浅埋矿山法隧道施工对地表建筑物的影响研究

于鹤然,赵巧兰,郭苏锐

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院,北京 100055)

浅埋矿山法隧道施工对地表建筑物的影响研究

于鹤然,赵巧兰,郭苏锐

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院,北京 100055)

浅埋隧道施工对地表建筑物的影响,主要与隧道断面和埋深、围岩物理力学性质、施工方法及隧道和建筑物的空间相对关系直接相关。基于莞惠城际铁路松山湖隧道下穿建筑物区段工程,为预测浅埋隧道施工对地表建筑物的影响范围以及影响程度,以隧道埋深、建筑物基础类型、隧道与建筑物空间关系等多种因素为可变参数,建立大量力学模型,通过数值模拟分析,得到隧道围岩变形规律,并以此为基础分析隧道开挖对地表建筑物变形的影响。结合工程经验,建立划分隧道对地表建筑物影响范围的分区和控制标准,提出相应的影响范围判定经验公式。

浅埋暗挖；近接施工；下穿建筑；数值模拟

国内外关于隧道施工对邻近结构物影响研究较系统的是仇文革[1]关于地下工程近接施工力学原理与对策的研究、张顶立[2]关于隧道施工下邻近建筑物的安全评估。目前，对影响区域的划分，还没有统一的标准。在隧道施工影响分区方面，王占生[3]提出在工程应用中，一般把隧道施工对周围的影响按范围划分为受影响区域和不受影响区域，对不受影响区域的建筑物认为受施工影响程度可忽略不计，而部分或全部位于受影响区域的建筑物则要进行影响程度的判断。施仲衡[4]等提出了一种简单实用的方法划分施工影响范围，但对于地表建筑物所受影响程度的具体评估尚不够清晰全面。基于莞惠城际铁路松山湖隧道下穿建筑区段工程，利用数值模拟研究方法，对施工影响区进行划分判定并介绍相关控制措施。

1 工程概况

莞惠城际铁路松山湖隧道矿山法段，采用双洞单线隧道结构形式，单洞隧道开挖跨度最大为9.5 m，高度10.5 m，双洞间净距5.0～9.0 m。部分段落大量下穿工厂、民房等建筑物群，且大部分建筑物为埋深较浅的天然基础及预应力管桩基础，隧道开挖沉降对地表建筑物的安全造成影响。矿山法隧道主要穿越粉质黏性土、全风化、强风化、微风化混合片麻岩、花岗岩、泥质粉砂岩、炭质页岩，局部穿越砂层及断裂层，隧道底部至地表范围土层以强风化、微风化混合片麻岩为主。

2 建筑物结构变位破坏评价指标

任何地面及地下结构均有一定的强度，有一定的安全系数，即有一定抵抗地面位移和变形的能力，房屋的容许变形系指建构筑物并不影响正常使用，为房屋所容许的数值。当房屋遭到的变形不超过该房屋所能抵抗的最大变形时，房屋不表现出可以观察到的损害。房屋的容许沉降是制定施工方法的前提，也是对房屋进行安全评价的基础，因此结合类似工程经验，推荐采用以下综合评价指标对本隧道穿越工程中的建筑物的安全性进行评价。

(1)建筑物整体沉降：目前较普遍的一种看法是，整体沉降不会造成建筑物的破坏，对其稳定性和使用条件也不会产生太大影响，如《建筑地基基础设计规范》[5]确定200 mm为允许变形，但实际上在很多复杂工程中，整体沉降通常会大大加强隧道二衬结构的荷载，对隧道结构安全性不利。为了建筑物与隧道安全，结合以往类似场地穿越工程的控制经验，并考虑一定的施工不可预见因素及安全余量，建议本穿越工程中高层建筑物的整体沉降不得超过20 mm。

(2)建筑物倾斜：与均匀沉降相比，建筑物对不均匀沉降的敏感程度更大，常常发生倾斜或开裂破坏。建筑物倾斜是通过沿纵墙方向基础两端的差异沉降体现出来的，且建筑物整体刚度越大，则结构开裂程度相对越轻。根据文献[5]其限值为2‰，参照本工程建筑物特点及施工中多种不可预见因素影响，建议本穿越工程的控制限值为1‰。

