所示。

表1 土层材料与支护结构参数

图2 三维数值模型

暗挖隧道采用三台阶预留核心土法进行开挖，开挖时每次开挖进尺为1 m，核心土距离上台阶开挖掌子面6 m，下台阶距离上台阶开挖掌子面6 m，左右线隧道开挖掌子面距离20 m。

2 结果分析

暗挖隧道变形、受力受到地层以及地表建筑物(左侧的楼房与右侧的桥墩基础)等因素的影响，左线隧道处的位移及应力均大于右线隧道(图3)，这是因为地表建筑楼房以及桥墩荷载均会加大土压力，导致左、右线隧道位移及应力不同的情况。

图3 支护结构变形及应力云图

以所选模型中部y=30 m断面为分析对象，提取隧道、支护结构的拱顶、拱腰、拱脚、墙脚、仰拱处在施工过程中的位移及应力值，分析隧道不同位置的力学特性演化规律。

2.1 隧道位移演化规律

随着施工的逐步推进，隧道周围竖向及水平位移逐步增大，并最终趋于稳定(图4)。仰拱位置处竖向位移最大(0.28 m)，而墙角位置处水平位移最大(0.27 m)。竖向及水平位移随施工步的变化特征大致均分为3个阶段：第1阶段为施工至中部断面之前，对应施工步0～8，该阶段下中部断面变形较小；第2阶段为台阶法开挖中部断面直至支护结构施工完成，对应施工步8～15，该阶段隧道各点的变形逐渐增加到最大值，尤以仰拱隆起、拱顶沉降及墙角向隧道内侧的水平变形较为明显；第3阶段为后续隧道施工直至结束，对应施工步15～30，随着支护结构逐渐封闭成环，竖向及水平变形均逐渐收敛于一个稳定值。

图4 隧道竖向位移的演化曲线

由上述分析可知，施工产生的竖向大于水平位移，变形可能导致围岩侵入断面限界，甚至造成塌方。为了保证施工安全，在施工中可采取超前支护，如：超前小导管、超前管棚等控制措施加固地层，以控制竖向位移；在拱架的拱脚位置加密和加长锁脚锚杆或锚索，以控制横向位移。施工中可优化开挖工序，如减小开挖步距，增大台阶长度等，降低施工对土体的扰动，从而控制隧道变形。

2.2 支护结构应力演化规律

施工过程中支护结构的最大主应力如图5(a)所示，拉应力主要集中在拱顶与拱腰处，最大值为1.60 MPa。根据文献[6]，C30混凝土的极限抗拉强度为1.43 MPa，所以初支混凝土有开裂风险。随着施工的推进，拱顶与拱腰处支护结构的最大主应力随施工步呈现线性增加的趋势，其他位置处的拉应力较小，处于安全状态。

施工过程中支护结构的最小主应力如图5(b)所示，压应力主要集中在拱脚处，最大压应力为-14.11 MPa，其他位置处所受压应力较小，支护结构处于安全状态。

图5 隧道支护结构主应力演化曲线

隧道支护结构采用钢拱架与喷射混凝土相组合的方式，初支拱顶处所受的拉应力可能会造成混凝土开裂，施工中可采用高强度钢筋接头与高强混凝土，使支护结构具有较大的安全储备。

2.3 对周边建筑物影响分析

隧道施工将引起一定范围内地层以及周边建筑物的变形，依据Peck曲线可知，受隧道影响的范围一般指从隧道下端始划出(45°+φ/2)的斜线，即横向沉降槽的范围内。结合本工程实例，横向沉降槽范围如图6所示，建筑楼房以及桥墩均要实施监测保护。对于位于影响范围内的建筑物，由于地基土体的变形而导致其外力条件和支承状态发生变化，而外力条件的变化又将使建筑物发生沉降、倾斜等现象。

图6 横向沉降槽范围(单位：m)

图7为18层楼房沿隧道走向的沉降曲线以及垂直隧道走向的沉降。从图7可以看出，楼房沿隧道走向的沉降以及垂直隧道走向的沉降都是随距离的增大而增大；沿隧道走向的沉降范围为36.60～49.30 mm，差异沉降为12.7 mm，由于楼体沿隧道走向长度为40 m，故可以计算出楼体沿隧道方向的倾斜值为1/3 150；垂直隧道走向的沉降范围为13.02～48.03 mm,差异沉降为35.01 mm，由于楼体沿隧道走向长度为8 m，故可以计算出楼体沿隧道方向的倾斜值为1/229。

图7 楼房沉降曲线

图8为桥墩沿隧道走向的沉降曲线以及垂直隧道走向的沉降。从图8可以看出，桥墩沿隧道走向的沉降以及垂直隧道走向的沉降都是随距离的增大而增大；沿隧道走向的沉降范围为27.10～35.00 mm,差异沉降为7.9 mm，由于桥墩沿隧道走向长度为2 m，故可以计算出桥墩沿隧道方向的倾斜值为1/253；垂直隧道走向的沉降范围为12.58～42.40 mm，差异沉降为29.82 mm，由于桥墩沿隧道走向长度为6 m，故可以计算出楼体沿隧道方向的倾斜值为1/201。

图8 桥墩沉降曲线

由上述分析可知，隧道施工引起周边建筑物的沉降值均小于50 mm，且倾斜值均小于1/200，根据建筑物容许变形值[7]可知，建筑物处于轻微破坏等级，可能出现表面破坏，但结构不出现破坏。为降低既有建筑物的变形，保证施工安全，进一步提高此种施工方案的可行性，可在隧道施工之前，对掌子面前方土体进行超前小导管注浆加固，并对隧道拱顶土体进行深孔注浆，提高土体的强度，以降低隧道施工对周围建筑物的影响。

3 结论

(1)隧道施工结束后，仰拱隆起大于拱顶沉降，受到地表建筑物分布的影响，左线隧道的位移及应力均大于右线隧道。

(2)施工过程中，支护结构的竖向变形主要发生在拱顶与仰拱处，水平变形主要发生在墙脚处；拉应力主要集中在拱顶与拱腰处，压应力主要集中在拱脚处。隧道初支拉应力已超过混凝土的抗拉极限，本工程实例采用了高强度钢筋接头与高强混凝土等施工措施，使结构具有较大的安全储备。

(3)建筑楼房以及桥墩均在隧道开挖影响沉降槽范围内；周边建筑物受隧道施工的影响处于轻微破坏等级，可对掌子面前方以及拱顶处土体进行超前注浆加固，降低隧道开挖对周边建筑物的影响，进一步提高此种施工方案的可行性。