小净距隧道下穿既有建筑物稳定性研究

习淑娟，黄　琳

(1.石家庄铁路职业技术学院交通系，石家庄　050041；2.石家庄铁道大学研究生学院，石家庄　050043)

小净距隧道下穿既有建筑物稳定性研究

习淑娟1，黄琳2

(1.石家庄铁路职业技术学院交通系，石家庄050041；2.石家庄铁道大学研究生学院，石家庄050043)

摘要：近接施工引起的结构稳定性一直是城市地下工程关注的热点问题。以合肥小净距隧道穿越利海大厦办公楼工程实践为依托，建立三维数值力学模型，研究建筑物桩基变形特性、小净距隧道围岩塑性区分布和衬砌力学响应。研究结果表明：上台阶开挖引起桩基沉降占整个断面通过后总沉降量较大比例，上台阶施工过程控制尤为重要；接近隧道入口的桩基沉降量最大，从外向内逐渐减小；隧道通过20 m后，桩基沉降基本稳定。小净距隧道围岩塑性区主要集中在边墙、中隔墙和拱脚，建议设置中隔墙对拉锚杆和拱脚锁脚锚杆；先行洞洞周变形大于后行洞，先行洞隧道拱肩、中夹岩柱侧边墙二次衬砌安全系数最小，应作为施工阶段重点监测部位。研究成果对复杂环境城市地下工程设计、施工提供参考和借鉴。

关键词：小净距隧道；下穿；既有建筑物；桩基；衬砌受力

1概述

随着城市地下工程的发展，隧道下穿既有建筑物越来越多，不可避免地引起建筑物基础的沉降，给房屋安全带来潜在风险[1]。特别是小净距隧道的施工，先行洞和后行洞相互影响，如果设计不合理，有可能引起建筑物基础沉降过大，造成结构的损伤，甚至坍塌。针对此问题，国内外进行了相关的研究，取得一定的研究成果[2-3]。

张顶立[4]以北京地区浅埋暗挖法下穿既有隧道为依托，通过现场实测，研究了既有隧道变形特征，并提出一个简便、快捷预测方法。王春希[5]采用不同工法及不同加固范围的计算分析比较，确定暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施。张明聚[6]采用数值模拟，分析了盾构施工中的左右洞先后掘进对邻近建筑物群影响。贺少辉[7]结合武广高速铁路尖峰顶隧道下穿地表高压输电线塔，采用以流固耦合数值计算，分析地层变形的关键影响因素。陈浩[8]以北京地铁9号线军事博物馆车站下穿既有地铁1号线工程实践，研究了既有结构变形规律，针对既有结构变形提出有效的控制措施。王明年[9]以客运专线隧道下穿立交桥工程为例，研究近接桩基施工位移控制技术，提出隧道两侧设置隔离桩加固方案。彭立敏[10]以深圳地铁隧道下穿住宅小区建筑群为依托，认为穿越角度对建筑物变形影响较大，但是结构受力影响较小。

参考国内外文献[11-12]，对城市近接地下工程的施工，大部分是针对单洞隧道下穿建筑物进行研究。数值分析方面，大部分是集中在二维数值模拟，按照实际工序进行三维小净距隧道下穿既有建筑物研究相对较少。鉴于此，结合合肥小净距隧道穿越利海大厦办公楼工程实践，研究小净距隧道下穿既有建筑物稳定性，进而指导工程实践，具有重要理论意义和科学价值。

2工程概况

利海大厦办公楼11F，独立桩基底部距离隧道初期支护拱顶18.5 m，两者相互影响较大，桩基按平面图设6×10个(按线性排布)，既有建筑物桩基与小净距隧道平面关系如图1所示。其中，相邻隧道净距7.28 m，远小于《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)中4.3.2节对小净距隧道的规定，Ⅳ级围岩小净距要求为2.5B=23 m(B为隧道跨度9.2 m)。

图1　既有建筑物桩基与小净距隧道平面关系

利海大厦属于办公类用楼，在结构荷载取值的时候按办公楼类取用。恒载取值：楼板的厚度为0.2 m，装修厚度取0.05 m，梁、柱、隔墙按经验等效换算为板厚(0.2 m)，板的重度按26 kN/m3取值，故标准恒载SGK=0.45×26=11.7 kN/m2。

