暗挖隧道施工对地表建筑结构的影响研究

许本东 陈昱成

摘要：依托南部县黑臭水体及内涝综合治理项目为研究背景，使用有限元模拟软件，研究了暗挖隧道施工对地表建筑结构的影响，得到了距隧道不同水平距离时，两种地震波Kobe波与EL centro-NS波对层间位移角的影响，并研究了短周期（T=0.6 s）与长周期（T=2.0 s）两种地震波对层间位移分布的影响，结果表明：在隧道距结构水平距离为0时，有、无隧道的层间位移角变化趋势基本相同，有隧道时层间位移角较大；隧道存在会增大建筑结构层间位移角，且在短周期时更为明显；在短周期（T=0.6 s）与长周期（T=2.0 s）情况下，层间位移分布趋势基本相同，短周期在z/H=0.15、长周期在z/H=0.15和z/H=0.7时层间位移显著增大。

关键词：暗挖隧道； 有限元模拟； 层间位移角； 地震波

中图分类号：U452.2+6文献标志码：A

0引言

我国近年来地下交通发展迅速，但许多建筑物在进行基础处理措施和抗震设计时，并未考虑隧道对其影响。隧道存在会影响着建筑结构稳定性与安全性，如果考虑不全可能会引发一系列工程问题，造成人员伤亡与经济损失。

目前我国已有许多学者研究了隧道对建筑结构的影响，杨志刚等人［1］通过结构-荷载模型，研究了衬砌结构与隧道裂缝宽度、裂缝深度以及裂缝位置的关系，研究发现隧道衬砌会让建筑结构发生应力重新分布。曾艳［2］依托合肥铁路盾构隧道为研究背景，使用Midas数值模拟软件建模，研究了隧道对既有隧道管片变形和内力以及地表沉降的影响。黄训洪［3］对黄土隧道地基出现的局部湿陷从而导致衬砌开裂问题进行了研究，通过室内土工试验、模型试验以及数值模擬等方法，得到了黄土隧道地基局部湿陷对结构力学性能的影响。李延涛等［4］使用有限元软件对交叉隧道对上部建筑结构的影响进行分析，得到了交叉隧道垂直距离、截面形状、角度等不同因素在地震作用下稳定性的变化趋势。郑永胜等［5］研究了河流、湖泊下穿隧道的覆土层厚度对底层位移与衬砌结构的影响。蔡唐涛［6］通过数值模拟软件，研究了下穿隧道对桥梁结构变形与内力的影响。

由上述内容可知，目前我国已有大量学者研究了隧道对邻近结构静态指标的影响，但对建筑结构的动力响应影响研究较少，故本文使用数值模拟软件，研究暗挖隧道对结构层间位移角与层间位移分布进行研究，为邻近隧道结构抗震设计提供理论依据与参考价值。

1工程概况

本文依托四川省南部县黑臭水体及内涝综合治理项目为研究背景，河道治理全长540.127 m，整个河道需穿过较多的建筑物，其中暗挖隧道260 m，其余段采用明挖箱涵，全长280.127 m。该地区河床宽度较大，呈对称的“U”型河谷，工区位于川中红层构造剥蚀浅丘地貌和河床冲积地貌单元，地面高程为336.30～356.50 m，最大相对高差20.2 m。拟建工程在地质构造上位于新华夏构造体系四川沉降带川中褶皱带中台山半环状构造之碑院向斜的南西翼近轴部，岩层产状为N45°W /NE∠0.5～1°。无发震断裂构造，晚近期构造活动微弱，工区地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为6度，区域稳定性较好。

2数值模拟

层间位移角为临近隧道建筑相邻两层位移之差和层高比值，用来控制建筑结构侧向刚度，是国内外抗震设计中，结构稳定性与安全性的重要参考指标。层间位移谱为建筑结构周期和最大层间位移角的关系，可计算出建筑结构最大层间位移角。

