岩石隧道开挖施工对上覆框架结构力学性能影响规律的研究

王 艳，靳晓光，季 璇

（1.江苏建筑职业技术学院建筑建造学院，江苏徐州 221116；2.重庆大学土木学院，重庆 400044；3.金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京 211169）

随着我国城市化建设的逐步推进，城市地表交通压力以及建设用地变得日趋紧张，城市地下工程必然要在已有地表建筑物的下面及附近进行建设。在城市暗挖隧道建设过程中，穿越和邻近各种既有结构施工的情况普遍存在，尤其以穿越地表密集建筑物群的情况居多，然而隧道施工易引起地层扰动，导致建筑物沉、倾斜甚至开裂破坏。目前，众多学者针对隧道下穿既有建筑物展开了大量的分析研究工作。程小虎[1]以重庆北站为例，采用数值模拟和现场监测相结合的方法，研究了PBA 工法在浅埋暗挖岩石隧道下穿既有建筑物施工中的可行性；吴旭平等[2]以青岛地铁13号线嘉陵江路站—香江路站区间为例，研究了浅埋曲线隧道施工对于既有建筑物的影响分析；李永宽等[3]以青岛地铁3 号线错埠岭站—清江路站区间为例，提出超前小导管和超前预注浆加固地层、隧道初支背后回填注浆、建筑物变形补偿注浆、隧道堵水注浆等控制地层变形和建筑物沉降的控制措施；贾凯[4]分析了双线顶管异步顶进施工对建筑物的影响；陈瑜嘉等[5]以青岛地铁区间隧道下穿某高层建筑工程为例，采用有限元极限分析法分析了不同覆岩厚度与隧道近接建筑施工破坏机制的关系。通过对上述文献调研发现，不同的地层、工法、建筑物与隧道结构形式以及隧道穿越方式意味着隧道下穿建筑物问题具有明显的工程特性，已有的研究成果难以复用。因此，笔者以重庆市同茂隧道为研究对象，对上覆框架结构的力学性能进行研究。

1 工程概况

同茂隧道沿线为老城区，房屋密集，一般以多层建筑为主，结构形式主要以砖混和框架为主，地面建筑年代相对久远。笔者选取上覆某9 层框架结构为研究对象，首层建筑面积为650m2，基础形式为桩基础，桩径2m，设计承载力为5000KN，桩身采用C40 级混凝土，桩长9m，桩底距离拱顶3m，框架结构为2 跨×9 跨×9 层，柱截面为1m×1m，梁截面为0.6m×1m。为计算方便，本模型未建桩基承台，而是采用一个1m厚的大底板进行过渡，同样满足受力要求。下穿双洞隧道为两个尺寸相同的平行隧道，洞径15.6m，洞高10.9m，两洞轴线间的距离为15m，最大埋深约34m，本框架结构下埋深约15m，初期支护采用C25 喷射混凝土厚度为220mm，内设Φ8 钢筋网，二次衬砌采用C30 防水混凝土，厚度为0.5m，仰拱为C30 防水钢筋混凝土，采用阻燃沥青混凝土路面，厚度为9cm，路面下铺C35 混凝土24cm，再填充C15 片石混凝土深至仰拱。单个隧道横断面如图1 所示，上覆框架结构与隧道位置如图2 所示。在隧道开挖过程中，对影响范围内房屋周围的地表点进行沉降观测，沿着隧道开挖方向在线路上方拱顶位置进行布点，以拱顶点对应的1#、2#、3# 点为研究对象，具体如图2 所示，在下穿区段开挖后的40 天内，通过以上三点获取实际变形数值，分别为：1# 测点的实测值为3mm，2# 测点的实测值为2mm，3# 测点的实测值为2.5mm。

图1 隧道横断面图

图2 上覆建筑物与隧道相对位置

2 有限元模型的建立

2.1 计算假定

数值模拟分析计算时采用以下假定：地表和各层土呈均质水平层状分布；为节省计算时间，且主要分析对象为上覆建筑物，隧道采用全断面开挖；围岩材料为各向同性、连续的弹塑性材料；建筑物与基础，基础与土体采用变形协调计算的方法。

