渝中城项目超深基坑开挖及超高建筑群加载对既有隧道影响分析

李杨秋，李 涛，李安兴

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400042)

0 引言

重庆地处山城，因用地空间有限，不得不在既有隧道上方开挖基坑、修建建筑，这一问题已变得日益突出，若不经分析评估就实施项目很容易引发隧道安全事故，或造成洞室地基失稳，对建筑物和隧道造成破坏。国内学者张永兴等［1］对岩质洞室地基稳定性做了广泛研究，得出了很多有益于工程实际的结论;李杨秋等［2］采用三维弹塑性有限元方法对超高层塔楼与临近既有隧道在不同水平距离情况下的相互影响程度进行了对比分析;赵俊等［3］对复合地层中基坑开挖对下卧隧道变形影响进行了研究，重点分析基坑开挖宽度与隧道直径比(L/D)和复合地层模量比(E2/E1)变化对土体及隧道变形的影响;张宗兴［4］以重庆农村商业银行大厦基坑及毗邻的江北城隧道为研究背景，釆用有限元软件对基坑岩体不同物理参数进行了二维弹塑性数值模拟计算，分析了基坑岩体物理参数抗剪强度、弹性模量及基坑－隧道相对位置关系对隧道衬砌各特征点的位移、内力、安全性影响规律。目前，就基坑开挖或建筑物加载引起的隧道变形问题，国内外学者主要采用数值分析法［2－6］和理论分析法［7］进行研究，对于时空关系较为复杂的项目，采用数值分析法具有明显优势。但以往研究大多针对单栋建筑或土质基坑，涉及到超深岩质基坑及超高层建筑群对下卧隧道影响分析的工程实例还不多见，特别是对基坑开挖卸载和建筑群加载的全过程分析的研究内容较少，因此有必要进行上述分析研究。本文以渝中城项目为背景，采用三维数值分析方法，参考《隧道现状检测检验报告》，考虑了松动圈、隧道衬砌厚度不足、围岩脱空等不良情况，真实模拟了隧道在运营过程中的情况，对比分析了基坑开挖卸载和建筑群加载工况下隧道的位移、内力及围岩应力的发展规律。

1 工程概况

1.1 拟建项目工程概况

渝中城项目位于重庆市渝中区，地块规划用地面积39 243 m2，总建筑面积375 265 m2，主要包括超高层办公楼、高层、超高层住宅、幼儿园和地下车库。运营公路隧道从项目用地下方穿越，项目3#，4#，5#，6#塔楼及地下车库位于隧道50 m保护线范围内，其中4#塔楼及市政高架桥墩位于隧道正上方。3#楼为138.85 m超高层建筑，框架－核心筒结构，基础形式为独立基础，基础轴向荷载最大值36 474 kN;4#楼为96.2 m高层住宅建筑，框支剪力墙结构，基础形式为独立基础，基础轴向荷载最大值23 578 kN;5#楼为130.6 m超高层建筑，框支剪力墙结构，基础形式为独立基础，基础轴向荷载最大值28 435 kN;6#楼为160.6 m超高层建筑，筏板基础，总竖向荷载672 000 kN;市政高架桥墩为桩基础，轴向荷载为3 850 kN。项目设计地坪高程±0.0=280.10 m，地下室标高－3F= 267.20 m，－4F=254.90 m，基坑深度为22～33 m。

1.2 公路隧道工程概况

隧道为双洞单向行车，隧道轴线间距31 m，隧道净高7.43 m，净宽10.96 m，隧道内轮廓采用曲墙半圆拱，拱半径5.59 m，曲墙半径8.99 m。洞身结构按新奥法进行施工，采用复合式衬砌，初期支护采用湿喷工艺喷射C20混凝土，锚杆和钢筋网为主要支护手段。穿越场地隧道设计衬砌类型主要采用Ⅳ型衬砌和Ⅴ型衬砌，见图1和图2。该隧道于1999年竣工通车，已运营16年。《隧道现状检测检验报告》结论指出:隧道局部范围内有渗水、环形裂缝等质量瑕疵，但结构安全性满足规范要求。

图1 隧道Ⅳ型衬砌断面图(单位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel with TypeⅣlining(mm)

图2 隧道Ⅴ型衬砌断面图(单位:mm)Fig.2 Cross-section of tunnel with TypeⅤlining(mm)