3 隧道施工对建筑物的影响范围研究

隧道施工影响范围的确定较为复杂，隧道埋深和尺寸、开挖方法及地层条件(围岩级别)是主要决定因素，同时还要考虑其它结构物的影响。通常情况是：隧道埋深越深，在地表产生的沉降值越小，但施工影响范围相对较大(沉降槽宽度增大)。为了对隧道施工对环境的影响做出预测及规律总结，运用数值模拟的研究方法，针对不同埋深、不同位置的单洞隧道施工对既有浅基础、桩基础建筑物的影响进行了计算和分析。

3.1 模型建立及计算参数

本章计算模型采用大型有限差分软件FLAC3d进行建模分析，选用可表征岩土体剪切破坏的Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，该模型的屈服准则的物理意义为，当剪切面上的正应力与剪应力之比最小时，岩土体发生屈服破坏[6]。岩土体、既有建筑物及隧道支护结构采用实体单元模拟，并采用实体单元转换为空单元(null)的方法实现隧道施工掘进的模拟，空单元中的应力会自动的设定为零。隧道支护结构中的锚杆采用cable单元，管桩采用beam单元。因重点研究隧道施工过程对地表既有建筑影响，模型只模拟开挖及初期衬砌支护施做阶段。据地勘报告，隧道围岩多为软土层或全、中风化岩层，与《铁路隧道设计规范》[7]Ⅴ、Ⅵ级围岩参数较为一致。围岩及结构力学参数选取见表1。

表1 围岩参数及支护结构力学参数

根据铁路隧道设计规范中对Ⅴ、Ⅵ级围岩单线浅埋隧道的定义(覆盖厚度18～25 m)，本研究中隧道埋深设置取10～25 m，即取10、15、20、25 m四种埋深来建立模型。当没有建筑存在时不同埋深的模型如图1所示。

图1 不同隧道埋深计算模型

3.2 隧道与建筑物立面位置关系

场地内建筑物基础宽度大多为十几至几十米，本计算取20 m。以隧道与基础的平面位置不同，隧道轴线与基础中线距离分为8种：0、5、10、15、20、30、40、50 m。当建筑基础为桩基础时，桩径0.5 m，实际桩间距1.2～1.5 m，计算中取1.0 m×2.0 m，场地内实际桩长15～30 m，计算取20 m。隧道从群桩范围旁边或者下方经过，避免破桩，建筑物与隧道位置关系模型见图2。

隧道埋深与位置关系叠加考虑，得到工况见表2。

图2 隧道与基础间平面位置关系

工况编号1234567891011121314151617181920212223242526272829埋深/m1010101010101015151515151515202020202020202525252525252525距离/m05101520304005101520304005101520304005101520304050

3.3 施工顺序模拟

每个工况中按照以下施工顺序进行施工：(1)建筑物施作(图3)，浅基础埋深取2 m，桩基础承台埋深取1 m。建筑物按8层高度考虑，每层荷载15 kPa。(2)在小导管注浆超前支护下，下穿建筑物段采用台阶法开挖模拟。并施作相应部分的系统锚杆、锁脚锚杆及喷射混凝土。不同步骤的模型见图4、图5。

图3 地应力平衡及建筑物施作

图4 隧道上台阶开挖

图5 隧道下台阶开挖及锚喷支护

3.4 计算说明

在实际施工作业中，在未进入下穿段前，施工方通常本着施工信息化原则，对地表沉降进行密切监测，并根据监测数据调整支护参数及施工方法，进而将地表沉降数值控制在安全范围内，以此作为下穿段的安全保障。故本计算假定当没有建筑物的工况时，即在常规段施工时，用30 mm作为地表沉降控制值，通过调整预支护参数，使得地表沉降值逼近控制值。

3.5 计算结果分析

在基础为浅基础的情况下，根据不同埋深及不同的平面位置关系，共设置29种计算工况，限于篇幅本文只罗列隧道埋深20 m工况中部分计算结果。

当隧道位于常规段掘进即上方没有建筑物时，隧道拱顶最大沉降41.9 mm，地表最大沉降30.2 mm，即在未进入建筑物下穿段时，隧道掘进过程中地表沉降处于正常状态，最大沉降值接近允许值；塑性区贯通至地表。地层沉降云图及隧道周边塑性区分布分别见图6、图7。

