朱育才，林 志，，石 波

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

隧道擴建對地面建筑物的影響分析

朱育才1，林 志1，2，石 波2

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074;2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074)

采用有限元計算軟件MIDAS_GTS對隧道擴建對地面建筑物沉降進行數(shù)值模擬，并結合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析地面建筑物在離隧道軸線不同位置時，隧道擴建對建筑物沉降的影響以及建筑物是否安全;判斷隧道開挖對地面建筑物的影響半徑。

隧道擴建;房屋沉降;有限元;監(jiān)控量測

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展、城市化進程顯著加快，城市道路運量大幅度增長，既有線的技術改造在建設中占有重要的位置。在既有線的改造過程中，既有隧道作為線路改造的控制工程也必須同時進行改造。由于受地質地形條件和施工條件的限制，大多情況下不會新建復線，需要在既有隧道的基礎上進行擴建，擴大既有隧道凈空斷面以增加行車車道，滿足交通客流量增加的行車需求。而在隧道擴挖時地面建筑物的沉降也就成為隧道擴挖的一個重要考慮因素。

1 工程概況

渝州隧道是重慶市機場路拓寬改造工程的一部分。隧道現(xiàn)狀為雙洞4車道，平面成喇叭型布置，進口段兩隧道結構間巖石凈距約7.8 m，出口段為15 m。隧道單洞凈寬10 m，凈高6.7 m，圓拱直墻式素混凝土襯砌。隧道左洞起止里程樁號:ZK0+350～ZK0+700.5，左洞全長350.5 m;隧道右洞起止里程樁號:ZK0+346.5 ～ZK0+618，右洞全長 271.5 m。單洞路幅分配為:0.5 m(檢修道)+8.5 m(車行道)+2 m(檢修道)。隧道(進洞)南側接回興立交，(出洞)北側接城南立交。

本次機場路改造擬建設城市快速路，雙向8車道，設計車速80 km/h?，F(xiàn)利用現(xiàn)狀隧道進行改擴建，保持現(xiàn)狀隧道平面走向及隧道間中央巖柱厚度不變分別向兩側擴挖，形成雙洞8車道隧道。改造后:隧道凈跨17.081 m，凈高 8.482 m(圖1)。隧道單洞總長643 m。

通過對場地的地面地質調繪和綜合分析已有區(qū)域地質成果，沿線出露的地層主要有第四系人工素填土、殘坡積層粉質黏土，下伏基巖巖性以砂質泥巖與砂巖為主。

圖1 擴挖隧道內輪廓Fig.1 Inside outline map of the expansioning tunnel

2 模型建立

2.1 模型及材料物理參數(shù)

根據(jù)已有隧道力學經(jīng)驗，結合原隧道的實際情況，特建立模型取邊界條件為129 m(橫向)×42.5 m(豎向)×60 m(縱向)，同時，因為要考慮到隧道擴挖對房屋建筑的影響，筆者將房屋簡化為8 m×9 m×18 m的彈性梁［1］，并根據(jù)建筑物的位置，每次水平平移十米建立一個模型，共6個模型，模型如圖2及圖3(a)～圖3(e)。

圖2 建筑物位于軸線Fig.2 The building in the axis

圖3 建筑物離軸線的距離Fig.3 The building from axis

在三維建模過程中，考慮到隧道的相應特點，隧道圍巖材料特性按均勻彈塑性考慮，采用Drucker-Prager準則。

地層參數(shù)在重點參考《初步設計階段工程地質勘查報告》［2］的基礎上，同時結合 JTG D 70—2004《公路隧道設計規(guī)范》［3］，并綜合室內物理力學試驗資料按較低值選取，其力學參數(shù)如表1。

表1 各材料特性參數(shù)Tab.1 Parameters of seepage property for materials

2.2 施工方法

隧道總共有630余m，本文中只模擬進洞的60 m。模型計算中，隧道開挖采用的是保留中間土，向外擴挖的單側擴挖方式，開挖先右洞后左洞，單向保持通車單洞擴挖的施工工序。隧道拓寬改建施工及開挖、支護作業(yè)成環(huán)進行。本著嚴格控制地表沉陷的原則，采取短進尺、強支護、弱爆破、勤觀測的原則施工;在拆去既有隧道結構時采用預裂爆破，鉆爆作業(yè)，應多循環(huán)、弱爆破、密布眼、少藥量;其次因隧道中間巖柱厚度小，對其保護、加固極為重要，在施工中應采用“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則［4］。

