城市螺旋隧道群开挖对邻近建筑物的影响分析

高 峰，吴佳鑫，石龙飞，贾 山，何 江

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

在城市隧道的建设过程中，不可避免的会穿过或临近各种既有构筑物。城市隧道的修建很有可能会引起城市道路路面的裂缝和坍塌，以及会对相邻隧道造成影响。因此，在隧道施工中如何既有效地减少对既有建筑物和围岩的影响，又保证隧道和周围环境的安全，是城市隧道施工的重难点。

隧道群施工具有强烈的空间效应，隧道之间无法忽略相互的影响[1]。影响隧道群空间效应主要有以下两个因素：隧道群施工顺序和开挖方法[2-4]。谢雄耀等[5]对重叠盾构隧道施工开挖顺序进行了研究，得出“先下洞后上洞”施工顺序较为安全的结论；李为洁[6]对浅埋小净距隧道不同开挖顺序进行了数值模拟，结果表明先施工大断面隧道后施工小断面隧道的施工顺序较好；路亮[7]对超浅埋多孔的小净距隧道下穿铁路干线过程进行了数值模拟，并对两台阶法和四台阶法进行了对比，得出四台阶法优于两台阶法的结论；张顶立等[8]依托厦门机场路隧道下穿地表复杂建筑群工程，分析了隧道施工中建筑物的变化规律和建筑物的破坏模式。

以上学者多是针对较为复杂的下穿隧道进行研究。笔者所依托的工程为城市多层螺旋隧道群，位于大型商圈，展线复杂，需严格控制施工对既有建筑物的影响，施工难度极大。因此，有必要对大规模高密度多层重叠隧道群穿越建筑物的工程段进行深入研究，分析多层重叠隧道群施工引起周围建筑物变形受力过程，掌握其对地层的影响和施工过程中的力学特征，并依此对多层重叠隧道群的施工方案进行优化。

1 工程概况

解放碑地下停车库及连接通道三期工程位于重庆市渝中区的解放碑核心区域，其目的是为缓解解放碑地区地面拥堵的交通，使解放碑地下停车系统利用率达到最大化，从而有效地改善该区域的交通状况。该项目包括“一环七射多连通”：“一环”指环形地下主通道，由一期、二期及三期工程组成；“七射”指7条通道，用于进出主通道；“多连通”即车库与车库之间的连通。通过“一环七射多连通”组成了资源共享、统一管理、高效运行的地下停车系统，其隧道位置关系如图1。

图1 隧道位置关系(单位：m)Fig. 1 Relative position map of tunnel

2 计算模型

2.1 地下工程有限元分析

2.1.1 Mohr-Coulomb(M-C)屈服准则

库伦提出了岩土的剪切破坏准则，两个强度参数为黏聚力和内摩擦角，如式(1)：

τn=c+σntanφ

(1)

式中：τn为抗剪极限强度；c为土的黏聚力；φ为土的内摩擦角；σn为剪切面上的法向应力。

2.1.2 Ducker-Prager(D-P)屈服准则

D-P屈服准则计算如式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

式中：J′1为应力张量的第一不变量；J′2为应力张量的第二不变量；Sx、Sy、Sz分别为应力偏离；α、k为D-P屈服准则的参数；σ1、σ2、σ3分别为x、y、z方向上的应力；τxy、τyz、τxz分别为xy平面、yz平面、xz平面上的剪切力；σm为平均应力。

D-P屈服准则对M-C屈服准则进行了适当优化修正。在Von-Mises屈服准则基础上，考虑了静水压力作用，弥补了Von-Mises屈服准则不足。D-P屈服准则中主要依据3个参数：黏聚力、内摩擦角和膨胀角，如图2。

图2 D-P屈服准则Fig. 2 D-P yield criterion

2.2 物理参数

实际工程中使用初支含有架设钢拱架和喷射混凝土。为方便建模，笔者把钢拱架的贡献折算到喷射混凝土弹性模量上，对于模拟钢拱架架设，通过改变初支弹性模量来实现，其弹性模量按式(5)进行等效折算。

(5)

