隧道扩建对地面建筑物的影响分析

朱育才，林 志，，石 波

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

隧道扩建对地面建筑物的影响分析

朱育才1，林 志1，2，石 波2

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

采用有限元计算软件MIDAS_GTS对隧道扩建对地面建筑物沉降进行数值模拟，并结合施工监测数据，分析地面建筑物在离隧道轴线不同位置时，隧道扩建对建筑物沉降的影响以及建筑物是否安全;判断隧道开挖对地面建筑物的影响半径。

隧道扩建;房屋沉降;有限元;监控量测

随着国民经济的迅速发展、城市化进程显著加快，城市道路运量大幅度增长，既有线的技术改造在建设中占有重要的位置。在既有线的改造过程中，既有隧道作为线路改造的控制工程也必须同时进行改造。由于受地质地形条件和施工条件的限制，大多情况下不会新建复线，需要在既有隧道的基础上进行扩建，扩大既有隧道净空断面以增加行车车道，满足交通客流量增加的行车需求。而在隧道扩挖时地面建筑物的沉降也就成为隧道扩挖的一个重要考虑因素。

1 工程概况

渝州隧道是重庆市机场路拓宽改造工程的一部分。隧道现状为双洞4车道，平面成喇叭型布置，进口段两隧道结构间岩石净距约7.8 m，出口段为15 m。隧道单洞净宽10 m，净高6.7 m，圆拱直墙式素混凝土衬砌。隧道左洞起止里程桩号:ZK0+350～ZK0+700.5，左洞全长350.5 m;隧道右洞起止里程桩号:ZK0+346.5 ～ZK0+618，右洞全长 271.5 m。单洞路幅分配为:0.5 m(检修道)+8.5 m(车行道)+2 m(检修道)。隧道(进洞)南侧接回兴立交，(出洞)北侧接城南立交。

本次机场路改造拟建设城市快速路，双向8车道，设计车速80 km/h。现利用现状隧道进行改扩建，保持现状隧道平面走向及隧道间中央岩柱厚度不变分别向两侧扩挖，形成双洞8车道隧道。改造后:隧道净跨17.081 m，净高 8.482 m(图1)。隧道单洞总长643 m。

通过对场地的地面地质调绘和综合分析已有区域地质成果，沿线出露的地层主要有第四系人工素填土、残坡积层粉质黏土，下伏基岩岩性以砂质泥岩与砂岩为主。

图1 扩挖隧道内轮廓Fig.1 Inside outline map of the expansioning tunnel

2 模型建立

2.1 模型及材料物理参数

根据已有隧道力学经验，结合原隧道的实际情况，特建立模型取边界条件为129 m(横向)×42.5 m(竖向)×60 m(纵向)，同时，因为要考虑到隧道扩挖对房屋建筑的影响，笔者将房屋简化为8 m×9 m×18 m的弹性梁［1］，并根据建筑物的位置，每次水平平移十米建立一个模型，共6个模型，模型如图2及图3(a)～图3(e)。

图2 建筑物位于轴线Fig.2 The building in the axis

图3 建筑物离轴线的距离Fig.3 The building from axis

在三维建模过程中，考虑到隧道的相应特点，隧道围岩材料特性按均匀弹塑性考虑，采用Drucker-Prager准则。

地层参数在重点参考《初步设计阶段工程地质勘查报告》［2］的基础上，同时结合 JTG D 70—2004《公路隧道设计规范》［3］，并综合室内物理力学试验资料按较低值选取，其力学参数如表1。

表1 各材料特性参数Tab.1 Parameters of seepage property for materials

2.2 施工方法

隧道总共有630余m，本文中只模拟进洞的60 m。模型计算中，隧道开挖采用的是保留中间土，向外扩挖的单侧扩挖方式，开挖先右洞后左洞，单向保持通车单洞扩挖的施工工序。隧道拓宽改建施工及开挖、支护作业成环进行。本着严格控制地表沉陷的原则，采取短进尺、强支护、弱爆破、勤观测的原则施工;在拆去既有隧道结构时采用预裂爆破，钻爆作业，应多循环、弱爆破、密布眼、少药量;其次因隧道中间岩柱厚度小，对其保护、加固极为重要，在施工中应采用“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则［4］。