当建筑物位于隧道正上方及斜上方时(隧道轴线与建筑物中线相距0～10 m)，地层发生较大变形，计算无法收敛。建筑物沉陷无限增大，隧道周边围岩位移处于不可控状态，需要增加施工辅助措施。破坏变形模式见图8。

图6 常规段隧道围岩沉降云图

图7 常规段隧道围岩塑性区分布云图

图8 下穿段隧道围岩及上部建筑破坏变形示意

当隧道轴线与建筑物中线相距20 m时，地层沉降云图及隧道周边塑性区分布分别见图9、图10。此工况隧道结构拱顶最大沉降38.2 mm，建筑物最大沉降7.3 mm，最大倾斜0.4‰(以建筑物差异沉降计算得，下同)。建筑物基本处于安全状态。

图9 下穿段隧道围岩沉降云图

图10 下穿段隧道围岩塑性区分布云图

当隧道轴线与建筑物中线相距40 m时，地层沉降云图及隧道周边塑性区分布见图11、图12。此工况隧道结构拱顶最大沉降38.6 mm，建筑物最大沉降2.9 mm，最大倾斜0.13‰，综合判断隧道掘进对既有建筑物没有影响。

图11 下穿段隧道围岩沉降云图

图12 下穿段隧道围岩塑性区分布云图

当建筑物基础为桩基础时，根据不同埋深及不同的平面位置关系，共设置22种计算工况，限于篇幅本文只罗列隧道埋深20 m工况中部分计算结果。

当建筑物位于隧道正上方时(隧道轴线与建筑物中线相距0 m)，隧道开挖范围紧贴桩底，地层发生较大变形，此时地层沉降云图及隧道周边塑性区分布分别见图13、图14。此工况隧道结构拱顶最大沉降65.2 mm，建筑物最大沉降58.9 mm。需要增加施工辅助措施。

图13 下穿段隧道围岩沉降云图

图14 下穿段隧道围岩塑性区分布云图

当隧道轴线与建筑物中线相距15 m时，地层沉降云图及隧道周边塑性区分布见图15、图16。此工况隧道结构拱顶最大沉降36.4 mm，建筑物最大沉降22.8 mm，最大倾斜1.0‰。应引起足够重视。

图15 下穿段隧道围岩沉降云图

图16 下穿段隧道围岩塑性区分布云图

当隧道轴线与建筑物中线相距40 m时，地层沉降云图及隧道周边塑性区分布分别见图17、图18。此工况隧道结构拱顶最大沉降39.7 mm，建筑物最大沉降2.6 mm，最大倾斜0.13‰，综合判断隧道掘进对既有建筑物没有影响。建筑物处于安全状态。

图17 下穿段隧道围岩沉降云图

图18 下穿段隧道围岩塑性区分布云图

4 隧道施工对既有建筑物影响范围判定

当建筑物为浅埋天然基础时，29种工况下受隧道施工影响的建筑物最大倾斜率计算结果见表3。其中“collapse”表示计算结果不收敛，围岩发生失稳现象。

根据前文确定的建筑物最大容许沉降20 mm，在表3中超出该标准范围的数据(包括围岩失稳情况)用加粗标出，表示建筑物位于隧道施工的强影响区内，建筑物必须加固处理或者隧道施工必须采用相应辅助措施，且施工时必须加密对该建筑物的监控量测；本文采用最大容许沉降的1/4即5 mm作为有弱影响区的判定依据，当最大沉降处在5～20 mm时，在表3中用下划线标出，认为建筑物位于隧道施工的弱影响区，施工时须加密对该建筑物的监控量测，并可根据实际工程中建筑物重要等级、基础状况及监控数据确定是否进行加固或者施加辅助措施。当最大沉降小于5 mm时，认为隧道施工对该建筑物没有影响，施工时对该建筑物进行常规监控量测。

同样根据前文确定的最大容许倾斜1‰，在表3中超出该标准范围的数据(包括围岩失稳情况)用加粗标出，表示建筑物位于隧道施工的强影响区内，采用最大容许斜率的1/5即0.2‰作为是否存在弱影响的判定依据，当斜率处在0.2‰～1‰时，在表3中用下划线标出，认为建筑物位于隧道施工的弱影响区，当斜率小于0.2‰时，认为隧道施工对该建筑物没有影响。