3 計算結果分析

3.1 地表沉降數(shù)據(jù)分析

模型采用有限元Midas-GTS軟件進行分析，為了分析地表房屋的沉降，特意選定建筑物得4個角為分析點，并標定為左1、左2、右1、右2(進口往出口)并采用這4點的沉降數(shù)據(jù)作為建筑物沉降分析［5-7］(表2)。數(shù)據(jù)如圖4 ～圖7。

表2 建筑物標記各點的沉降最大值Tab.2 Parameters of seepage property for sandstone

圖7 右2點隨著開挖步沉降Fig.7 The settement map of you er along with the excavation

綜合分析圖4～圖7，以及表2，可以得知:

1)建筑物離軸線的距離越大，建筑的沉降呈先增大，后減小的過程。離軸線20 m時，建筑物標記點的沉降位移達到最大值，離軸線50 m時，隧道的擴建幾乎沒有對建筑物得沉降沒有影響。分析其原因是，當建筑物位于軸線上方時，因為隧道擴建采用的是保持中間土不變，向外擴挖的方式，隧道擴挖對中間土的影響相對較小。而隨著建筑建筑物離軸線距離增大，建筑物就更多的位于隧道擴挖的影響區(qū)內，隧道擴建就對建筑物的沉降影響就越大，如表2，當離軸線10 m時，建筑物右半部分落于隧道上方，總而導致建筑物右1、右2點的沉降量大于左1、左2兩點;當離隧道軸線20 m時，因都位于隧道上方，建筑物沉降達到最大;離隧道30 m時，呈現(xiàn)與離軸線10 m相反的情況，左邊點的沉降量大于右邊點;當建筑物離軸線40 m，50 m時，建筑物已經(jīng)逐漸遠離隧道影響區(qū)，建筑物的沉降變小，在離軸線50 m時，沉降幾乎沒有。因而根據(jù)這數(shù)據(jù)可以推斷，當建筑物離隧道軸線50 m時，隧道擴建對其影響已經(jīng)很小，可以將其劃為安全區(qū)。

2)建筑物左為砌體結構，從上面圖表分析，可知，當建筑物離軸線10 m，30 m時，建筑物的沉降差(傾斜)最大，沉降差分別達到 9.9 mm，10.3 mm。根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》［3］，作為砌體結構的的允許局部傾斜值為0.002×18 m=36 mm，因而滿足規(guī)范需求，建筑物安全。

3)當建筑物位于隧道軸線右邊時，隧道右洞擴挖對建筑物的沉降有很明顯的變化，而隧道左洞開挖時，建筑物沉降趨于穩(wěn)定。分析其原因，是因為隧道的擴建采用的是中間土不變，向外擴挖的方式，當對到左洞開挖時，隧道經(jīng)過中間土，以及隧道右洞空間的損失，因而對隧道右方的建筑物沒有什么影響。

3.2 拱頂下沉數(shù)據(jù)分析

為了與實際情況進行對比分析，拱頂沉降數(shù)據(jù)只取了離軸線40 m的模型數(shù)據(jù)進行分析，如圖8～圖9。圖為在隧道開挖開始，左右洞拱頂?shù)某两滴灰茍D，由圖中所知，隨著開挖步的增加，隧道拱頂?shù)某两挡粩嘣龃螅瑪?shù)值模擬結果顯示其最大值不超過0.25 cm，在沉降可允許范圍內。由此可知，該隧道的開挖方法是可行的。

