趙巧蘭，鄔 澤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程背景

東莞至惠州城際軌道交通項目新客運南站至西湖站區(qū)間隧道位于廣東省惠州市，隧道全長2 655.59 m，采用礦山法施工。隧道在距新客運南站北端約18 m處開始近距離下穿一城峯景高層建筑，在此對隧道下穿對高層建筑的影響進行分析研究。

1.1 線位關系

區(qū)間隧道右線在GDK95+095～GDK95+270段下穿一城峯景A、B、C、D棟住宅，左線隧道下穿C、D棟住宅，近距離側(cè)穿A、B棟住宅。此段區(qū)間為南北走向，線間距18.56 m，區(qū)間南端緊接新客運南站，區(qū)間西側(cè)為仲愷大道，區(qū)間東側(cè)為一城峯景其他棟高層建筑。區(qū)間隧道與一城峯景各棟建筑物的相對位置關系見圖1。

圖1 隧道與建筑物相對位置關系

一城峯景A、B、C、D棟高層建筑均為框架—剪力墻結(jié)構，其中 A棟為24層結(jié)構、B、C、D棟為15～17層結(jié)構，地面兩層為商業(yè)區(qū)，3層為空中花園，3層以上為住宅。建筑物采用柱下獨立基礎，基礎間采用基礎梁連接，基礎埋深1～2 m，基礎下設置φ22 mm抗傾覆砂漿錨桿，錨桿設計長度為入強風化巖12 m、入中風化巖6 m，錨桿底至隧道頂最小凈距約1.3 m。該區(qū)段隧道埋深15～20 m，即從A棟到D棟方向埋深越來越小。

1.2 地質(zhì)情況

隧道所在位置為丘間谷地地貌，地形相對平緩、開闊。上覆地層為燕山晚期全、強風化花崗閃長巖，下伏燕山晚期弱風化花崗閃長巖，基巖面起伏較大，強風化巖層內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎。隧道洞身主要穿越強、弱風化花崗閃長巖地層。勘察期間地下水位埋深2.5～14.0 m，水量較豐富，無腐蝕性。隧道下穿建筑物段地質(zhì)情況見圖2。

圖2 隧道下穿建筑物段地質(zhì)縱斷面

1.3 工程特點

(1)地質(zhì)情況復雜

隧道下穿建筑物段地下水位高，巖面起伏變化較大，巖層傾斜，風化嚴重，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，整體性較差。隧道開挖斷面范圍內(nèi)地層上軟下硬或隧道拱頂位于強、弱風化巖層分界面處，而全、強風化花崗閃長巖遇水軟化崩解的特性則進一步加大了施工難度。

(2)穿越距離近

隧道近距離穿越建筑群。右線隧道從B、C和D棟建筑正下方穿過，同時下穿A棟建筑西南角;左線隧道下穿C、D棟住宅，近距側(cè)穿A、B棟住宅。建筑物采用柱下獨立基礎，基礎間采用基礎梁連接，基礎下設有抗傾覆砂漿錨桿，隧道頂距離錨桿底部很近，最小距離僅有1.3 m，隧道開挖勢必會對錨桿周邊地層產(chǎn)生擾動，進而對錨桿的抗拔能力造成一定影響。

(3)建筑物基礎整體性差

高層建筑的基礎為0.8～1.2 m厚的柱下獨立基礎，基礎間采用基礎梁連接，基礎本身的整體性較差，結(jié)構對差異沉降很敏感。

(4)穿越范圍大、不對稱

從A棟到D棟，右線隧道下穿距離將近200 m，容易形成連續(xù)的下沉區(qū)，且隧道下穿位置偏各棟高層建筑的西側(cè)，加上左線隧道施工的影響，隧道施工對各棟高層建筑的影響是不對稱的，容易導致差異沉降。

(5)礦山法施工擾動大

根據(jù)地層條件，隧道下穿建筑物段采用礦山法施工，因隧道洞身大部分位于弱風化花崗閃長巖地層，需采用爆破開挖，爆破施工在加大對周邊地層擾動的同時，也會對建筑物的安全使用帶來不利影響。