活荷载取值按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)中4.1民用建筑楼面均布活荷载取值为2.5 kN/m2，即标准活荷载取值SOK=2.5 kN/m2。

荷载设计值：

S=SGK×1.35+SOK×1.4=19.25kN/m2

计算取荷载设计值为20.20kN/m2。

按《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)取桩周围承载面积内荷载进行计算。

2.1计算模型

利海大厦采用独立桩基，采用三维快速朗格拉日差分法软件FLAC3D，模型横断面方向为100m，隧道轴线方向80m，隧道中心到底部边界选取25m，上边界取值地表。初期支护、二次衬砌、桩基和围岩均采用六面体实体单元，节点153 038个，单元146 152个。三维计算模型前、后、左、右及下边界均为法向位移约束，桩基顶部施加竖向建筑物等效荷载，上表面(除桩以外)为自由边际，模拟地表实际情况，三维计算模型见图2。

图2　三维计算模型

2.2开挖顺序

上下台阶法施工，台阶距离10 m，隧道开挖支护顺序如图3所示。

图3　小净距隧道施工过程

按照实际施工工艺，该段小净距隧道采用上下台阶法，右洞先行，待先行洞二次衬砌浇筑完成并达到强度后，方能开挖后行洞(左洞)。

2.3计算参数

隧道围岩岩性以中风化砂质泥岩为主，呈块状结构，围岩级别为Ⅳ级，总体稳定。根据地质勘察报告以及隧道设计规范，围岩、支护结构计算物理力学参数如表1所示，采用摩尔库伦本构模型。

表1　计算物理力学参数

图6　隧道入口端桩基沉降比较

3隧道围岩与桩基稳定性

3.1隧道拱顶位移与掌子面开挖关系

上下台阶法施工，台阶距离10 m，施工过程中，先行洞、后行洞拱顶位移随台阶法掘进变化曲线如图4所示。

图4　拱顶位移与上下台阶开挖距离关系曲线

从图4看出，拱顶位移随开挖距离的增大而增大，当上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，拱顶位移增大缓慢趋向平衡。后行洞(左洞)施工对先行洞(右洞)的二次扰动，先行洞拱顶位移比后行洞大，从变形角度看，先行洞洞周变形应该作为监测的重点。

3.2隧道围岩塑性区分布特征

台阶法施工完成后，小净距隧道围岩塑性区分布特征如图5所示。

图5　围岩塑性区分布特征

从图5看出，围岩塑性区主要分布在边墙和拱脚位置，而且随着开挖进行变化很小，其中，小净距隧道中隔墙部分塑性区较大，接近贯通，施工过程中建议设置对拉锚杆。隧道拱脚处产生较大塑性区，此处建议设置锁脚锚杆，提高拱脚稳定性。

3.3桩基与掌子面开挖沉降规律

上下台阶法施工过程中，与隧道进口最近的横向第一排桩基(101号桩、131号桩、151号桩，具体位置见图1)变形过程曲线如图6所示。

从图6看出，随着掌子面的掘进，右洞开挖对桩基影响较左洞要小，从开挖2～16 m段对桩基的影响较小，16～30 m段桩基位移变化明显，而30 m以后的开挖对桩基影响较小。桩基位移随开挖距离的增大而增大，当上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，桩位移增大缓慢趋向平衡，建筑物桩基总体稳定。

图7　沿隧道轴线纵向桩基沉降比较

上下台阶法施工过程中，沿隧道轴向桩体(具体位置见图1)变形曲线如图7所示。从图7明显看出，桩基沉降随开挖距离的增大而增大，开挖上台阶2～16 m段对桩基影响较小，16～30 m段桩位移变化明显，当上台阶开挖完毕，下台阶开挖距离增大，拱顶位移增大缓慢趋向平衡。另外，距离洞口位置越远，桩基沉降越小。

图8　同一水平位置横向桩基沉降比较

上下台阶法施工过程中，沿隧道横向桩基(位置见图1)变形曲线如图8所示。

从图8看出，桩基沉降与桩和隧道的空间位置有关，右洞开挖过程中，先行洞上方桩沉降值>两洞中间上方桩沉降值>后行洞上方桩沉降值。后行洞开挖过程中，后行洞上方桩沉降速度>两洞中间上方桩沉降速度>先行洞上方桩沉降速度。