圖8 右隧道開挖拱頂沉降(單位:m)Fig.8 The map of settement of the vaults of the right tunnel

圖9 左隧道開挖拱頂沉降(單位:m)Fig.9 The map of settement of the vaults of the left tunnel

4 施工監(jiān)測

目前渝州隧道左洞正準備進行開挖施工。地表監(jiān)測的重點左洞進口左側磚混結構住宅樓、出口機場雷達站4個鐵塔［8］。但結合本文，只取天工鄰儒一棟作為主要檢測對象，并布置監(jiān)測點如圖10，從該圖上面可以得知，天工鄰儒居位于隧道左邊(從進口看)大約20 m，因為地形原因，在房屋靠近隧道的水平方向，共布置了檢測點1～7;物管處水平隧道方向布置了監(jiān)測點8～10;垂直隧道方向布置了監(jiān)測點11～13，通過64天的監(jiān)測，得到檢測數(shù)據(jù)如圖11、圖12。

圖12 物管處檢測點沉降位移Fig.12 The map of test point of the settement of Wuguan

另外為了與原模型數(shù)據(jù)進行對比分析，取得拱頂數(shù)據(jù)與模型進行分析，如圖13。

圖13 隧道右洞拱頂沉降Fig.13 The map of settement of the vaults of the right tunnel

根據(jù)以上的工程實測數(shù)據(jù)可以得知，實測數(shù)據(jù)是隨著日期增加，建筑物的沉降都在增大，并最終趨于穩(wěn)定，沉降最大值達到4.7 mm，沉降差達到3.7 mm，根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》［3］，滿足規(guī)范需求，建筑物安全。同時與模型數(shù)據(jù)進行對比分析，建筑物離軸線40 m左右，可以參照模型5進行對比，檢測數(shù)據(jù)是當左洞開挖時，檢測左洞附件房屋而得到的數(shù)據(jù)，因而可以對比分析，檢測數(shù)據(jù)比較符合實際情況，沒有太大的偏差。

實測拱頂數(shù)據(jù)與原模型數(shù)據(jù)相比，原模型數(shù)據(jù)最大值是2.5 mm，但實測數(shù)據(jù)最大值6.5 mm，但是都在隧道沉降允許范圍內，該開挖方案是可行的。其次實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)一樣，趨勢都是隨著時間增大，拱頂沉降比側邊沉降要大，兩者基本吻合。

5 結論及建議

通過上面的數(shù)據(jù)分析以及對比，可以得到:

1)建筑模型數(shù)據(jù)與工程實測數(shù)據(jù)進行對比分分析，隧道建筑物下沉變化規(guī)律明顯，符合隧道開挖的一般規(guī)律。

2)建筑物位于上方時，隧道擴建對建筑物沉降都是滿足GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規(guī)范》［3］的要求，在沉降允許范圍之內，建筑物安全。模型拱頂沉降數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，都在沉降允許范圍內，由此可以說明，隧道開挖，隧道基本穩(wěn)定，對地面建筑的影響在控制范圍內，隧道開挖方案是可行的。

3)建筑物位于隧道開挖上方時最危險，沉降差達到10 mm，應該加強監(jiān)控。當建筑物離軸線50 m時，隧道開挖對建筑物的影響幾乎沒有。

4)因中間土的保留，以及隧道空間對應力的削弱，隧道左邊對開挖位于右邊建筑物幾乎沒有影響。

［1］JTG D 70—2004公路隧道設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］周慶人，李長雄.初步設計階段工程地質勘查報告［R］.重慶:重慶市勘測院，2009.

［3］GB 50007—2002建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］王毅才.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［5］楊小禮.既有隧道擴建工程及襯砌穩(wěn)定性研究［J］.交通科學與工程，2010，26(3):49-52.

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On Influence of Tunnel Expansion on the Ground Buildings

ZHU Yu-cai1，LIN Zhi1，2，SHI Bo2
(1.School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Civil Eengineering＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Settlement of the groud buildings from the tunnel dug expansion was simulated by MIDAS_GTS.Based on the data，settlement of the groud buildings in different places were analyzed.The effect of tunnel expansion on buildings and buidlings settlement was considered;the influence of tunnel excavation on ground buildings radius was calculated.

tunnel expansion;settlement of groud buildings;FEM;monitoring measurement

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.012

U457

A

1674-0696(2011)05-0938-05

2011-04-25;

2011-06-07

朱育才(1987-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail:409460063@qq.com。