2.2 模型计算参数的确定

比较分析现场取样并带回实验室进行单轴饱和抗压试验所得数据与重庆市勘察院提供的地质勘察报告中的数据，结合《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）和《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）进行综合考虑，模型围岩力学参数具体取值如表1 所示。根据设计资料及其工程地质勘察资料并结合相关规范，取模型的计算参数如表2 所示。

表1 围岩力学参数表

表2 岩体及结构材料计算参数

2.3 模型的建立

对于无限大的岩(土)体，为了减少边界效应对洞周的影响，使地下结构周围有一个比较均匀的“自由场应力状态”，一般情况下，选取3～4 倍洞径作为影响域，根据本工程现场实际情况和工程地质资料，选取模型尺寸为145m×72m×40m（横向×竖向×纵向），模型向上取至地面，向左、右下均取约3～4 倍洞径（50m）。本文模型由两部分组成，地面以下取145m×72m×40m 的长方体影响区域，地面以上为9 层的框架结构建筑物，如图3 所示。由于模型大，单元多，三维非线性分析数值计算量大、耗时长，故在模型计算中隧道开挖部分的围岩均采用三维实体单元SOLID45 单元，其余部分的围岩采用SOLID95 单元，隧道的初期支护、二次衬砌均采用壳单元SHELL63。上覆框架结构的基础形式为桩基础，采用C40 混凝土，由于混凝土材料和围岩材料刚度上存在差异，材料变形行为可能有不一致，故在桩基础与围岩接触的面上设置接触单元。框架梁和框架柱均采用梁单元BEAM188，现浇楼板采用壳单元SHELL63。

图3 三维有限元模型

模型的上表面为地面，取为自由面，不加任何约束，底面施加竖向约束，前后和左右边界均施加水平约束。本次数值模拟计算过程中，需要考虑的荷载有三种，即地层压力、建筑自重、楼面活荷载。对于地层压力和建筑自重，在ANSYS 中通过设置材料的密度和给予重力加速度，软件可以自动计算材料的恒载；对于楼面活荷载，地面建筑物的统计显示，大部分建筑物都是住宅，所以本结构楼面活荷载按住宅取用，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）第5.1.1条中民用建筑楼面均布活荷载取标准值为2.0KN/m2，故活荷载标准值SQK=2.0KN/m2，活荷载设计值SQ=1.5SQK=1.5×2.0=3 KN/m2。

2.4 隧道施工步序说明

本文研究的重点是上覆建筑物的变形响应规律，故可对模型的下半部分作相应简化，依计算假定，采用全断面开挖，具体开挖过程如下。第一步：模拟初始地应力场；第二步：开挖左洞前20m，每天开挖2m，共挖10 天；第三步：开挖右洞前20m，每天开挖2m，共挖10 天；第四步：开挖左洞后20m，每天开挖2m，共挖10 天；第五步：开挖右洞后20m，每天开挖2m，共挖10 天。不计入初始地应力的模拟，将开挖分为四个步序，如图4 所示。

图4 隧道开挖步序示意图

3 计算结果分析

3.1 框架内力分析

3.1.1 框架轴力分析

隧道开挖后框架结构的轴力云图如图5 所示，位于中间部分的一榀框架（从左起第四榀）轴力最大，于是取此中间一榀框架作为研究对象（黑线加深），由云图可见，底层中柱轴力最大，为了更好地说明问题，将各层梁柱轴力变化绘制如图6、图7 所示，图中的变化率=（后开挖隧道后的值－先开挖隧道后的值）÷先开挖隧道的值×100%。从图中可以看出，隧道开挖对各柱轴力的影响不大，变化率基本在3%～20%内波动，对框架梁的影响相对而言较大，但是梁上轴力的绝对值普遍相对较小，通常在研究梁的弯曲变形时，往往主要考虑作用在梁上的横向力的影响，作用在其上的轴向力，在数值不大的情况下对梁的影响可以忽略不计。

