巖石隧道開挖施工對上覆框架結構力學性能影響規律的研究

王 艷，靳曉光，季 璇

（1.江蘇建筑職業技術學院建筑建造學院，江蘇徐州 221116；2.重慶大學土木學院，重慶 400044；3.金陵科技學院建筑工程學院，江蘇南京 211169）

隨著我國城市化建設的逐步推進，城市地表交通壓力以及建設用地變得日趨緊張，城市地下工程必然要在已有地表建筑物的下面及附近進行建設。在城市暗挖隧道建設過程中，穿越和鄰近各種既有結構施工的情況普遍存在，尤其以穿越地表密集建筑物群的情況居多，然而隧道施工易引起地層擾動，導致建筑物沉、傾斜甚至開裂破壞。目前，眾多學者針對隧道下穿既有建筑物展開了大量的分析研究工作。程小虎[1]以重慶北站為例，采用數值模擬和現場監測相結合的方法，研究了PBA 工法在淺埋暗挖巖石隧道下穿既有建筑物施工中的可行性；吳旭平等[2]以青島地鐵13號線嘉陵江路站—香江路站區間為例，研究了淺埋曲線隧道施工對于既有建筑物的影響分析；李永寬等[3]以青島地鐵3 號線錯埠嶺站—清江路站區間為例，提出超前小導管和超前預注漿加固地層、隧道初支背后回填注漿、建筑物變形補償注漿、隧道堵水注漿等控制地層變形和建筑物沉降的控制措施；賈凱[4]分析了雙線頂管異步頂進施工對建筑物的影響；陳瑜嘉等[5]以青島地鐵區間隧道下穿某高層建筑工程為例，采用有限元極限分析法分析了不同覆巖厚度與隧道近接建筑施工破壞機制的關系。通過對上述文獻調研發現，不同的地層、工法、建筑物與隧道結構形式以及隧道穿越方式意味著隧道下穿建筑物問題具有明顯的工程特性，已有的研究成果難以復用。因此，筆者以重慶市同茂隧道為研究對象，對上覆框架結構的力學性能進行研究。

1 工程概況

同茂隧道沿線為老城區，房屋密集，一般以多層建筑為主，結構形式主要以磚混和框架為主，地面建筑年代相對久遠。筆者選取上覆某9 層框架結構為研究對象，首層建筑面積為650m2，基礎形式為樁基礎，樁徑2m，設計承載力為5000KN，樁身采用C40 級混凝土，樁長9m，樁底距離拱頂3m，框架結構為2 跨×9 跨×9 層，柱截面為1m×1m，梁截面為0.6m×1m。為計算方便，本模型未建樁基承臺，而是采用一個1m厚的大底板進行過渡，同樣滿足受力要求。下穿雙洞隧道為兩個尺寸相同的平行隧道，洞徑15.6m，洞高10.9m，兩洞軸線間的距離為15m，最大埋深約34m，本框架結構下埋深約15m，初期支護采用C25 噴射混凝土厚度為220mm，內設Φ8 鋼筋網，二次襯砌采用C30 防水混凝土，厚度為0.5m，仰拱為C30 防水鋼筋混凝土，采用阻燃瀝青混凝土路面，厚度為9cm，路面下鋪C35 混凝土24cm，再填充C15 片石混凝土深至仰拱。單個隧道橫斷面如圖1 所示，上覆框架結構與隧道位置如圖2 所示。在隧道開挖過程中，對影響范圍內房屋周圍的地表點進行沉降觀測，沿著隧道開挖方向在線路上方拱頂位置進行布點，以拱頂點對應的1#、2#、3# 點為研究對象，具體如圖2 所示，在下穿區段開挖后的40 天內，通過以上三點獲取實際變形數值，分別為：1# 測點的實測值為3mm，2# 測點的實測值為2mm，3# 測點的實測值為2.5mm。

圖1 隧道橫斷面圖

圖2 上覆建筑物與隧道相對位置

2 有限元模型的建立

2.1 計算假定

數值模擬分析計算時采用以下假定：地表和各層土呈均質水平層狀分布；為節省計算時間，且主要分析對象為上覆建筑物，隧道采用全斷面開挖；圍巖材料為各向同性、連續的彈塑性材料；建筑物與基礎，基礎與土體采用變形協調計算的方法。