式中：E为折算后的混凝土弹性模量；E0为喷射混凝土弹性模量；Eg为钢拱架的弹性模量；Sg为钢拱架截面积；Sc为喷射混凝土截面积。

围岩、初期支护和建筑基础物理力学参数分别见表1～表3。

表1 围岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

表2 初期支护的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of initial support

表3 建筑基础的物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of building foundation

3 展线方案影响研究

在拟建项目中，当连接通道与主通道连接时，因受地形限制，有32 m高差需克服，无法直接通过自然隧道展线进行两隧道连接，需要延展隧道距离来克服高差。可采用螺旋隧道展线方案或回头隧道展线方案，笔者对这两种方案进行详细的定性、定量分析，得出较优方案。

3.1 模型建立

螺旋隧道展线方案。根据解放碑三期环道实际工程情况沿纵向取250 m；在螺旋隧道展线的两螺旋转弯处各取3.5倍洞径(约45 m)为隧道左右边界，计算模型宽度为310 m；模型上边界取至水平地表面，下边界取3.5倍洞高(约30 m)作为下边界，计算模型高度为80 m(上层素填土高度为2.1 m)。螺旋隧道展线模型后视如图3。

图3 螺旋隧道展线模型后视图Fig. 3 Rear view of spiral tunnel line model

回头隧道展线方案。根据解放碑三期环道实际工程情况沿纵向取250 m；在回头隧道展线隧道转弯处各取3.5倍洞径(约45 m)为隧道左右边界，计算模型宽度为370 m；模型上边界取至水平地表面。回头隧道展线模型后视如图4。

图4 回头隧道展线模型后视图Fig. 4 Rear view of turn-around tunnel line model

3.2 定性分析

笔者对两种展线方案可从经济性、安全性和可实施性进行定性分析。

3.2.1 经济性分析

对于螺旋隧道展线，需要开挖隧道长度为706 m，最小平曲线半径为29.5 m，每延米开挖土石方数量为140.8 m3；对于回头隧道展线，需要开挖隧道长度为650 m，最小平曲线半径为23.2 m，因此螺旋隧道展线相比回头隧道展线，其造价更高。

3.2.2 安全性分析

在工程建设过程中，对螺旋隧道展线方案，螺旋重叠段高差大，施工较复杂，三隧道平行重叠段相互影响较大；而在另一螺旋隧道段，远离4A级景区洪崖洞，影响较小，为工程建设安全创造了有利条件。回头隧道展线方案未有螺旋重叠段，但回头隧道展线平行段相隔较近，影响较大；在隧道回头转弯段，需在4A级景区洪崖洞周边进行转弯回头，对工程建设安全影响较大。在运营过程中，螺旋隧道展线绕行了706 m，完成了360°升坡；回头隧道展线绕行了650 m，完成了32 m高差升坡。行车过程自然舒顺，均有助于驾乘人员心理稳定并有利于行车安全。故螺旋隧道展线优于回头隧道展线[9]。

3.2.3 可实施性分析

考虑工程建设进场条件，工程所连接的环道一、二期及地下车库等均已投入使用，不允许大型车辆进出，本工程目前只能利用位于嘉滨路的洞口作为施工通道。考虑场地布置和弃渣处置，该进出口位于黄花园大桥和千厮门大桥之间的嘉滨路，周边基本无可利用临设场地，弃渣通过工程车辆运出，但洞口临近4A级景区，平时交通车流量大，早晚高峰期异常拥堵，对工程影响较大。

通过对工程建设难度及工程建设经济性、安全性和可实施性进行分析，螺旋隧道方案需要开挖距离较长，但平曲线半径较大，有利于行车安全，更具有合理性和科学性[10]。

3.3 定量分析

对螺旋隧道展线和回头隧道展线两种隧道开挖方案数值模拟，选取围岩最大位移、应力和初期支护位移、应力结果进行对比，结果如图5～图8。

图5 地层位移对比分析Fig. 5 Comparative analysis chart of stratum displacement

图6 初期支护位移分析Fig. 6 Analysis chart of initial support displacement

图7 地层应力对比分析Fig. 7 Comparative analysis chart of stratum stress

图8 初期支护应力对比分析Fig. 8 Comparative analysis chart of initial support stress

由图5～图8可知：采用螺旋隧道方案时，围岩竖向位移、应力和隧道初支的竖向、水平位移整体表现优于回头隧道方案，结合塑性区和关键点位移等数据及定性分析结果，采用螺旋隧道方案优于回头隧道方案。