图5 框架结构轴力图

图6 中间一榀框架柱的最大轴力变化图

图7 中间一榀框架梁的最大轴力变化图

3.1.2 框架弯矩分析

由计算结果可知中间一榀框架的弯矩绝对值最大，故仍然以中间一榀框架为研究对象，隧道开挖前后，最大弯矩均出现在顶层和底层，并且各层的最大正负弯矩出现在各层柱的顶端和底端，同时所有柱子的反弯点都在楼层之间，为了更好地研究问题，将梁柱的最大正负弯矩制成表格，由表3 可以看出，隧道开挖前后左柱的弯矩变化率范围为2%～9%，右柱的弯矩变化率范围为-27%～-2%，而隧道开挖前后中柱的弯矩值都很小，最大负弯矩为-13.8kN·m，最大正弯矩为9.7kN·m，虽然变化率比较大，但是整体数值很小，故隧道开挖对于两边柱的影响要大于中柱。由表4 可以看出，隧道开挖对左边梁和右边梁的弯矩影响差不多，左边梁的弯矩变化率范围为-140%～190%，右边梁的弯矩变化率范围为-182%～160%。对比分析表3 和表4，可以发现，隧道开挖对梁的影响要远远大于对柱的影响。

表3 中间一榀框架柱的最大正负弯矩变化表

表4 中间一榀框架梁的最大正负弯矩变化表

3.2 框架变形分析

开挖完成后整体框架结构的梁、柱变形如图8 所示，部分柱子产生了沉降，部分柱子产生了隆起，框架结构产生了不均匀沉降。结合建筑物与左右隧道的位置关系可以发现，位于隧道正上方的左右两侧框架变形量较大，右侧靠右洞边缘的位置变形最大，选取变形最大的一榀框架（右起第三榀）为研究对象，取各层柱顶节点为观测点，得到其最大位移随高度的变化曲线如图9 所示，层间位移随高度的变化曲线如图10所示。

图8 框架结构变形图

图9 最大位移变化曲线

图10 层间位移变化曲线

由曲线图可见，最大位移随高度的增加而增大，在顶层取得最大位移值为25mm，而第三层的层间位移值取得最大，为2.7mm，Δu/h=2.7/3000=1/1111，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）可知，框架结构楼层层间位移与层高之比的限值为1/550，故未超过限值。

3.3 地表沉降分析

通过建模分析得到围岩在初始地应力和两洞全部贯通时的位移，图11 为两洞全部贯通后围岩在竖直向的位移云图，由图可知，隧道开挖结束后，围岩位移云图出现明显变化，地面及洞口周边位移值均较大，最大竖向位移值达到40.554mm，实际的围岩位移值为2.679mm，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）可知，地铁隧道等重要建筑物的地面沉降允许范围应控制在10mm 以内，故满足规范要求。提取地表沉降观测点1#、2#、3# 点开挖后的位移值，与实测位移值对比并做成变化曲线，如图12 所示。

图11 竖向围岩位移云图（两洞贯通）

图12 地表沉降位移曲线

从图12 可见，实测地表沉降曲线和数值模拟地表沉降曲线的变化趋势基本相同，地表沉降曲线呈现明显的时空规律，随着掌子面的推移，地表点沉降随时间变化曲线基本呈S 形规律。同一测点地表下沉实测位移值大于数值模拟值，1# 测点的实测值为3mm，数值模拟值为2.5mm；2# 测点的实测值为2mm，数值模拟值为1.8mm；3# 测点的实测值为2.5mm，数值模拟值为2mm，这是因为在数值模拟时本文未考虑岩体节理裂隙、围岩长期蠕变的影响，以及对基础及上部建筑物作了相关简化。

4 结论

本文对同茂隧道上覆9 层框架结构建立数值模型进行计算，综合分析了隧道施工对上覆建筑物产生的影响，分析结果表明：

（1）结构变形最大的部位总是对应沉降较大桩基础，即对应隧洞的正上方；框架柱轴力最大变化率为30%，框架梁最大变化率为75%，隧道开挖对梁轴力的影响偏大；最大弯矩出现在结构顶层柱和底层柱，并且层最大正负弯矩出现在各层柱的顶端和底端，同时所有柱子的反弯点都在楼层之间；楼层最大位移随高度的增加而增大，且在顶层取得最大值为25mm，第三层的层间位移值取得最大，为2.7mm。

（2）由于数值模拟中未考虑地层结构和节理、裂隙发育情况以及围岩长期蠕变效应，对计算结果有一定的影响，故在以后的研究中应尽量考虑地层结构效应和围岩长期蠕变效应。

（3）在后续研究中，可以进一步研究隧道埋深变化、开挖进程变化及开挖顺序等因素对上覆框架结构的影响。