2 主要研究內(nèi)容

建立隧道下穿高層建筑的三維和二維有限元模型，研究隧道開挖對高層建筑及周邊地層的影響規(guī)律，并據(jù)此提出適宜本工程的隧道開挖方案，制定建筑物的安全保護措施。具體研究內(nèi)容如下。

(1)為保證高層建筑在隧道下穿施工過程中的安全，重點分析隧道施工引起的建筑物沉降特別是差異沉降情況，以確定隧道施工對高層建筑的變形及內(nèi)力的影響規(guī)律和影響程度。

(2)分析隧道下穿施工過程中高層建筑基礎周邊圍巖應力、塑性區(qū)的分布情況，用以評價隧道下穿對高層建筑安全性的影響。

(3)為保證施工過程中高層建筑及隧道自身結(jié)構的安全性，對不同的開挖方法和輔助措施進行研究，最終提出適宜本工程的實施方案。

3 隧道下穿高層建筑的數(shù)值分析

采用adina軟件進行數(shù)值模擬計算。選擇最不利工況——隧道下穿D棟和E棟位置進行三維與二維有限元仿真分析。

三維有限元模型主要用于分析隧道施工過程中施作大管棚輔助措施前后高層建筑的沉降規(guī)律、量值大小和建筑物內(nèi)力變化情況。

由于三維計算非常費時，不利于多種工況的對比研究，因此在采用三維計算分析建筑物沉降和內(nèi)力變化規(guī)律的基礎上，二維有限元模型主要是用于分析不同開挖方法和輔助措施組合工況下隧道和建筑物周圍地層塑形區(qū)的分布情況。

3.1 模型及參數(shù)

模型深度邊界為距離隧道底3倍隧道直徑，左側(cè)邊界為距離左側(cè)隧道凈距2倍隧道直徑，右側(cè)邊界為距離高層建筑右端2倍隧道直徑(距離右側(cè)隧道6倍隧道直徑)。

3.1.1 二維和三維有限元模型

根據(jù)隧道埋深、斷面尺寸、左右線隧道間距，同時考慮邊界效應以及計算效率，建立的三維有限元模型長130 m、寬60 m、高55 m。模型中包括D棟和E棟高層建筑、基礎下的砂漿錨桿、隧道、巖體等的3D-solid三維有限元單元298 181個，節(jié)點356 503個(圖3)以及2D-solid二維有限元單元43 220個，節(jié)點42 260個(圖4、圖5)，砂漿錨桿選用truss單元并用作rebar來模擬，該類3或4節(jié)點的單元只承受軸向力。

圖3 三維有限元模型

圖4 二維有限元計算模型

圖5 二維有限元計算模型中錨桿位置

3.1.2 有限元模型的計算參數(shù)

場地涉及三類巖層，自上而下分別為全、強、弱風化花崗閃長巖，其力學模型均被模擬為摩爾-庫倫彈塑性模型。根據(jù)地勘資料及數(shù)值分析經(jīng)驗，土體變形模量取壓縮模量的3倍左右作為計算中巖層的力學參數(shù)［1］(土體變形模量E0≥壓縮模量Es，且土體越硬兩者之間倍數(shù)越大，一般前者是后者的2～3倍，本工程土體較硬所以取3倍)。巖體采用注漿加固以后，其變形模量和黏聚力一般都能提高到原來的2～4倍，考慮到一定的安全儲備，計算中按提高到原來的2倍考慮。砂漿錨桿采用雙線性模型［2-3］，其他均采用彈性模型。

管棚參數(shù)采用等效方法予以考慮，即將鋼管對應

其中，E為折算后管棚的彈性模量(GPa);E0為管棚漿液擴散范圍內(nèi)圍巖的彈性模量(GPa);Eg為鋼管混凝土的彈性模量(GPa);Sg為鋼管混凝土斷面面積(m2);Sc為管棚漿液擴散范圍面積(m2)。

經(jīng)工程類比［4-7］與理論分析［8-10］，本工程初步擬定采用φ159 mm，壁厚8 mm，間距40 cm的單層大管棚進行超前支護，管棚漿液擴散半徑45 cm，折算后管棚彈性模量為5.8 GPa。