2.1分析方法

本文使用有限元软件建立无隧道与有隧道的相同参数模型，并且在该模型底部输入水平方向的地震波，隧道的直径为d，共在模型上设置5个节点，分别为L=0（隧道正上方节点）、L=0.5d（紧靠隧道侧节点）、以及距隧道中心线水平距离L=1d、L=2d、L=3d节点，隧道模型加速度为5个节点处水平加速度，以此代表结构处于隧道所对应地表不同位置的算例，如图1所示。无隧道模型水平加速度没有变化，但本文为了使得计算误差较小，故在无隧道工况中，取所选节点处对应的加速度时程，输入加速度ug（t）。

由相关研究经验，弯剪梁选择刚度比α=20，其结构形式为弯剪框架结构，并提取前6阶的振型，阻尼比ζ设置为0.05。地震波选择EL centro波与Kobe波，地震波位置处于模型底部水平方向，地震波加速度峰值为0.2g。

2.2有限元模型

该隧道为圆形断面，其中隧道外径为6 m，埋深为9 m，衬砌混凝土为C30，衬砌厚0.4 m。模型的竖向为52 m，水平方向为120 m。假设模型为弹塑性模型，土体遵循Drucker-Prager屈服准则，土体参数见表1。混凝土视为线弹性模型，不考虑隧道动力响应，故不考虑隧道与土体间接触。

将模型的底部设置为固定边界，在模型两侧边界处设置粘弹性人工边界，在法向与切向方向上设置弹簧与阻尼器，以减小模型的截断边界位置波反射影响，计算公式为式（1）、式（2）。

KN=11+α·λ+2G2r·A，CN=β·ρvP·A（1）

KT=11+α·2G2r·A，CT=β·ρvS·A（2）

式中：A代表边界节点面积；ρ为介质密度；vp、vs分别为P波与S波的波速，其中vP=（λ+2G）/p，vS=G/p；α代表散射波和平面波幅值含量比，取值为0.8；β代表视波速与物理波速的关系，取值为1.1；r为模拟地表中心到人工边界最远点与最近点平均值。

无隧道模型与有隧道模型参数与上述一致，将隧道部分替换为土层计算，并将模型对称分布，且仅取右侧节点分析。

3计算结果分析

图2为处于隧道上方L=0处，有隧道与无隧道情况下Kobe波与EL centro波层间位移角变化曲线。由图2可知，有隧道和无隧道的广义层间位移角变化趋势相似，有隧道时层间位移角较大于无隧道，在1.0～2.0 s周期与特征周期时增涨幅度最大。

岩土工程与地下工程许本东， 陈昱成： 暗挖隧道施工对地表建筑结构的影响研究

图3为在不同距离L时，有隧道与无隧道广义层间位移变化曲线。从图中可以看出，与无隧道情况相比，在有隧道的情况下，隧道邻近建筑物的层间位移角会有所增加，不利于结构的抗震性能。当特性周期为1.0～2.0 s范围内时层间位移角增加最为显著。当周期大于3.0 s时，长周期结构与短周期结构相差较小。

随着建筑物离隧道长度L逐渐增加，隧道引起的层间位移角增大幅度逐渐变小，这表明隧道对建筑物的影响逐渐变小。从图3（c）和图3（d）中可以看出，当建筑物离隧道长度L为隧道直径d的2倍时，有隧道与无隧道条件下层间位移角基本重合，这说明有、无隧道对建筑物的抗震性能基本无影响。将隧道存在对层间位移角的影响进一步量化分析，表2为有、无隧道情况下建筑物离隧道长度L处层间位移角峰值结果。

从表2可以看出，与无隧道工况相比，在有隧道工况下建筑的层间位移角较大，且当建筑物距离隧道长度L为0～1d时，层间位移角最大，EL波层间位移角大于8%。当建筑物距离隧道长度L大于1d时，层间位移角增幅逐渐减小。当建筑物距离隧道长度L为2d时，EL波与Kobe波层间位移角均小于1，说明此时隧道对地表结构抗震性能影响较小，可忽略不计。

