邻近地下车站浅埋大跨隧道下穿建筑物受力特性分析

胡文亮

(重庆市设计院有限公司，重庆 400015)

随着经济的快速发展，我国城市化进程加快，城市地下交通网蓬勃发展。在城市建成区，新建地下交通受诸多条件限制，与既有构筑物存在“上跨”“下穿”“邻近”的相互位置关系，并相互影响。

一些学者对隧道结构邻近既有构筑物在施工过程中的相互影响进行了相关研究。唐人、李围等[1-2]结合盾构隧道从施工注浆措施分析了施工方法对上部建筑的影响；郝坤等[3]研究了大跨隧道下穿对路基影响的控制措施；也有学者针对城市隧道下穿建筑物从方案到施工等方面提出了切合实际的工程措施[4-10]。目前实际工程和研究中对浅埋隧道下穿既有建筑同时下侧邻近既有地铁车站相对复杂周边环境的工程案例较少，尚缺少相关研究及工程措施。

本文结合重庆市快速路三纵线红石路隧道与既有轨道五号线车站紧邻，同时浅埋下穿既有建筑物，工程周边环境复杂，采用有限元软件建模分析在邻近构筑物条件下大跨隧道施工受力特性。

1 工程概况

重庆快速路三纵线红石路隧道为双向6车道小间距隧道，设计速度80 km/h，全长559.05 m，隧道开挖跨度15.88 m，洞高7.713 m。红石路隧道与下侧运营中轨道5号线车站呈上下平行布置，如图1所示。轨道车站隧道位于红石路新建隧道左右洞的中间下层，新建隧道距轨道车站净距约10 m；新建隧道下穿上方既有建筑(8层砖房)，隧道拱顶距离建筑条形基础为11.1 m，围岩等级为Ⅳ级，拱顶以上围岩为砂岩，下伏砂质泥岩，开挖采用单侧壁导坑法机械开挖，全环型钢拱架及时封闭成环。

单位：m

施工开挖采用悬臂掘进机小断面分部开挖，超前支护为长4.5 mΦ50超前小导管，初期支护为长3.5 mΦ25系统锚杆+ 厚30 cm的C30早强喷射混凝土和HW250全环型钢拱架，二次衬砌考虑100%承受围岩荷载，采用0.75 m厚C35钢筋混凝土。

2 数值模拟分析

2.1 建模

根据红石路隧道与邻近既有构筑物的相互关系及地质条件等因素建立三维有限元模型，模型尺寸为长160 m×宽100 m×高85 m，网格单元划分按受力关键区域网格密、非关键区域网格渐稀疏的原则进行[11-13]。岩土自重模拟施加重力场，地表建筑物每层荷载等效为20 kN/m2，岩土采用实体单元，初支及二衬结构采用板壳单元模拟，模型边界为底边竖向约束，前后左右水平约束，顶部自由。有限元模型如图2所示。

2.2 力学参数

采用Midas/GTS建立模型模拟红石路隧道施工过程，分析隧道对既有构筑物的影响。模型中的岩土材料为理想弹塑性本构关系和Drucker-Prager屈服准则。岩土力学材料参数根据隧道规范及地勘报告取值，见表1。

图2 有限元模型

表1 材料力学参数

2.3 施工模拟步骤

1) 既有构筑物初始地应力场模拟；

2) 隧道开挖及支护衬砌模拟[14]。

为保护既有构筑物的安全，隧道施工采用单侧壁导坑法分部开挖，在模拟施工过程中，通过在不同施工阶段设置荷载释放系数进行荷载阶段分配：开挖及初期支护荷载释放系数80%，二衬结构荷载释放系数20%。