1.3 项目与公路隧道相互关系

4#塔楼位于隧道正上方，6#塔楼距隧道边线水平距离为1.7 m，3#塔楼和5#塔楼距隧道边线水平距离为26～29 m。3#塔楼基底距洞顶竖向距离为31.8 m， 4#，5#，6#塔楼基底距洞顶竖向距离为40.5 m，桥墩基底距洞顶竖向距离为29 m。隧道进入本项目红线起点里程桩号为:左洞ZK0+600，右洞YK0+602。出红线里程桩号为:左洞ZK0+705，右洞YK0+735。项目与隧道平面位置见图3。

根据文献［8］的公式计算得出小净距隧道深浅埋分界深度为12.26 m，理论上判断隧道与项目相互影响部位为深埋隧道。项目与隧道剖面关系见图4。

图3 项目与隧道平面位置图(单位:m)Fig.3 Plan sketch showing relationship between tunnel and buildings(m)

图4 项目与隧道剖面关系图(单位:m)Fig.4 Profile showing relationship between tunnel and buildings(m)

1.4 风险源辨识

公路隧道为已运营隧道，项目修建为先开挖基坑，然后修建裙楼及塔楼，对隧道结构影响为先卸载后加载的过程，风险源主要有:

1)场地基坑开挖深度为22～33 m，基坑开挖卸载会导致隧道结构产生向上的竖向位移，如果变形较大可能会影响结构安全与运营安全;

2)基坑开挖和建筑加载过程中，围岩压力可能产生变化;

3)裙楼及塔楼主体结构加载，地基附加应力叠加可能导致隧道产生偏压，对隧道受力产生不利影响;

4)基坑坑底若排水不良，降雨导致坑内积水可能造成隧道渗漏水;

5)基坑及基础开挖过程中的振动过大对隧道结构及正常运营产生不利影响。

2 工程地质条件简述

2.1 地形地貌

场地属丘陵地貌，斜坡地形。拟建场地总体上为中部高，四周低，高程在258.93～300.47 m，相对高差为41.54 m。

2.2 地质构造

场地位于解放碑向斜的西翼，岩层呈单斜构造产状，岩层产状135°∠9°。岩体中见2组裂隙:1) 320°∠80°～85°，间距0.5～1.0 m/条;2)240°∠85°～90°，间距0.30～1.2 m/条。2组裂隙结构面结合差，属硬性结构面。

2.3 地层岩性

评估段场地地表层填土厚度2～8 m，基岩为中风化的紫色泥岩和巨厚层长石、石英砂岩互层，无地下水，围岩呈大块状砌体结构，隧道洞体从长石石英砂岩层穿过，隧道围岩完整稳定，无不良地质现象。建筑物基础持力层为中风化泥岩。

2.4 评估段隧道围岩级别判定

竣工资料显示，穿越本项目场地的隧道围岩为Ⅳ类及Ⅴ类，为方便后续隧道安全性计算及稳定性判定，故将 JTJ 026—90《公路隧道设计规范》与 JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》对应的围岩类别进行转换，具体为Ⅳ类围岩对应现行的Ⅲ2级围岩，Ⅴ类围岩对应现行Ⅲ1级围岩［9］。

2.5 岩土参数取值

数值计算采用参数见表1，考虑到隧道钻爆施工过程中对部分围岩的扰动，选取一定厚度的围岩模拟松动圈，对围岩松动圈的岩体参数进行折减。

表1 岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of different materials

3 数值计算分析

数值模拟分析采用Midas/GTS有限元软件。通过建立三维模型进行计算，分析衬砌及围岩的位移场、应力场、塑性区分布情况等，分析基坑开挖及建筑物加载对隧道的影响程度。

根据文献［8］第9.2.6条，对于Ⅰ～Ⅲ级围岩地段的隧道，围岩形成的荷载应100%由围岩与初期支护承担，二次衬砌的荷载分担比例理论上为0。因此，综合分析隧道设计资料、竣工资料及《现状安全评估报告》，进行了2种工况的模拟分析。工况1仅考虑初期支护，让初期支护与围岩承担全部围岩荷载及建筑物荷载，以此验算项目实施过程中初期支护结构是否安全。工况2模拟隧道二次衬砌，考虑在初期支护失效情况下，若由二次衬砌与围岩承担全部围岩荷载及建筑物基底附加荷载，二次衬砌的内力变化趋势及其安全储备。