4 施工顺序与开挖方法的影响

地下工程施工中，在狭小区域内，多个隧道洞室的重复交叉开挖会使得围岩产生复杂的应力重分布。在不同的开挖顺序与开挖方法下，围岩和隧道结构本身受力和变形过程存在着不同，其受重叠隧道群施工开挖影响程度及稳定性也存在着不同，同时上部岩土体也会产生差异，最终导致地层变形[11-12]。

对重叠隧道群地表建筑物位移，是由于隧道群开挖导致的地表位移，之后会直接引起建筑基础位移；当建筑基础竖向或水平位移过大时，会导致建筑物产生结构破坏。为了提高围岩和建筑物稳定性，优化上、 中、 下这3层隧道群开挖顺序与开挖方法尤为重要[13]。

4.1 模型建立

模型尺寸与边界约束根据解放碑三期环道实际工程情况沿主通道隧道的纵向取190 m；在连接道和主通道外各取3.5倍洞径为隧道左右边界，计算模型宽度为210 m；模型上边界取至水平地表面，下边界取连接道的3.5倍洞高为下边界，计算模型高度为80 m(上层素填土高度为2.1 m)。边界约束采用迈达斯软件中的自动约束。地表建筑物空间位置如图9。

图9 地表建筑物空间示意Fig. 9 Stereoscopic sketch of surface building

4.2 不同开挖顺序对围岩和建筑物的影响

通过数值模拟方法，模拟以下4种不同施工顺序，分析比较隧道群开挖对地层和地表建筑物的影响。

1)工况1：先开挖连接道，再开挖电力隧道，最后主通道；

2)工况2：先开挖电力隧道，再开挖连接道，最后主通道；

3)工况3：先开挖电力隧道，再开挖主通道，最后连接道；

4)工况4：先开挖主通道，再开挖电力隧道，最后连接道。

对螺旋隧道4种开挖顺序工况进行数值模拟，选取地层位移、初期支护位移、地层应力和初期支护应力进行对比，结果如图10～图13。提取建筑桩基础和建筑基础沉降量，如表4。

图10 地层位移对比分析Fig. 10 Comparative analysis chart of stratum displacement

图11 初支位移对比分析Fig. 11 Comparative analysis chart of initial support displacement

图12 地层应力对比分析Fig. 12 Comparative analysis chart of stratum stress

图13 初支应力对比分析Fig. 13 Comparative analysis chart of initial support

表4 建筑桩基础和建筑基础沉降量Table 4 Settlement of building pile foundation andbuilding foundation mm

由图10～图13可知：在工况1下，初期支护和地层位移整体较小，地层应力和初期支护应力也相对较小，结构更加安全。由表4可知：采用工况1时，建筑桩基础和建筑基础整体沉降更小，且不均匀沉降亦小于其他3种工况，有利于整体受力。故采用由下往上开挖最佳，即先开挖下层连接道，再开挖中层电力隧道，最后开挖上层主通道的施工顺序。

4.3 不同开挖方法对围岩和建筑物的影响

通过数值模拟方法，分析比较以下3种不同的群洞开挖方法对地层和地表建筑物影响。

1)工况1：连接道采用台阶法且主通道采用单侧壁；

2)工况2：连接道采用全断面且主通道采用台阶法；

3)工况3：连接道与主通道均采用台阶法。

对螺旋隧道3种开挖方法进行数值模拟，选取地层位移、初期支护位移、地层应力和初期支护应力进行对比，结果如图14～图17。提取建筑桩基础和建筑基础沉降量，如表5。

图14 地层位移对比分析Fig. 14 Comparative analysis chart of stratum displacement

图15 初支位移对比分析Fig. 15 Comparative analysis chart of initial support

图16 地层应力对比分析Fig. 16 Comparative analysis chart of stratum stress

图17 初支应力对比分析Fig. 17 Comparative analysis chart of initial support

表5 建筑桩基础和建筑基础沉降量Table 5 Settlement of building pile foundation andbuilding foundation mm

