隧道下穿施工对建筑物影响数值模拟研究

温伟铳 谭消 陆飞 沈亮 周强

摘 要：有限元数值模拟某拟新建隧道下穿建筑物的施工过程，分析其应力和位移，验证施工方法的可行性，对之进行优化。

关键词：下穿施工;数值模拟;优化

0 引言

隧道的开挖，会引起围岩应力重分布，即围岩会发生变形甚至失稳。隧道下穿施工，也将导致上部建筑物产生竖直沉降和水平位移，为确保施工过程中隧道围岩、支护结构及建筑物的稳定与安全，需对隧道的下穿施工进行研究。

国内外有关隧道下穿建筑物施工的主要有：李文江等通过研究隧道下穿既有构造物的影响，总结变形控制标准。Tang采用数值模拟方法研究隧道施工应力路径，分析施工过程中围岩的变化规律。靳晓光等采用有限元模拟施工过程的方法分析围岩位移，选择最合理的方法。

本文采用有限元数值模拟隧道下穿建筑物的施工过程，分析其应力和位移，验证施工方法的可行性，对之进行优化。

1 计算模型力学参数

本文应用MIDAS/GTS有限元软件，采用理想弹塑性本構岩体力学模型，服从Mohr—Coulomb屈服破坏准则，进行隧道下穿施工模拟计算。围岩及支护结构物理力学参数，如表1所示。

数值模拟时，把上部建筑作为一个刚体，采用基础+上部荷载的方式。上部荷载计算，主要考虑：（1）楼面结构和隔墙重量，按框架结构砖墙体材料取值计算;（2）活荷载按民用建筑均布活荷载标准取值;（3）所有荷载均由柱基础承担，均布总荷载按桩最大间距计算柱基础轴力。

有限元数值模拟模型左水平边界距离衬砌外边墙60 m，右水平边界距离衬砌外边墙60 m，水平边界采用位移约束;下部竖向边界距离衬砌底部60 m，其采用竖向位移约束;顶部为建筑基础+上部荷载，其他的采用自由约束。沿隧道掘进方向取80 m。

开挖方法：（1）右洞先行，右洞开挖掌子面领先左洞开挖掌子面;（2）右洞采用台阶法;（3）左洞采用环形开挖留核心土法。

2 计算结果分析

2.1 建筑物竖直沉降和水平位移分析

该段隧道施工完成后，建筑物最大竖向沉降出现在左洞隧道的正上方，为7.3 mm;最大水平位移出现在左洞左上方，为4.2 mm;各相邻建筑物柱基础间沉降差异最大为1.0 mm<0.002 L=10.0 mm（其中L为相邻两柱基础间距离，为5.1 m）。该建筑物变形较稳定，且变形量较小，基本满足稳定性要求。

2.2 围岩竖直沉降和水平位移分析

右洞掌子面开挖至首排建筑物柱基础下方时，围岩最大竖向位移为2.3 mm，围岩最大水平位移为1.1 mm;右洞掌子面开挖至末排建筑物柱基础下方时，围岩最大竖向位移为2.5 mm，围岩最大水平位移为1.6 mm;右洞贯通后，围岩最大竖向位移为7.4 mm，围岩最大水平位移为2.4 mm。

左洞掌子面开挖至首排建筑物柱基础下方时，围岩最大竖向位移为5.3 mm，围岩最大水平位移为1.7 mm;左洞掌子面开挖至末排建筑物柱基础下方时，围岩最大竖向位移为6.7 mm，围岩最大水平位移为2.5 mm;左洞贯通后，围岩最大竖向位移为9.2 mm，围岩最大水平位移为2.9 mm。

2.3 围岩应力分析

对开挖过程中，围岩应力云图进行分析，围岩最大主应力出现在拱顶和仰拱处，且随着开挖掌子面的推进，其数值变化较小。

2.4 二次衬砌支护结构应力分析

二次衬砌支护结构最大主应力位于右洞左边墙墙脚处，二次衬砌支护结构最小主应力位于右洞左边起拱点出。支护结构最大主应力及最小主应力云图如图1所示。

3 结论

根据数值模拟结果分析可得：

（1）数值模拟计算各阶段位移收敛，说明该隧道掘进方法符合技术要求;

（2）隧道施工过程中，上方建筑物最大竖直沉降、最大水平位移、各相邻建筑物柱基础间沉降差异均较小，基本满足稳定性要求，但影响隧道施工的因素较多，在数值模拟计算中考虑不周全，施工过程中应对建筑物进行实时变形监测;

（3）隧道围岩的变形与隧道掘进工序及开挖位置密切相关，建议严格控制左洞开挖掌子面与右洞开挖掌子面间的距离;开挖至建筑物下方时，应缩短开挖进尺，并及时进行支护。

参考文献：

[1]李文江，刘志春，朱永全.铁路站场下暗挖隧道地表沉降控制基准研究[J].岩土力学，2005，26（7）：1165-1169.

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