3 计算结果分析

3.1 地表沉降数据分析

模型采用有限元Midas-GTS软件进行分析，为了分析地表房屋的沉降，特意选定建筑物得4个角为分析点，并标定为左1、左2、右1、右2(进口往出口)并采用这4点的沉降数据作为建筑物沉降分析［5-7］(表2)。数据如图4 ～图7。

表2 建筑物标记各点的沉降最大值Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

图7 右2点随着开挖步沉降Fig.7 The settement map of you er along with the excavation

综合分析图4～图7，以及表2，可以得知:

1)建筑物离轴线的距离越大，建筑的沉降呈先增大，后减小的过程。离轴线20 m时，建筑物标记点的沉降位移达到最大值，离轴线50 m时，隧道的扩建几乎没有对建筑物得沉降没有影响。分析其原因是，当建筑物位于轴线上方时，因为隧道扩建采用的是保持中间土不变，向外扩挖的方式，隧道扩挖对中间土的影响相对较小。而随着建筑建筑物离轴线距离增大，建筑物就更多的位于隧道扩挖的影响区内，隧道扩建就对建筑物的沉降影响就越大，如表2，当离轴线10 m时，建筑物右半部分落于隧道上方，总而导致建筑物右1、右2点的沉降量大于左1、左2两点;当离隧道轴线20 m时，因都位于隧道上方，建筑物沉降达到最大;离隧道30 m时，呈现与离轴线10 m相反的情况，左边点的沉降量大于右边点;当建筑物离轴线40 m，50 m时，建筑物已经逐渐远离隧道影响区，建筑物的沉降变小，在离轴线50 m时，沉降几乎没有。因而根据这数据可以推断，当建筑物离隧道轴线50 m时，隧道扩建对其影响已经很小，可以将其划为安全区。

2)建筑物左为砌体结构，从上面图表分析，可知，当建筑物离轴线10 m，30 m时，建筑物的沉降差(倾斜)最大，沉降差分别达到 9.9 mm，10.3 mm。根据GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》［3］，作为砌体结构的的允许局部倾斜值为0.002×18 m=36 mm，因而满足规范需求，建筑物安全。

3)当建筑物位于隧道轴线右边时，隧道右洞扩挖对建筑物的沉降有很明显的变化，而隧道左洞开挖时，建筑物沉降趋于稳定。分析其原因，是因为隧道的扩建采用的是中间土不变，向外扩挖的方式，当对到左洞开挖时，隧道经过中间土，以及隧道右洞空间的损失，因而对隧道右方的建筑物没有什么影响。

3.2 拱顶下沉数据分析

为了与实际情况进行对比分析，拱顶沉降数据只取了离轴线40 m的模型数据进行分析，如图8～图9。图为在隧道开挖开始，左右洞拱顶的沉降位移图，由图中所知，随着开挖步的增加，隧道拱顶的沉降不断增大，数值模拟结果显示其最大值不超过0.25 cm，在沉降可允许范围内。由此可知，该隧道的开挖方法是可行的。

图8 右隧道开挖拱顶沉降(单位:m)Fig.8 The map of settement of the vaults of the right tunnel

图9 左隧道开挖拱顶沉降(单位:m)Fig.9 The map of settement of the vaults of the left tunnel

4 施工监测

目前渝州隧道左洞正准备进行开挖施工。地表监测的重点左洞进口左侧砖混结构住宅楼、出口机场雷达站4个铁塔［8］。但结合本文，只取天工邻儒一栋作为主要检测对象，并布置监测点如图10，从该图上面可以得知，天工邻儒居位于隧道左边(从进口看)大约20 m，因为地形原因，在房屋靠近隧道的水平方向，共布置了检测点1～7;物管处水平隧道方向布置了监测点8～10;垂直隧道方向布置了监测点11～13，通过64天的监测，得到检测数据如图11、图12。