由图14～图17可知：在工况1下，地层和隧道拱顶沉降更小，围岩应力和初期支护应力大小也较其他两种工况更小。由表5可知：采用工况1时，建筑桩基础和建筑基础整体沉降更小，且不均匀沉降亦小于其他两种工况，有利于整体受力。故采用电力隧道使用全断面法，连接道采用台阶法和主通道采用单侧壁法的方案最好。

5 现场监控量测数据及分析

为验证三维数值模拟结果的正确性，第1组选取在三维数值模拟中位于下层螺旋转弯处的中部板单元与实际隧道中ZK0+540位置布置监控点，取其拱顶竖向位移进行比较分析；第2组选取在三维数值模拟中建筑物的附二院的角点1与实际建筑物角点布置监控点，取竖向位移进行对比分析[14]。

在实际施工和数值模拟中，采取相同的开挖顺序和开挖方法，既连接道采用台阶法施工，电力隧道采用全断面开挖，主通道采用单侧壁法进行施工，以保证数值模拟和实际监控量测数据有可比性。拱顶沉降模拟值和实测值见图18；角点1沉降模拟值和实测值见图19。

图18 拱顶竖向位移Fig. 18 Vertical displacement of arch crown

图19 角点1竖向位移Fig. 19 Vertical displacement of corner 1

由图18可知：在现场进行监控量测时所需监测点位要等到相应的掌子面开挖后才能进行布设，因此相应监测点的拱顶沉降实测值中并无开挖前相关数据；而对于开挖后，还有上层螺旋隧道、电力隧道和主通道需要开挖，因此没有之后的相关数据，故在两沉降曲线图中存在着不同。在有限元数值模拟中，从Step87开始，对应监测点点位的竖向位移迅速向下沉降，待到Step100时沉降值达到7.5 mm左右。而在实际监测过程中，前期阶段竖向位移也迅速向下沉降，但其值要小于数值模拟值，这是由于在模拟过程中连接道有中隔墙的修建；随后阶段，数值模拟值和实际监控量测数据都趋于平稳，但在现场监控量测数据后期，发现其数据会有小范围上下波动，波动值较小，这是由于工程采用爆破开挖方式，会产生一定影响。数值模拟结果与实际监控量测变化趋势是先突降再平缓，而对于最终竖向位移结果数值模拟为7.50 mm，真实监控量测为6.00 mm，模拟值去除中导洞开挖沉降的2.00 mm左右，两者值基本相吻合。

由图19可知：在模拟隧道开挖到连接道主洞的下层螺旋转弯处时(S87)，实测值比模拟值要大，这是由于模拟开挖时只模拟连接道中导洞和主洞的一部分，在下层隧道开挖至基础角点1正下方时，其数值模拟值和真实测量值都迅速减小，两者在开挖基础角点1附近影响沉降值大致相等(模拟值为2.50 mm，真实测量值为2.75 mm)。从总体上看，两者变化趋势都是先突降然后变得平缓，而真实监测平缓趋势有上下无序的波动，原因也是由于爆破开挖影响[15]。

6 结 论

笔者以重庆解放碑隧道群工程为背景，就多层螺旋隧道群开挖对地层和地表建筑物影响进行了分析，得出如下结论：

1)对比分析为克服高差所采用的螺旋隧道展线和回头隧道展线，得出在该工程连接隧道修建，采用螺旋隧道展线方案最佳；

2)采用先开挖下层连接道，再开挖中层电力隧道，最后开挖上层主通道的施工顺序，重叠隧道群开挖后对围岩、初支及附近建筑物桩基础影响最小；

3)开挖方法为连接道采用上下台阶法，电力隧道采用全断面法，主通道采用单侧壁法时，重叠隧道群开挖对其围岩、初支及附近建筑物桩基础的影响最小；

4)将数值模拟结果和实际监控量测数据进行对比，两者沉降值和发展趋势在一定程度上较为接近，说明了数值模拟的真实性和现场监控量测的必要性，这两者结合能预测和指导实际工程施工。