4隧道对层间位移分布影响

由图2与图3可知，当T为0.6 s和2.0 s時隧道对结构的影响较大，为了进一步分析层间位移分布情况，故选取建筑物距离隧道长度L=0时进行计算。

图4为当T=0.6 s和T=2.0 s时，层间位移角分布情况。当T=0.6 s时，层间位移分布呈现为D字型，最大层间位移角在z/H=0.15附近，隧道存在会使此部位附近高度层间位移角显著增大，使得建筑结构安全性下降。从图4（c）与图4（d）可知，长周期结构最大层间位移在z/H=0.7处，隧道会使得z/H=0.7以及z/H=0.15处层间位移显著增大。如对隧道相邻结构进行评估与分析时，应当考虑上述两处位置。隧道存在不会影响层间位移分布趋势，但会明显增大抗震性较差部位层间位移。

5结论

为了研究隧道低邻近建筑结构抗震性能的影响，本文通过有限元软件进行分析模拟，得到了有、无隧道对层间位移角的影响规律以及层间位移分布情况，得到几点结论：

（1）当位于隧道上方L=0处，有隧道和无隧道的广义层间位移角变化趋势相似，有隧道时层间位移角较大于无隧道，在1.0～2.0 s周期与特征周期时增涨幅度最大。

（2）与无隧道情况相比，在有隧道的情况下，隧道邻近建筑物的层间位移角会有所增加，不利于结构的抗震性能。当特性周期为1.0～2.0 s范围内时层间位移角增加最为显著。当周期大于3.0 s时，长周期结构与短周期结构相差较小。

（3）随着建筑物离隧道长度L逐渐增加，隧道引起的层间位移角增大幅度逐渐变小，当建筑物离隧道长度L为隧道直径d的2倍时，有隧道与无隧道条件下层间位移角基本重合。

（4）与无隧道工况相比，在有隧道工况下建筑的层间位移角较大，且当建筑物距离隧道长度L为0～1d时，层间位移角最大，EL波层间位移角大于8%。当建筑物距离隧道长度L大于1d时，层间位移角增幅逐渐减小。当建筑物距离隧道长度L为2d时，EL波与Kobe波层间位移角均小于1，说明此时隧道对地表结构抗震性能影响较小，可忽略不计。

（5）当T=0.6 s时，层间位移分布呈现为D字型，最大层间位移角在z/H=0.15附近，隧道存在会使此部位附近高度层间位移角显著增大，使得建筑结构安全性下降。当T=2.0时最大层间位移在z/H=0.7处，隧道会使得z/H=0.7以及z/H=0.15处层间位移显著增大。

参考文献

［1］杨志刚，周智辉，凌同华，等.隧道衬砌裂缝对结构受力的影响规律研究［J］.交通科学与工程，2020，36（4）：43-53.

［2］曾艳.新建隧道对既有隧道结构影响效应研究［J］.安徽建筑，2017，24（4）：166-168.

［3］黄训洪. 黄土隧道地基纵向局部湿陷对结构的力学行为影响研究［D］.成都： 西南交通大学，2017.

［4］李延涛，温永刚，宗金辉，等.交叉地铁隧道对上部结构影响的地震反应分析［J］.工程抗震与加固改造，2018，40（2）：156-161.

［5］郑永胜，胡漳敏，孙保金，等.湖下隧道覆土厚度对结构及地层影响效应［J］.安徽建筑，2020，27（3）：144+151.

［6］蔡唐涛.下穿隧道对既有桥梁结构影响的数值分析［J］.路基工程，2016（1）：119-122.

［作者简介］许本东（1973—），男，本科，硕士，高级工程师，研究方向为建筑施工、鉴定加固与改造；陈昱成（1988—），男，硕士，高级工程师，主要从事地基基础与础土工程领域研究工作。