连跨箱型隧道紧贴下穿地下建筑施工方案研究

白瑞雪， 钱德玲， 韩青青， 谢贻军

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 建筑与艺术学院，安徽 合肥 230009）

地铁隧道施工必然对城市环境产生影响，即对既有临近城市地下管线、既有地铁线路、房屋基础及道路交通等设施的正常使用产生影响，因此准确预测施工引起的地层和地上、地下结构的变形及其影响对设计和施工安全都是十分重要的［1－2］。目前，国内外对隧道穿越地表建筑的研究较多，但对于新建隧道施工对地下建筑影响的研究较少，同时紧邻下穿既有结构的工程更是罕见［3－4］。本文采用三维有限元方法对暗挖四连跨箱型隧道紧贴下穿地下建筑的施工过程进行了动态数值模拟，研究了各施工方法产生的影响。通过对不同施工方法数值模拟的计算结果比较与分析，确定了该四连跨箱型隧道合理的施工方法。

1 工程概况

某市新建地铁隧道，某施工区间长约70m，平顶暗挖施工，自东向西依次采用单箱四洞板墙、2个平行分离式单箱单室板墙框架结构形式。该隧道初期衬砌厚250mm，采用＃18工字型钢支撑、200mm×200mm钢筋网及喷射C25混凝土。二期衬砌采用C45混凝土且分段浇注，顶板、底板及侧壁厚800mm，中隔墙厚400mm。新建地铁隧道尺寸如图1和图2所示。隧道处于Ⅳ级围岩，该地区地层主要由第四系全新统人工填土、上更新统冲洪积层组成，基岩以燕山晚期侵入花岗岩为主。隧道与其所处地质断面如图1所示。

图1 新建隧道、上部既有建筑和地质断面

图2 新建隧道与地铁车站平面

该隧道下穿既有地铁车站、附属建筑和地下商场。隧道B－B断面开挖顶部与地铁车站底板紧贴，洞室开挖、结构建造困难，施工风险高。已建地铁车站为双层三洞箱型钢筋混凝土框架结构，柱直径600mm且采用钢管混凝土材料，底板厚400mm；车站右侧2层附属建筑由钢筋混凝土墙承重，顶板错层。地下商场属于钢筋混凝土框架结构，分2层，底板错层。上部既有建筑与新建隧道位置关系如图1和图2所示。

2 地铁隧道施工动态数值模拟

2.1 模型建立

本文采用MIDAS／GTS有限元对2种施工方案三维建模，建模范围考虑到尺寸效应引起的计算误差，计算边界取左右边界距新建隧道外边缘为0.5倍隧道长度，下边界距新建隧道底部为1倍隧道最大高度，前后边界距既有建筑外边缘为1倍建筑宽度，上边界到地表。最终确定2个模型均为总高30m、长220m、宽80m，各共约8.5×104个单元和9×104个节点。模型顶面为自由面，底面固定约束，左右和前后边界为竖向自由。

模型中，隧道衬砌及既有建筑的楼板和外墙采用壳单元，梁、柱使用梁单元，岩土及其余结构运用实体单元。土层材料采用Mohr－Coulomb准则，钢混凝土结构和岩层采用弹性模型类型。假定新的沉降完全由地铁隧道施工中岩土扰动引起，地表及各土层和岩层均匀成层水平分布。考虑到实际工程爆破开挖冲击荷载对岩体的影响，把位于隧道底部5m之下平面以上的微风化岩视为中风化岩，以达到等效代换的效果。同时考虑地层表面压力荷载，取值20kN／m2，但不考虑地下水的影响。

2.2 隧道开挖施工动态数值模拟

有限元模型利用单元激活与钝化实现开挖和支护，分别模拟2种施工方案，具体如下：

方案1 岩体3＃导洞开挖施工。先从右到左上下台阶分步开挖1＃导洞，开挖一段仅做初期衬砌，完成1＃导洞开挖并做好相应初衬，再从左到右修建二期衬砌。按照1＃导洞开挖施工过程，依次先后开挖施工2＃导洞和3＃导洞。3个导洞布置如图3a所示。

