双线铁路隧道侧穿对既有建筑物的影响分析

宾胜林

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

随着我国交通基础设施的急速增加与迅猛发展，新建地下工程与既有建(构)筑物近接施工工程大量出现，立体交叠工程日益增多。隧道工程近接施工中常常会改变既有建(构)筑物的受力状态、降低结构物安全度，因此新建隧道施工对既有建(构)筑物的影响研究是现阶段工程界研究的热点[1-2]。国内外关于隧道等地下工程近接施工的研究已经很多，取得了丰富的理论和实践经验，包括近接施工力学机理以及对策措施等，然而由于地下工程的特殊性，使得没有任何一种理论或治理措施能够适应地质、水文、周边附加荷载条件的复杂多变。因此，依托具体工程实际，建立适应现有周边条件的分析模型，研究近接施工对既有建(构)筑物的影响具有重要现实意义[3]。以东南山隧道侧穿建平县汇通物流园九层、二层两处房屋建筑工程为背景，对新建隧道近接既有建(构)筑物的施工过程进行了三维弹塑性数值分析[4-5]，验证了技术方案合理性，并提出保证隧道施工、既有建(构)筑物安全的建议。

1 工程背景

依托锦承线朝阳(不含)至叶柏寿(含)铁路扩能工程，该工程东南山铁路隧道位于朝阳市建平县小平房村与南沟新村之间，总体呈近东西向展布。该隧道起迄里程DK215+440～DK218+935，全长3495m，为单洞双线隧道。隧道在里程DK218+500～DK218+710段侧穿在建汇通物流园建筑物，隧道开挖方向为从大桩号向小桩号方向，侧穿建筑物两处，一处为在建二层楼建筑，一处为在建九层楼建筑，平面位置关系如图1所示。隧道在临近二层楼建筑段落，净高10.11m，外轮廓顶部至地坪高度约31.13m，侧穿段隧道按Ⅴ级围岩设计，围岩主要为强风化花岗片麻岩；在临近九层楼建筑段落，净高10.02m，外轮廓顶部至地坪高度约31.87m，侧穿段隧道按Ⅳ级围岩设计，围岩主要为弱风化花岗片麻岩，纵向位置关系如图2所示。

图1 隧道侧穿既有建筑物平面位置关系图

图2 隧道侧穿既有建筑物纵向关系图

2 数值模型及边界条件

2.1 数值分析模型

东南山铁路隧道侧穿房屋两处，临近既有地表建筑物段落隧道周边主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，铁路隧道外轮廓顶部至地坪高度约为31m，隧道外轮廓距两处房屋最近距离为31m(二层框架)和38m(九层房屋)。根据提供设计文件，按照既有房屋先期施工完成，下部铁路隧道施工后期影响的原则进行侧穿隧道三维仿真分析。分析模型边界位置对最终位移、结构应力等结果影响明显，根据圣维南原理，为减小模型边界影响并综合考虑模型的计算经济性，模型地表按实际地形起伏状态建模，底部按不影响应力回弹原则取东南山铁路隧道以下30m，模型纵向沿东南山铁路隧道中轴线方向取198m，横向取垂直于隧道中轴线方向184m，模型周边约束均与实际情况基本相符。

2.2 施工分析模型

应用有限元分析软件，建立地层结构三维弹塑性模型，地表附近土层采用Mohr-Coulomb屈服准则，隧道围岩岩层采用Drucker-Prager屈服准则。东南山铁路隧道在桩号DK218+506～DK218+640段落采用三台阶法施工，在桩号DK218+640～DK218+704段落采用三台阶预留核心土法施工。计算模型中含有隧道支护结构、地表既有房屋结构及周边岩、土体，地层初始应力为自重应力，考虑隧道施工工法及掌子面开挖进尺影响。为保证单元稳定性，划分土体单元为混合六面体结构化网格，锚杆采用植入式桁架单元，初期支护、二衬、临时支护采用平面壳单元，既有地表建筑物梁、柱、桩采用梁单元，楼板采用板单元。按照分析模型精度，调整网格播种参数，内密外疏共建立66547个单元，模型构建情况如图3、图4所示。

图3 隧道侧穿既有建筑物模型

图4 既有九层、二层建筑物模型

2.3 计算模型参数

2.3.1地层参数

根据东南山隧道地质勘察报告及相关段落地质纵断面图内容，隧道洞身主要为弱风化、强风化花岗片麻岩，周边区域地层主要为素填土、全风化花岗片麻岩、强风化花岗片麻岩。由于隧道洞身主要为弱、强风化花岗片麻岩，为保证隧道中施工安全和顺利开挖，隧道洞内采用Φ42单层小导管超前支护，以降低下部铁路隧道开挖对既有地表建筑物的影响，模型中各岩、土体及小导管注浆加固区的计算参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数表

2.3.2设计支护参数

根据东南山铁路隧道设计资料，临近既有建筑物侧穿段落主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，衬砌断面如图5所示。衬砌支护参数为Ⅴ级围岩双线复合式衬砌，初支采用厚度230mm C25喷射混凝土，I16钢拱架，排距1.0m，二衬采用厚度400mm C35钢筋混凝土，配筋为双层Φ18@200；Ⅳ级围岩双线复合式衬砌，初支采用厚度220mm C25喷射混凝土，I14钢拱架，排距1.2m，二衬采用厚度400mm C35钢筋混凝土，配筋为双层Φ16@250；Ⅳ级围岩双线加强段复合式衬砌，初支采用厚度220mm C25喷射混凝土，I14钢拱架，排距1.0m，二衬采用厚度400mm C35钢筋混凝土，配筋为双层Φ16@200。