2.4 计算结果分析

1) 变形

经计算，提取隧道施工过程岩土及构筑物结构变形云图，如图3～图5所示。

从图3和图4可知，隧道左洞开挖后围岩变形对邻近建筑和轨道结构表现为单侧不均匀倾斜沉降影响，当隧道右洞开挖后既有邻近建筑和轨道结构从单侧不均匀倾斜沉降变为均匀的整体沉降。位移发展有利于上方结构的稳定，说明红石路隧道与既有构筑物均匀对称布置关系对邻近构(建)筑结构的变形控制较为有利。从图5可知，建筑物位移变形较小，在规范允许范围内，不影响既有建筑物的安全。

图3 隧道左线开挖后围岩结构变形云图

图4 隧道右线开挖后围岩结构变形云图

图5 隧道施工后既有构筑物结构变形云图

2) 应力结果

提取新建隧道施工前后隧道围岩主应力云图，如图6～图9所示。

通过对比以上隧道开挖前后隧道结构的主应力变化可知，隧道开挖前，既有建筑基础至轨道结构区域隧道围岩主应力等值线均匀平行分布，如图6、图7所示；隧道开挖后，地表既有建筑基础至轨道结构区域的主应力等值线发生了明显弯曲或突变，如图8、图9所示。围岩主应力在隧道埋深较浅的拱顶上方，岩体应力变化量较大，说明隧道开挖对拱顶围岩影响显著，对下侧既有轨道隧道围岩压力影响相对较小。开挖前后隧道结构应力对比见表2。

图6 隧道开挖前围岩σ1

图7 隧道开挖前围岩σ3

图8 隧道开挖后围岩σ1

图9 隧道开挖后围岩σ3

表2 隧道开挖前后既有构筑物结构应力

通过对比分析表2，隧道开挖前后既有构筑物结构的主应力变化如下：

(1) 隧道开挖后，上侧地表既有建筑物结构的σ1最大值区出现在拱脚外侧，其值由初始值0.22 MPa减小到0.15 MPa，σ3最大值区出现在拱脚内侧，其值由初始值-12.9 MPa减小到-12.2 MPa；新建隧道在既有轨道上侧，其施工对轨道结构而言有卸载作用，使得轨道车站受力有所减小。

(2) 隧道开挖后，下侧既有轨道车站结构的σ1最大值区出现在拱脚外侧，其值由初始值0.036 MPa增大到0.042 MPa，σ3最大值区出现在拱脚内侧，其值由初始值-0.32 MPa增大到-0.58 MPa；新建隧道位于既有地表建筑下侧，其施工引起建筑结构沉降，且建筑基础的不均匀沉降增加了既有地表建筑物基础的受力。

3) 应变分析

经计算，提取既有构筑物施工前后隧道围岩结构主应变(剪切应变)云图，如图10、图11所示。

对比分析图10、图11可知，隧道开挖前后隧道围岩结构的主应变变化表明，隧道围岩主应变区域与既有轨道车站拱顶周边主应变区相连，对轨道车站下侧围岩区域应变分布基本无影响，但因隧道上方地表建筑荷载的作用，隧道拱顶以上围岩主应变区域延伸至地表建筑物基底，围岩主应变改变区反映了新建隧道施工对既有构筑物周边岩体的扰动情况，应作为围岩稳定控制的重点。

图10 隧道开挖前隧道结构主应变

图11 隧道开挖后隧道结构主应变

3 结束语

1) 本隧道在复杂的周边条件下采用单侧壁导坑法机械开挖，在加强初期支护条件下，可有效控制周边围岩变形，确保邻近既有构(建)筑物安全。

2) 浅埋大跨新建隧道受上侧既有地表构筑物荷载的作用，隧道拱顶以上围岩应力应变变化敏感，应作为隧道施工控制的重点；新建隧道对下侧轨道车站围岩应力应变影响较小。

3) 隧道与地下车站同轴平行布置车站结构受力对称，隧道相对于建筑对称布置其后行洞开挖后能够明显减小先行洞造成的上方建筑物的倾斜，建议新建隧道施工时，左右洞错位平行掘进，更有利于地表建筑物受力均衡。