公路隧道穿越本项目段现状检测数据资料显示，隧道衬砌施工时因混凝土厚度浇筑不均匀，最大值114.7 cm，最小值为20.2 cm，与设计要求的35 cm在数值上有一定出入，工况2在数值模型中二次衬砌厚度按最薄厚度20 cm素C25混凝土考虑。

3.1 三维数值模拟计算分析

3.1.1 三维模型概况

三维有限元模型考虑了隧道2种类型的衬砌，其中里程600～660段为Ⅴ型衬砌，660～735段为Ⅳ型衬砌。模型尺寸为240 m×165 m×97 m，单元数845 386个，隧道已竣工多年，拱顶、拱底及洞周变形已完成，因此在模拟初始状态时，位移清零。三维模型概况见图5—7。

3.1.2 计算步骤

计算步骤分4步:1)隧道施工后状态;2)平场; 3)开挖基坑;4)修建基础、建筑加载。

图5 三维模型透视图Fig.5 Perspective view of 3D model

图6 桥墩、基础与隧道衬砌空间位置关系Fig.6 Spatialrelationship among piers，foundation and tunnel lining

图7 位移监测剖面Fig.7 Displacement monitoring profiles

3.1.3 工况1三维数值计算位移分析

3.1.3.1 拱顶竖向位移分析

工况1隧道拱顶位移曲线见图8和图9，竖向位移云图见图10—13。

图8 隧道左洞(1－1剖面)拱顶竖向位移曲线(工况1)Fig.8 Curves of vertical displacement of crown of left tunnel tube(Profile 1－1)(Case 1)

图9 隧道右洞(2－2剖面)拱顶竖向位移曲线(工况1)Fig.9 Curves of vertical displacement of crown of right tunnel tube(Profile 2－2)(Case 1)

图10 基坑、基础开挖后1－1剖面竖向位移云图(工况1)(单位:m)Fig.10 Contour of vertical displacement of Profile 1－1 after excavation of foundation pit and foundations(Case 1)(m)

图11 建筑修建后1－1剖面竖向位移云图(工况1)(单位:m)Fig.11 Contour of vertical displacement of Profile 1－1 after buildings are completed(Case 1)(m)

图12 基坑开挖后2－2剖面竖向位移云图(工况1)(单位:m)Fig.12 Contour of vertical displacement of Profile 2－2 after excavation of foundation pit(Case 1)(m)

图13 建筑修建后2－2剖面竖向位移云图(工况1)(单位:m)Fig.13 Contour of vertical displacement of Profile 2－2 after buildings are completed(Case 1)(m)

对计算结果进行分析，在项目实施期间，平场、基坑开挖和建筑加载对隧道拱顶竖向位移均有一定程度的影响，变化趋势为平场、基坑开挖时拱顶位移方向向上，建筑物加载时拱顶位移方向向下。隧道最大变形发生在基坑开挖完成后，左右2个隧道拱顶最大隆起均为5 mm左右，靠近基坑中心位置变形较大(即隧道里程640～690 m处);建筑修建后，隧道拱顶下沉值为1.5 mm，隧道变形部分恢复，与平场工况基本一致。

3.1.3.2 拱侧水平位移分析

隧道水平位移曲线见图14和图15。通过水平位移云图及水平位移曲线可以看出，项目的实施对隧道的水平变形影响小，最大水平位移不超过0.5 mm，发生在基坑开挖完成时。

图14 隧道左洞水平位移曲线(工况1)Fig.14 Curves of horizontal displacement of left tunnel tube (Case 1)

图15 隧道右洞水平位移曲线(工况1)Fig.15 Curves of horizontal displacement of right tunnel tube (Case 1)

3.1.4 工况2三维数值计算位移分析

3.1.4.1 拱顶竖向位移分析

工况2隧道拱顶竖向位移曲线见图16和图17。由位移曲线可以看出，工况2隧道的竖向变形略小于仅考虑初期支护时的工况1，但2个工况下，隧道拱顶竖向变形趋势基本一致。

图16 隧道左洞(1－1剖面)拱顶竖向位移曲线(工况2)Fig.16 Curves of vertical displacement of crown of left tunnel tube(Profile 1－1)(Case 2)