2.2 模型計算參數的確定

比較分析現場取樣并帶回實驗室進行單軸飽和抗壓試驗所得數據與重慶市勘察院提供的地質勘察報告中的數據，結合《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）和《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）進行綜合考慮，模型圍巖力學參數具體取值如表1 所示。根據設計資料及其工程地質勘察資料并結合相關規范，取模型的計算參數如表2 所示。

表1 圍巖力學參數表

表2 巖體及結構材料計算參數

2.3 模型的建立

對于無限大的巖(土)體，為了減少邊界效應對洞周的影響，使地下結構周圍有一個比較均勻的“自由場應力狀態”，一般情況下，選取3～4 倍洞徑作為影響域，根據本工程現場實際情況和工程地質資料，選取模型尺寸為145m×72m×40m（橫向×豎向×縱向），模型向上取至地面，向左、右下均取約3～4 倍洞徑（50m）。本文模型由兩部分組成，地面以下取145m×72m×40m 的長方體影響區域，地面以上為9 層的框架結構建筑物，如圖3 所示。由于模型大，單元多，三維非線性分析數值計算量大、耗時長，故在模型計算中隧道開挖部分的圍巖均采用三維實體單元SOLID45 單元，其余部分的圍巖采用SOLID95 單元，隧道的初期支護、二次襯砌均采用殼單元SHELL63。上覆框架結構的基礎形式為樁基礎，采用C40 混凝土，由于混凝土材料和圍巖材料剛度上存在差異，材料變形行為可能有不一致，故在樁基礎與圍巖接觸的面上設置接觸單元?？蚣芰汉涂蚣苤捎昧簡卧狟EAM188，現澆樓板采用殼單元SHELL63。

圖3 三維有限元模型

模型的上表面為地面，取為自由面，不加任何約束，底面施加豎向約束，前后和左右邊界均施加水平約束。本次數值模擬計算過程中，需要考慮的荷載有三種，即地層壓力、建筑自重、樓面活荷載。對于地層壓力和建筑自重，在ANSYS 中通過設置材料的密度和給予重力加速度，軟件可以自動計算材料的恒載；對于樓面活荷載，地面建筑物的統計顯示，大部分建筑物都是住宅，所以本結構樓面活荷載按住宅取用，根據《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）第5.1.1條中民用建筑樓面均布活荷載取標準值為2.0KN/m2，故活荷載標準值SQK=2.0KN/m2，活荷載設計值SQ=1.5SQK=1.5×2.0=3 KN/m2。

2.4 隧道施工步序說明

本文研究的重點是上覆建筑物的變形響應規律，故可對模型的下半部分作相應簡化，依計算假定，采用全斷面開挖，具體開挖過程如下。第一步：模擬初始地應力場；第二步：開挖左洞前20m，每天開挖2m，共挖10 天；第三步：開挖右洞前20m，每天開挖2m，共挖10 天；第四步：開挖左洞后20m，每天開挖2m，共挖10 天；第五步：開挖右洞后20m，每天開挖2m，共挖10 天。不計入初始地應力的模擬，將開挖分為四個步序，如圖4 所示。

圖4 隧道開挖步序示意圖

3 計算結果分析

3.1 框架內力分析

3.1.1 框架軸力分析

隧道開挖后框架結構的軸力云圖如圖5 所示，位于中間部分的一榀框架（從左起第四榀）軸力最大，于是取此中間一榀框架作為研究對象（黑線加深），由云圖可見，底層中柱軸力最大，為了更好地說明問題，將各層梁柱軸力變化繪制如圖6、圖7 所示，圖中的變化率=（后開挖隧道后的值－先開挖隧道后的值）÷先開挖隧道的值×100%。從圖中可以看出，隧道開挖對各柱軸力的影響不大，變化率基本在3%～20%內波動，對框架梁的影響相對而言較大，但是梁上軸力的絕對值普遍相對較小，通常在研究梁的彎曲變形時，往往主要考慮作用在梁上的橫向力的影響，作用在其上的軸向力，在數值不大的情況下對梁的影響可以忽略不計。