方案2 岩体5＃导洞开挖施工。待从右到左上下台阶分部同时开挖和施工完毕1＃、3＃、5＃导洞，再一起开挖施工2＃和4＃导洞。边开挖导洞边做相应初衬，导洞开通并做完初期衬砌，再从左到右施作相应2期衬砌。5个导洞布置如图3b所示。

在针对2个开挖施工方案进行模拟的有限元模型中，方案1总共使用32个施工步，方案2共有27个施工步，两者相差5个施工步。从施工工期的角度看，采用模拟施工步较少的方案2，有利于加快工期。多导洞同时开挖和施工的方案2比各个导洞逐一先后开挖和施工的方案1工作面大，有利于加快施工进度，节约成本。

图3 导洞开挖平面图

3 计算结果分析

3.1 对地下商场与车站附属建筑的影响

在隧道施工结束后，方案1中，地下商场、车站附属建筑最大沉降值分别为2.7mm和4.6mm。而方案2中，地下商场、车站附属建筑最大沉降值分别为1.2mm和3.3mm。结果表明，车站附属建筑产生沉降比地下商场大，主要是由于车站附属建筑下部隧道开挖宽度比地下商场大；方案1对两者的影响与方案2相比，差异不大。只有车站附属建筑和地下商场各层靠近已建地铁车站半边的结构产生微小沉降与变形［5］。

3.2 对地铁车站位移和内力的影响

图2中线1－1在两平行分离单洞隧道与高四洞箱型隧道交接处、线2－2位于四洞箱型隧道顶板错层的位置。选取底板、底梁与柱相交的11个点位在岩土未开挖、开挖至柱底、开挖完所有导洞（此后即可拆除临时支撑）、拆掉线1－1与线2－2之间临时支撑和拆掉所有临时支撑5个时刻的竖向位移为研究对象，方案1和方案2这11个点位在上述时刻的竖向位移如图4所示。这11个点位累计沉降量在施工结束时与拆掉所有临时支撑时相差很小，可忽略不计，所以将这2个时刻的累计沉降量视为相等。

由图4可知，方案1中，3号和8号2个点位沉降总量较大，分别为11.76mm和10.24mm；点位在拆除临时支撑阶段产生的沉降量最多，特别是在3号和8号点位分别占沉降总量的85%和91.7%。方案2中，3号和7号点位沉降总量较大，分别为9.39mm和3.84mm；点位同样在拆除临时支撑阶段产生的沉降量最多，特别是在3号和2号点位分别占沉降总量的83.6%和85.7%。从计算结果可知，已建地铁车站底层3号点位附近的楼板沉降总量最大，方案1中数值为14.17mm，方案2中数值为10.1mm。

图4 不同方案的底层交点竖向位移

在2种施工方案下地铁车站各层梁板柱交点最终沉降如图5所示。

从图5可以看出，2种方案下都使各层1、2、3、4、5点位和6、7、8、9、10、11点位移曲线呈上凹下凸形状。但在车站各层任一点位上，方案2使其产生的最终沉降比方案1要小。以方案2使其产生的最终沉降为基准，方案1比方案2大23.1%～873.5%，其中最大的位置在各层的9号和10号点位。2个方案对车站沉降大小有影响，也改变了每层左侧（见图2）沉降最大位置对应的点号（即方案1中沉降最大点位为8号，而方案2点位为7号）。由有限元分析结果可知，方案1对地铁车站各层板产生影响的面积比方案2大，特别是在底板方案1比方案2大近1倍。

已建地铁车站在2种方案施工过程中，各处位移逐渐积累增大。车站变形分布在梁、柱和每层两排梁之间区域的楼板，各层楼板最终变形呈碗型［5－6］。车站在拆除临时支撑阶段所受影响反而比土体开挖大得多，底板3号点位附近沉降总量最大。同时加强车站在拆除临时支撑时的加固。总之，方案1对地铁车站产生的影响比方案2大，而且范围更广。

