小净距双线隧道侧穿邻近建筑物施工安全分析

■王仕杰

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

近年来， 隧道下穿周边建筑物的工程不断增多。 隧道开挖过程中不可避免会引起地层扰动变形，导致建筑物沉降变形产生附加应力，从而产生不利影响。 严重时会导致建筑物破坏、隧道坍塌等工程事故，造成经济财产甚至生命财产损失。 因此，采用合理的施工方法，确保施工过程中的安全稳定性具有重大意义。

目前，关于隧道下穿建筑物方面已经做了大量的研究工作，主要为经验法、理论分析法、模型试验法与数值模拟法[1]。 江帅等[2]基于Peck 经验公式，引入纵向开挖度系数对隧道开挖引起的地表沉降预测模型进行了优化。 马险峰等[3]采用离心机模型试验和数值模拟方法，研究软体地区顶管电缆隧道施工对邻近建筑物的影响。 冯敬辉等[4]通过数值模拟结合现场监测的方法，研究了CRD 法扩挖盾构隧道对周边环境的影响。 周智等[5]采用数值模拟的方法，分析了隧道垂直下穿建筑物时建筑物的沉降分布曲线，双线隧道相比单线隧道下穿建筑物的工况更为复杂，也更易导致建筑物的破坏。 刘纪峰等[6]对隧道开挖沿线上的建筑物墙体开裂问题进行了研究，并采用信息化施工方法对超近距双线隧道旁穿建筑物的风险进行控制[7]。庞峰[8]使用FLAC3D 数值模拟软件对青岛地铁三号线下穿建筑物时，建筑物沉降变形的一般规律进行了研究。 但目前多是关于采用盾构施工方法下穿建筑物的研究，对于小净距双线隧道采用双侧壁导坑法下穿邻近建筑物的研究较少。

因此，以贵安隧道为工程背景，采用数值模拟方法，分析小净距双线隧道侧穿邻近建筑物和电塔过程中隧道、电塔和建筑物的位移变形规律，进一步确定能否采用双侧壁导坑法与长短洞开挖顺序安全顺利的完成施工，对类似工程的研究与施工具备借鉴意义。

1 工程概况

贵安隧道位于福州城区与周溪村区间内，左洞起讫桩号为ZK3+865～ZK4+785，全长920 m。 右洞起讫桩号为YK3+893～YK4+799，全长906 m。 建筑物位于隧道左洞进口左侧100 m 处，建筑物与隧道位于同一水平高度。电塔位于隧道左线ZK3+910 左侧28 m 处，电塔基础较隧道轴线高30 m。 位置关系见图1。

图1 工程位置关系

隧道穿越土层为中风化溶解凝灰岩， 岩体破碎，以碎裂结构为主，为Ⅴ级围岩，隧洞稳定性差，特别是拱部，无支护易坍塌。 最上方土层主要为碎块状强风化溶解凝灰岩，呈碎、裂状松散结构，易坍塌。 隧道下方土层为微风化溶解凝灰岩，局部小节理裂隙带发育。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS/GTS 软件建立模型， 模型主要包含3 层土，自上而下分别为碎块状强风化溶解凝灰岩、中风化溶解凝灰岩和微风化溶解凝灰岩，各层深度分别为：15、15、23 m。 隧道埋深20 m，隧道双线距离20 m，隧道宽14.85 m，高7.75 m。 建筑物的尺寸为40 m×20 m×45 m（长×宽×高）。电塔的尺寸为12 m×12 m×30 m（长×宽×高）。有限元模型见图2。土层、隧道支护结构、建筑物、电塔的材料参数见表1。

表1 材料参数

图2 三维有限元模型

土层以三维实体单元模拟，楼板、喷射混凝土与衬砌以板单元模拟， 锚杆以植入式梁单元模拟。建筑物结构、电塔结构以一维梁单元模拟。

2.2 施工模拟

双侧壁导坑开挖顺序见图3。 6 个开挖部分依次完成开挖、初期支护后拆除临时支架并施作衬砌为1 个循环步骤。 双线隧道采取长短洞开挖顺序，右洞较左洞超前开挖50 m。 模拟的完整施工阶段内容见表2，其中重要施工阶段见图4。