圖5 框架結構軸力圖

圖6 中間一榀框架柱的最大軸力變化圖

圖7 中間一榀框架梁的最大軸力變化圖

3.1.2 框架彎矩分析

由計算結果可知中間一榀框架的彎矩絕對值最大，故仍然以中間一榀框架為研究對象，隧道開挖前后，最大彎矩均出現在頂層和底層，并且各層的最大正負彎矩出現在各層柱的頂端和底端，同時所有柱子的反彎點都在樓層之間，為了更好地研究問題，將梁柱的最大正負彎矩制成表格，由表3 可以看出，隧道開挖前后左柱的彎矩變化率范圍為2%～9%，右柱的彎矩變化率范圍為-27%～-2%，而隧道開挖前后中柱的彎矩值都很小，最大負彎矩為-13.8kN·m，最大正彎矩為9.7kN·m，雖然變化率比較大，但是整體數值很小，故隧道開挖對于兩邊柱的影響要大于中柱。由表4 可以看出，隧道開挖對左邊梁和右邊梁的彎矩影響差不多，左邊梁的彎矩變化率范圍為-140%～190%，右邊梁的彎矩變化率范圍為-182%～160%。對比分析表3 和表4，可以發現，隧道開挖對梁的影響要遠遠大于對柱的影響。

表3 中間一榀框架柱的最大正負彎矩變化表

表4 中間一榀框架梁的最大正負彎矩變化表

3.2 框架變形分析

開挖完成后整體框架結構的梁、柱變形如圖8 所示，部分柱子產生了沉降，部分柱子產生了隆起，框架結構產生了不均勻沉降。結合建筑物與左右隧道的位置關系可以發現，位于隧道正上方的左右兩側框架變形量較大，右側靠右洞邊緣的位置變形最大，選取變形最大的一榀框架（右起第三榀）為研究對象，取各層柱頂節點為觀測點，得到其最大位移隨高度的變化曲線如圖9 所示，層間位移隨高度的變化曲線如圖10所示。

圖8 框架結構變形圖

圖9 最大位移變化曲線

圖10 層間位移變化曲線

由曲線圖可見，最大位移隨高度的增加而增大，在頂層取得最大位移值為25mm，而第三層的層間位移值取得最大，為2.7mm，Δu/h=2.7/3000=1/1111，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）可知，框架結構樓層層間位移與層高之比的限值為1/550，故未超過限值。

3.3 地表沉降分析

通過建模分析得到圍巖在初始地應力和兩洞全部貫通時的位移，圖11 為兩洞全部貫通后圍巖在豎直向的位移云圖，由圖可知，隧道開挖結束后，圍巖位移云圖出現明顯變化，地面及洞口周邊位移值均較大，最大豎向位移值達到40.554mm，實際的圍巖位移值為2.679mm，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）可知，地鐵隧道等重要建筑物的地面沉降允許范圍應控制在10mm 以內，故滿足規范要求。提取地表沉降觀測點1#、2#、3# 點開挖后的位移值，與實測位移值對比并做成變化曲線，如圖12 所示。

圖11 豎向圍巖位移云圖（兩洞貫通）

圖12 地表沉降位移曲線

從圖12 可見，實測地表沉降曲線和數值模擬地表沉降曲線的變化趨勢基本相同，地表沉降曲線呈現明顯的時空規律，隨著掌子面的推移，地表點沉降隨時間變化曲線基本呈S 形規律。同一測點地表下沉實測位移值大于數值模擬值，1# 測點的實測值為3mm，數值模擬值為2.5mm；2# 測點的實測值為2mm，數值模擬值為1.8mm；3# 測點的實測值為2.5mm，數值模擬值為2mm，這是因為在數值模擬時本文未考慮巖體節理裂隙、圍巖長期蠕變的影響，以及對基礎及上部建筑物作了相關簡化。

4 結論

本文對同茂隧道上覆9 層框架結構建立數值模型進行計算，綜合分析了隧道施工對上覆建筑物產生的影響，分析結果表明：

（1）結構變形最大的部位總是對應沉降較大樁基礎，即對應隧洞的正上方；框架柱軸力最大變化率為30%，框架梁最大變化率為75%，隧道開挖對梁軸力的影響偏大；最大彎矩出現在結構頂層柱和底層柱，并且層最大正負彎矩出現在各層柱的頂端和底端，同時所有柱子的反彎點都在樓層之間；樓層最大位移隨高度的增加而增大，且在頂層取得最大值為25mm，第三層的層間位移值取得最大，為2.7mm。

（2）由于數值模擬中未考慮地層結構和節理、裂隙發育情況以及圍巖長期蠕變效應，對計算結果有一定的影響，故在以后的研究中應盡量考慮地層結構效應和圍巖長期蠕變效應。

（3）在后續研究中，可以進一步研究隧道埋深變化、開挖進程變化及開挖順序等因素對上覆框架結構的影響。