图5 2方案各层交点最终沉降对比

选取地铁车站中间层1～5号柱子及其周围纵向梁进行分析，梁弯矩、2号与3号柱子间纵梁弯矩变化如图6a、图7a所示。由图6a、图7a可知，隧道开挖过程中，2个方案中位置相同的梁y方向弯矩数值相差不大，说明不同开挖施工方案对梁的弯矩影响不明显，对建筑底部结构影响大，而对相对位置较高的部位，受结构自身调节和约束作用，这种影响逐渐弱化。由图7a可知，2种方案中未拆除临时支撑时，梁始终处于受压状态；在逐步拆除临时支撑后，梁由受压变成受拉状态。表明拆除临时支撑导致车站承重结构受力发生了突变，这与车站在此时沉降量急剧增加相呼应，它是施工中最危险的过程，应加强该时期的防护工作。

选取地铁车站1～5号柱子进行分析，柱子弯矩和2号柱子弯矩的变化如图6b、图7b所示。由图6b、图7b可知，在隧道开挖施工过程中，拆除临时支撑时柱子y方向弯矩增大显著。与梁受力规律类似，不同开挖施工方案对柱的弯矩大小及分布形态影响较小。

图6 梁、柱的弯矩

图7 梁、柱的弯矩变化

3.3 对地表的影响

选取图2中地铁车站任意一层梁板柱交点投影到地表上11个点位的最终沉降为研究对象，这些点相应依次标记为1′～11′，它们的最终沉降如图8所示。从图8可知，在地表任一点位，方案2使其产生的最终沉降比方案1要小；2个方案最大沉降均出现在地表3′点位，以方案2中3′点最终沉降值为基准，方案1比方案2大41.8% 。2种施工方案使地表沉降范围集中在既有地铁车站与附属建筑投影到地表的区域内，也使地表沉降范围的形状相似，但是方案1使地表产生沉降的范围比方案2大近1倍。

图8 地表点位最终沉降

3.4 对新建隧道的影响

新建隧道初期衬砌位移以竖向位移为主，主要是高四洞隧道初期衬砌顶板的沉降，侧向位移都比较微小。方案1初衬最大沉降比方案2大40.6%（其中方案2与方案1的最大沉降值分别为10.1mm和14.2mm）。同时，2个方案中新建隧道初期衬砌最小主应力均为压应力。方案2初期衬砌除了在四洞隧道的两侧竖向边墙和顶板外边缘、两平行分离单洞隧道与高四洞箱型隧道的交界处压应力最大，达到7.58MPa，其他部位不超过2.16MPa，所有压应力均未超过C25喷射混凝土的弯曲抗压强度设计值［8］13.5MPa。方案1初期支护最小主应力显示，高四洞隧道顶板承受较大的压应力，最大达到31.44MPa，出现在顶板的外边缘，该压应力对于顶板是一个很大的挑战。

隧道初期衬砌竖向位移及最小主应力分布表明，在边拆除混凝土临时支撑边施作二期衬砌过程中，高四洞隧道初期衬砌的顶板承受较大形变和压力，应当加强初期支护，同时架设临时钢支撑来确保施工安全［9］。

4 结束语

通过对地铁隧道下穿既有地下建筑施工方案的对比，显示采用5＃导洞开挖施工，减小了地表的累计沉降和地下建筑物的变形及受力，避免了隧道开挖施工导致已建紧贴地铁车站的变形破坏。该方案施工技术难度低，施工进度快，效果非常明显，宜优先选用。

在隧道施工过程中，应穿越地铁车站施工风险最大。既有地下建筑中地铁车站所受影响最大，其余建筑所受影响极小。车站以竖向位移为主，3号点位（图2中）柱子沉降总量最大。施工过程中，应加强地铁车站的加固。

在隧道施工的各个阶段，拆除混凝土临时支撑产生的影响最为严重。该阶段地铁车站（特别是车站底层结构）的变形急剧增大，变形增加量占所有阶段累计变形量的绝大部分。新建高四洞隧道初期衬砌的顶板沉降和承受的压应力很大。要注意隧道衬砌的支护，应加强在拆除临时支撑阶段的支护，并严格控制临时支撑拆除量，及时修建二期衬砌。

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