图12 物管处检测点沉降位移Fig.12 The map of test point of the settement of Wuguan

另外为了与原模型数据进行对比分析，取得拱顶数据与模型进行分析，如图13。

图13 隧道右洞拱顶沉降Fig.13 The map of settement of the vaults of the right tunnel

根据以上的工程实测数据可以得知，实测数据是随着日期增加，建筑物的沉降都在增大，并最终趋于稳定，沉降最大值达到4.7 mm，沉降差达到3.7 mm，根据GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》［3］，满足规范需求，建筑物安全。同时与模型数据进行对比分析，建筑物离轴线40 m左右，可以参照模型5进行对比，检测数据是当左洞开挖时，检测左洞附件房屋而得到的数据，因而可以对比分析，检测数据比较符合实际情况，没有太大的偏差。

实测拱顶数据与原模型数据相比，原模型数据最大值是2.5 mm，但实测数据最大值6.5 mm，但是都在隧道沉降允许范围内，该开挖方案是可行的。其次实测数据与模型数据一样，趋势都是随着时间增大，拱顶沉降比侧边沉降要大，两者基本吻合。

5 结论及建议

通过上面的数据分析以及对比，可以得到:

1)建筑模型数据与工程实测数据进行对比分分析，隧道建筑物下沉变化规律明显，符合隧道开挖的一般规律。

2)建筑物位于上方时，隧道扩建对建筑物沉降都是满足GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》［3］的要求，在沉降允许范围之内，建筑物安全。模型拱顶沉降数据与实测数据基本吻合，都在沉降允许范围内，由此可以说明，隧道开挖，隧道基本稳定，对地面建筑的影响在控制范围内，隧道开挖方案是可行的。

3)建筑物位于隧道开挖上方时最危险，沉降差达到10 mm，应该加强监控。当建筑物离轴线50 m时，隧道开挖对建筑物的影响几乎没有。

4)因中间土的保留，以及隧道空间对应力的削弱，隧道左边对开挖位于右边建筑物几乎没有影响。

［1］JTG D 70—2004公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］周庆人，李长雄.初步设计阶段工程地质勘查报告［R］.重庆:重庆市勘测院，2009.

［3］GB 50007—2002建筑地基基础设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］王毅才.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］杨小礼.既有隧道扩建工程及衬砌稳定性研究［J］.交通科学与工程，2010，26(3):49-52.

YANG Xiao-li.Extension engineering of tunnel and stability analysis of lining structures［J］.Journal of Transport Science and Engineerinc，2010，26(3):49-52.

［6］ 王万平.六甲洞隧道的改扩建设计［J］.公路，2008(7):246-248.

WANG Wan-ping.The extension engineering of Liujiadong tunnel［J］.Highway，2008(7):246-248.

［7］时义鹄.我国高速公路发展与改扩建拓宽工程综述［J］.湖南交通科技，2007(4):45-49.

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［8］赵灿晖.大跨度上承式钢管硂拱桥的地震响应分析［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2007，26(5):27-30.

ZHAO Can-hui.Seismic response analysis of long-span CFST decktype arch bridge［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Universit-y:Natural Science，2007，26(5):27-30.

On Influence of Tunnel Expansion on the Ground Buildings

ZHU Yu-cai1，LIN Zhi1，2，SHI Bo2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civil Eengineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Settlement of the groud buildings from the tunnel dug expansion was simulated by MIDAS_GTS.Based on the data，settlement of the groud buildings in different places were analyzed.The effect of tunnel expansion on buildings and buidlings settlement was considered;the influence of tunnel excavation on ground buildings radius was calculated.

tunnel expansion;settlement of groud buildings;FEM;monitoring measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.012

U457

A

1674-0696(2011)05-0938-05

2011-04-25;

2011-06-07

朱育才(1987-)，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail:409460063@qq.com。