图17 隧道右洞(2－2剖面)拱顶竖向位移曲线(工况2)Fig.17 Curves of vertical displacement of crown of right tunnel tube(Profile 2－2)(Case 2)

3.1.4.2 拱侧水平位移分析

隧道水平位移曲线见图18和图19。通过水平位移曲线可以看出，工况2下项目的实施对隧道的水平变形影响很小，最大水平位移发生在基坑开挖完成时，约0.45 mm。

图18 隧道左洞水平位移曲线(工况2)Fig.18 Curves of horizontal displacement of left tunnel tube (Case 2)

计算结果表明:三维数值分析中工况1和工况2隧道结构在位移、变形、应力、塑性区等方面分布及变化趋势一致。其中拱顶竖向位移的变化较拱侧水平位移明显，在项目实施过程中，基坑开挖工况对隧道位移的影响比建筑物加载工况大。

图19 隧道右洞水平位移曲线(工况2)Fig.19 Curves of horizontal displacement of right tunnel tube (Case 2)

3.1.5 围岩应力分析

在项目施工过程中，围岩拉、压应力表现为先减小后增大的趋势，但均未超过隧道开挖时的数值，且均未超过岩体抗拉强度和抗压强度。在各施工荷载步下的围岩最大拉应力和压应力数值见表2。

表2 隧道围岩应力计算成果表Table 2 Calculation results of stress of surrounding rock of tunnelkPa

3.1.6 衬砌内力分析

通过对3个荷载步下衬砌内力值的对比分析，基坑开挖工况衬砌的轴力、剪力、弯矩值有减小趋势，轴力减幅较大，剪力、弯矩减幅较小。建筑物加载工况衬砌的轴力、剪力、弯矩值有增大趋势，增大后的内力值约等于隧道开挖时的内力值。总体而言，衬砌内力最终变化不大。通过对拱顶、拱腰、拱底3个关键部位的分析，内力最大值发生在拱腰处，具体数值见表3。

表3 工况2衬砌内力值Table 3 Internal force of lining(Case 2)

3.1.7 衬砌安全性验算

根据文献［8］和文献［9］，取最不利位置拱腰进行衬砌安全性验算，验算结果见表4。在永久荷载+基本可变荷载组合情况下，考虑衬砌最薄厚度0.2 m时，钢筋混凝土结构的强度安全系数为2.31，满足规范要求。

表4 隧道衬砌安全系数Table 4 Safety factor of tunnel lining

4 结论与建议

4.1 结论

本项目塔楼基坑底标高距隧道洞顶竖向距离为30～40 m，基坑开挖深度22～33 m，4栋超高层建筑基础形式、数量众多，基础轴力大，通过采用Midas/GTS有限元软件，建立三维模型对基坑开挖到建筑物加载的施工全过程进行模拟分析，得出以下结论:

1)深大基坑开挖工程，基坑底部将出现隆起变形，基坑隆起对隧道上抬变形的影响程度随着隧道埋置深度的增大而减弱;特别是在岩质地基中当隧道埋置深度为基坑开挖深度的1～1.5倍时，基坑开挖卸载对隧道位移、衬砌内力的影响不显著。

2)建筑物加载对隧道上抬变形有一定的补偿作用，使隧道的位移和衬砌内力基本恢复到原始衬砌状态，对隧道而言，在项目施工过程中的最不利工况为基坑开挖完成时，应在该阶段加强对隧道的监测和检测工作。

3)本次数值计算所选取的计算参数和建立的模型在计算结果及影响趋势方面是符合理论和经验判断的，基坑卸载和建筑加载对公路隧道衬砌结构影响小，其位移、应力、内力、安全系数等均满足规范及正常使用要求，数值计算的结果可以用于指导设计和施工。

4.2 建议

1)对营运时间超过10年以上的隧道，建议在进行安全评估分析前对隧道的现状进行检测，并根据现状资料进行分析，考虑到施工质量及材料强度劣化等不良影响，应对分析参数进行折减，以反映隧道结构目前的真实状态。

2)本文主要针对一具体工程实例得出分析结论，还需在今后作进一步研究，将理论分析与数值计算相结合，通过对隧道埋置深度和基坑开挖深度的参数研究，找出二者之间的影响趋势和变化规律。

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