桩基沉降量总体不大，当桩基沉降稳定后桩基的最大沉降量为6.612 mm。纵向上看，随着隧道开挖，掌子面后方桩基沉降慢慢趋于稳定，而前方的桩沉降还再继续增大，在掌子面后方20 m桩基沉降基本不再增加。

由《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中建筑物地基变形允许值的规定可知，一般高层建筑的平均允许沉降量为120 mm，相邻桩间相对沉降量允许值为0.002L，L为相邻桩中心距，L最长距离约5 m，故相对沉降量允许值为10 mm，对于本次计算的各桩沉降量及各相邻桩之间相对沉降量都满足该规定。

4衬砌结构内力分析

隧道施工结束后，取建筑物中间截面，小净距隧道二次衬砌结构弯矩、轴力和安全系数如图9所示。

图9　小净距隧道衬砌结构受力特征

从图9可知，先行洞(右洞)内力较后行洞(左洞)更为不利，后行洞安全系数较大。整个支护结构内力不大，衬砌结构稳定。由于小净距隧道先行洞和后行洞先后施工相互影响，以及中夹岩柱薄弱环节，导致先行洞拱肩、中夹岩柱边墙部分衬砌结构安全系数最小，应该作为施工期间重点监测部位。

5结论

建立三维数值力学模型，模拟小净距隧道下穿既有建筑物的施工过程，研究了建筑物桩基变形特征、小净距隧道围岩塑性区分布和衬砌结构稳定性，得出如下主要结论。

(1)在同一隧道施工过程中，上台阶开挖引起桩基沉降占整个断面通过后总沉降量较大比例，因此，为减小桩变形，上台阶施工过程控制尤为重要。

(2)沿隧道轴线，两洞垂直上方的桩基沉降最大值为6.6 mm，满足规范要求。接近隧道入口的桩基影响最大，从外向内逐渐减小。在隧道通过20 m后，桩基沉降基本稳定。

(3)小净距隧道围岩塑性区主要集中在边墙，中隔墙塑性区较大，接近贯通，施工过程中建议设置中隔墙对拉锚杆。隧道拱脚处产生较大塑性区，此处建议设置锁脚锚杆，提高拱脚稳定性。

(4)先行洞变形大于后行洞，先行洞稳定性应该作为施工监测的重点。小净距隧道近接施工的相互影响，以及中夹岩柱薄弱环节，导致先行洞拱肩、中夹岩柱边墙部分二次衬砌安全系数最小，应该作为施工期间重点监测部位。

参考文献：

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Study on Stability of Small Clear Distance Tunnel Underpassing Existing Building

XI Shu-juan1， HUANG Lin2

(1.Department of Transportation Engineering， Shijiazhuang Institute of Railway Technology， Shijiazhuang 050041，

China; 2.Graduate School， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract：The stability of approaching construction has been a focus in the field of urban underground engineering. Based on a small clear distance tunnel underpassing office building of Lihai mansion in Hefei， three-dimensional numerical model is established to investigate deformation characteristics of building pile foundation， distribution of surrounding rock plastic zone of small clear distance tunnel， and mechanical response of lining. The results show that most of the settlement of pile foundation takes place during upper bench excavation and the control of upper bench excavation is of special importance. The settlement of pile foundation at the entry of tunnel dominates and decreases from extroversion to introversion. When the working face of tunnel advances 20 m the settlement of pile foundation tends to be stable. As the plastic zone of small clear distance tunnel concentrates at side-wall， mid-partition wall and arch-footing， it is suggested that tensile-type bolts should be installed at mid-partition wall and locking anchor adopted at arch-footing. The deformation of first-excavation hole is more than that of subsequent hole. The safety factors of lining at spandrel and side wall close to mid-partition wall are the minimum， where special monitoring should be addressed. The research results can supply to the design and construction of urban underground engineering in complicated environment.

Key words：Small clear distance tunnel; Underpassing; Existing building; Pile foundation; Stress of lining

中图分类号：U45

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.026

文章编号：1004-2954(2015)06-0117-05

作者简介：习淑娟(1976—)，女，讲师，工学硕士，E-mail：huanglinmail01@163.com。

基金项目：国家自然科学基金(51078318)

收稿日期：2014-07-29； 修回日期：2014-09-17