表3 浅基础建筑物最大变形

按埋深不同，强影响区分别为10～20 m，弱影响区15～40 m。

当建筑物为桩基础时，22种工况下建筑物沉降变形受隧道施工影响的计算结果见表4。

表4 桩基础建筑物最大变形

按埋深不同，强影响区分别为0～15 m，一般影响区15～30 m。

将沉降和倾斜两个判断影响的标准作为综合判别依据，对安全距离做出判断，用内插法得出容许值的建筑中心与隧道中线的平面距离，取其中较远的作为最终的安全距离，通过对比发现，弱影响区距离判定起控制作用的主要为建筑最大倾斜率，强影响区距离判定

起控制作用的主要为建筑最大沉降。

为了方便实际工程量测操作，取基础外沿与隧道中线的平面距离作为判定对既有建筑物影响范围(扣除基础半幅宽度)，见表5。

对表5中浅基础弱影响范围数据进行回归分析，可得弱影响区范围判定经验公式，决定系数R2=0.994 3。

表5 影响区范围 m

(1)

式中D——对建筑物存在弱影响的范围(基础外沿与隧道中线的平面距离)，m；

h——隧道埋深，m。

对表5中浅基础强影响范围数据进行回归分析，可得强影响区范围判定经验公式，决定系数R2=0.966 2。

(2)

式中D′——对建筑物存在强影响的范围(基础外沿与隧道中线的平面距离)，m。

对表5中桩基础弱影响区数据进行回归分析，可得弱影响区范围判定经验公式，决定系数R2=0.971。

(3)

对表5中桩基础强影响区数据进行回归分析，可得强影响区范围判定经验公式。

(4)

式中h——隧道埋深，m,h≥20 m。

式(1)～式(4)与样本点拟合情况见图19、图20。

图19 隧道施工对浅基础建筑影响范围分析

图20 隧道施工对桩基础建筑影响范围分析

5 结论

(1)本研究利用数值分析研究方法，通过对不同埋深、与建筑物远近不同的多种工况进行数值模拟，分别以建筑物容许沉降及容许安全距离作为综合判定标准，对施工的影响范围做出了划定，得出不同埋深隧道强、弱影响范围的经验公式，可作为莞惠地区类似工程参考依据。

(2)在对建筑物所处的影响程度范围确定后，建议：当建筑物位于隧道施工的强影响区内，建筑物必须加固处理或者隧道施工必须采用相应辅助措施，且施工时必须加密对该建筑物的监控量测；当建筑物位于隧道施工的一般影响区，施工时须加密对该建筑物的监控量测，并可根据实际工程中建筑物重要等级、基础状况及监控数据确定是否进行加固或者施加辅助措施；当建筑物处于弱影响区，施工时对该建筑物进行常规监控量测。

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[3]王占生,王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施[J].中国安全科学学报,2002,12(2):45-49.

[4]施仲衡,张弥，等.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社，2006：378-381.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50007—2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[6]Itasca Consulting Group, Inc.. Fast Language Analysis of continua in three-dimensions, version 3.0, user’s manual. Itasca Consulting Group, Inc.,2005.

[7]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

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Study on Influences of Shallow Tunnel Construction on Ground Buildings

YU He-ran, ZHAO Qiao-lan, GUO Su-rui

(Design and Research Institute of Urban Rail Transit, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

The influences of excavating shallow tunnel exert on ground buildings are directly related to tunnel cross section, buried depth, mechanical properties of surrounding rock, construction methods and relative position between the tunnel and buildings. Based on Songshan Lake tunnel on Guan～Hui intercity railway which underpasses building areas, this paper establishes a large number of mechanical models with such variable parameters as tunnel buried depth, building foundation types, relative position and other factors to forecast the scope and degree of influences of shallow tunnel construction on surface buildings. By numerical modeling analysis, deformation rules of surrounding rock are obtained, and on this basis, influences of tunnel excavation on surface buildings deformation are analyzed. With reference to engineering experiences, partition and control standards are created in terms of the influences of the tunnel on ground buildings and corresponding judgment empirical formulas are proposed.

Shallow bury and covered excavation; Approaching construction; Underpass buildings; Numerical simulation

2014-12-04；

2015-02-17

广东省交通运输厅科技项目(科技-2012-02-032)

于鹤然(1983—)，男，工程师，2013年毕业于西南交通桥梁

与隧道专业，工学博士，E-mail：heranyu@163.com。

1004-2954(2015)08-0144-06

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.031