图3 双侧壁导坑法开挖顺序

图4 重要施工阶段

表2 施工阶段内容

3 计算结果及分析

3.1 围岩稳定性分析

由图5 可知，整个施工阶段过程中隧道围岩的最大沉降值为5.2 mm， 发生在右线隧道拱顶处位置。 整个施工阶段过程中隧道围岩的最大隆起值为1 mm，发生在右线隧道底板处位置。

图5 围岩最大竖向位移时态曲线图

随着右线第1 循环步骤中开挖的进行，围岩竖向最大位移值迅速增加，S7 阶段开始施作衬砌后，竖向最大位移值增长速率开始下降，致使右线隧道开挖50 m 阶段内竖向位移值缓慢增长，左线开始开挖直至施工完成阶段，隧道围岩竖向最大位移值趋于稳定。 右线隧道单独开挖阶段上方地层竖向位移呈V 型分布，左线隧道开挖后上方地层竖向位移呈W 型分布。

围岩最大水平位移值在施工完成阶段达到最大，见图6。右侧方向的最大水平位移值发生在左线隧道上方围岩，为1.29 mm。左侧方向的最大水平位移值发生在右线隧道上方围岩，为1.28 mm。

图6 施工完成阶段围岩水平位移云图

综上所述， 采取双侧壁导坑法开挖双线隧道，开挖后及时施作初期支护临时支架，1 个开挖循环完成后及时施作二次衬砌的施工方法时，整个施工阶段过程中围岩的稳定性较好， 未出现大变形、坍塌等情况。

3.2 建筑物沉降分析

根据GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》，此建筑物的最大沉降量不得超过200 mm， 其整体倾斜的最大值不得超过0.003，见表3。

由图7 可知，随施工步骤的进行，建筑物竖向最大位移值大致呈不断增加趋势。 在左线隧道未进行开挖时，竖向最大位移值增长较为缓慢，随着左线隧道的开挖施工，建筑物最大竖向位移值呈增长趋势，在施工结束阶段达到最大。 由于建筑物与隧道间距离较大， 竖向位移值较小。 最大沉降值为0.000 12 mm，最大隆起值为0.000 63 mm。 故建筑物竖向位移值及整体倾斜满足规范要求。

图7 建筑物竖向最大位移时态曲线图

3.3 电塔沉降分析

由图8 可知，越靠近左线隧道的电塔基础和结构的竖向沉降值越大。 电塔竖向沉降最大值为0.41 mm，位于电塔基础最右侧，满足沉降值规范要求。

图8 施工完成阶段电塔竖向位移云图

为进一步分析其沉降变形规律，选取电塔底部4 个点为研究对象（图9），做其位移时态曲线（图10）。从图10 可知， 相比而言右线隧道开挖对电塔竖向沉降值的影响较小，约占整个比重的30%。 而随着左线施工，电塔降值迅速增大，尤其是距离左线隧道较近的测点C 和测点D。 左线隧道施工完成后电塔竖向沉降值达到最大，其中D 点为0.33 mm，C 点为0.31 mm，B 点为0.04 mm，A 点为0.06 mm。 故最大差异沉降值为0.27 mm，整体倾斜为0.27/12000=0.000 022 5，满足规范要求。

图10 电塔底部测点竖向沉降时态曲线图

4 结论

通过建立有限元数值模型分析贵安隧道侧穿邻近电塔与建筑物工况下隧道、建筑物与电塔的安全性，可得出如下结论：（1）采用双侧壁导坑法长短洞顺序开挖时，整个施工阶段过程中隧道及周边围岩变形在合理范围内，是稳定和安全的。 第1 个开挖循环结束施作衬砌后使围岩竖向变形得到显著控制，围岩最大竖向变形值发生在施工完成后右线隧道拱顶和底板处。 （2）隧道开挖对建筑物的影响较小，建筑物竖向变形值与整体倾斜均满足规范要求。 （3）隧道右线开挖对电塔竖向沉降值的影响较小，约占总竖向位移的30%。 最大沉降值发生在左线隧道土体全部开挖后，且小于规范值。 电塔整体向左线隧道方向倾斜且满足规范要求。