图5 隧道衬砌断面图

为了限制隧道拱顶变形，减小地表沉降，采用小导管超前支护，超前支护如图6所示。采用Φ42×3.5小导管，长3.5m，纵向间距为2榀拱架，搭接长度不小于1m。在拱部120°范围内施做，Ⅴ级围岩环向间距30cm，共计40根，Ⅳ级围岩环向间距40cm，共计30根，小导管以5°～10°的外插角打入围岩。

图6 隧道超前支护纵向布置图

3 施工开挖模拟

受隧道施工影响的地表物流园建筑物在隧道施工前已修建完成，模型先期生成并完成固结。随后进行隧道掌子面岩体开挖、临时支护装拆、初支、仰拱及二衬施工，通过单元钝化、激活功能实现，模拟隧道施工步骤。东南山铁路隧道施工方向为从大桩号向小桩号方向，在桩号DK218+640～DK218+704段落采用三台阶预留核心土法施工，在桩号DK218+506～DK218+640段落釆用三台阶法施工，主要施工步骤如图7所示。

图7 隧道施工模拟有限元模型图

4 计算结果分析

根据各施工步的位移结果提取，得到了东南山铁路侧穿隧道开挖过程中，既有地表建筑物的沉降情况。通过对最终位移量及过程中位移变化情况进行分析，确定隧道施工工法的可行性和地表建筑物结构的安全性。

4.1 既有地表建筑物沉降分析

通过对最终施工步沉降云图分析，如图8、图9所示，东南山铁路隧道贯通过程中，二层框架建筑物最终沉降为0.35mm，最大差异沉降为1.1×10-5(沉降差/两点距离)；九层建筑物最终沉降为0.23mm，最大差异沉降为6.7×10-6。既有建筑物沉降及差异沉降相对较小。

图8 九层建筑沉降云图

图9 二层建筑沉降云图

4.2 新建隧道开挖对既有建筑物沉降影响分析

新建铁路隧道侧穿会导致既有地表建筑物发生沉降，房屋结构发生变形，影响结构受力，其影响是“时空”影响的综合，主要体现在以下两个方面。

(1)空间影响：空间影响即为新建铁路侧穿对地表沉降的影响范围，影响范围主要体现在垂直于隧道轴线方向。不同的地层岩性、隧道埋深、地表建筑物结构型式、隧道开挖工法，都会影响地表的沉降曲线。通过既有建筑物在地表沉降曲线的位置可以判断隧道施工对其的影响程度，曲线斜率越大表明临近位置差异沉降越明显，本模型贯通时地表沉降曲线如图10所示。

图10 隧道贯通时地表沉降曲线

(2)时间影响：时间影响即为既有建筑物在什么时间阶段内受到影响，时间影响主要体现在各隧道开挖步的地表位移变化上。随着新建隧道接近既有建筑物影响区域，其对建筑物的沉降影响逐渐增大，而随着新建隧道跨越既有建筑物后远离影响区域，对既有建筑物影响逐渐减弱，沉降时程曲线斜率大表明对地表监测点影响加剧、斜率小表明对地表监测点影响程度减小。选取各建筑物最大位移监测点，通过对计算模型开挖过程中监测点地表沉降值进行结果提取，得到模型在影响区域前后贯通过程中各监测点的沉降值，绘制沉降监测点各施工步沉降时程曲线，提取结果如图11、图12所示。

图11 二层建筑物最大位移监测点沉降时程曲线

图12 九层建筑物最大位移监测点沉降时程曲线

5 结论

根据隧道贯通时地表沉降曲线、监测点沉降时程曲线，得到如下结论：

(1)通过对地表沉降曲线分析可知，隧道近接施工对隧道中轴线正上方沉降影响最为明显，最大沉降量为2.176mm，沿垂直隧道中轴线方向，距离隧道中轴线越远，隧道开挖对其影响越小。隧道轴线正上方及地表沉降曲线反弯点范围内为隧道开挖的主要影响区域，根据本模型地表沉降曲线，本工程主要影响区域为隧道中轴线两侧27m范围内。既有地表建筑物距离隧道最小距离约31m，因此考虑隧道开挖对地表沉降影响，既有地表建筑物不在主要影响区域内。

(2)通过对建筑物最大位移监测点沉降时程曲线分析可知，二层建筑物最大位移监测点沉降时程曲线反弯点范围为施工步18～42步之间，综合考虑范围叠加及施工步转化为掌子面行进距离，确定隧道掌子面施工至桩号DK219+604～DK219+673之间时对既有二层建筑影响相对较大；九层建筑物最大位移监测点沉降时程曲线反弯点范围为施工步46～68步之间，综合考虑范围叠加及施工步转化为掌子面行进距离，确定隧道掌子面施工至桩号DK219+517～DK219+625之间时对既有九层建筑影响相对较大。

(3)综合考虑相关规范要求及以往工程经验，临近建(构)筑物沉降控制值宜为10～30mm，变化速率控制值宜为1～3mm/d，差异沉降控制值宜为0.001L～0.002L(L为相邻基础的中心距离)。新建铁路隧道侧穿既有建筑物，二层框架建筑物最终沉降为0.35mm，最大差异沉降为1.1×10-5(沉降差/两点距离)，九层建筑物最终沉降为0.23mm，最大差异沉降为6.7×10-6，均满足建筑物安全要求。

6 结语

(1)针对本项目，新建隧道侧穿既有建筑物段落采用三台阶预留核心土及三台阶工法施工、小导管超前加固，能够满足既有建筑物安全要求，既有建筑物受隧道施工影响可控。

(2)隧道掌子面施工至桩号DK219+517～DK219+673之间时对既有地表建筑物沉降影响相对较大，本段落内宜严格控制施工工法，开挖进尺，加强超前支护和衬砌支护参数，本段落外可根据实际情况适当降低支护措施。