建筑物的模擬:因既有建筑基礎為柱下獨立基礎，基礎間采用基礎梁連接，基礎本身的整體性較差，結(jié)構對差異沉降很敏感。為保證建筑物結(jié)構的安全，最大限度的減少差異沉降對結(jié)構的危害，將原建筑物獨立基礎連接為筏板基礎。計算時，建筑物基礎按整體考慮，高層建筑對基礎、土層和隧道的影響主要以荷載的形式反映到計算模型中，每一樓層按照20 kPa荷載考慮，對于D棟建筑共17層，相當于340 kPa。

3.2 隧道下穿施工方案實施效果的仿真分析

3.2.1 數(shù)值分析的總體思路

首先在三維有限元模型中采用彈性材料對比分析隧道未開挖之前、隧道無任何預支護開挖以及隧道增設管棚超前預支護開挖3種工況下隧道-圍巖-高層建筑的整體最終位移分布情況，以及建筑物本身最終位移分布情況，用以反映管棚抑制沉降的作用，以驗證管棚設計的必要性及所采用管棚參數(shù)的合理性，同時給出建筑物第一主應力的云圖，并提供施工中建筑物內(nèi)需要采取保護預案的部位等信息;然后考慮到大型三維模型不利于大量細部施工技術的大量工況的對比研究，重點選用細致建模的二維有限元模型對各種不同施工方案與輔助措施下隧道開挖過程中的塑性區(qū)分布情況開展詳細研究。

3.2.2 隧道下穿施工的位移場分析

經(jīng)計算，隧道未開挖之前、隧道無任何預支護開挖以及隧道增設管棚超前支護開挖3種工況下隧道-圍巖-高層建筑的整體最終位移分布情況，如圖6～圖8所示。

從圖6～圖8可以看出，隧道開挖引起建筑物發(fā)生明顯偏向隧道一側(cè)的沉降，而且管棚施作之后沉降明顯減少，整個區(qū)域的最大沉降由原來的126.2-53.3=72.6 mm，驟減至77.1-53.3=23.8 mm，減少了大約原來的67.2%;沉降槽寬度也由30 m縮減到了20 m?？梢姽芘镆种瞥两档男Ч置黠@，但是即便如此沉降依然較大。

建筑物本身最終沉降分布情況，如圖9～圖11所示。于內(nèi)部填充物的彈性模量進行折算。參照混凝土參數(shù)折算方法，管棚折算彈性模量可按式(1)計算

圖6 建筑物自重下的整體沉降位移場

圖7 隧道無預支護開挖的整體沉降位移場

圖8 隧道預支護開挖的整體沉降位移場

圖9 建筑物自重下的建筑物沉降位移場

圖10 隧道無預支護開挖的建筑物沉降位移場

圖11 隧道預支護開挖的建筑物沉降位移場

與圖6～圖8所反映規(guī)律一致，圖9～圖11展示出，管棚預支護后，隧道開挖引起建筑物的最大沉降約為99.76-53.35=46.41 mm，已經(jīng)超出建筑物整體沉降30 mm的限值;不過當采用管棚預支護之后，建筑物最大沉降驟減為70.32-53.35=16.97 mm，是原來的36.6%，能夠滿足限值要求［11-13］。

3.2.3 隧道下穿建筑結(jié)構第一主應力場分析

經(jīng)計算，隧道未開挖之前、隧道無任何預支護開挖、隧道增設管棚超前支護開挖以及地基加固4種工況下建筑結(jié)構第一主應力的分布情況，如圖12～圖15所示。

圖12 建筑物自重下的建筑結(jié)構第一主應力場

圖13 隧道無預支護開挖的建筑結(jié)構第一主應力場

圖14 隧道預支護開挖的建筑結(jié)構第一主應力場

圖15 地基加固后建筑結(jié)構第一主應力場

從圖12和圖13中不難看出，在未采取任何保護措施情況下，進行隧道開挖后建筑物最大主拉應力1.1 MPa，出現(xiàn)在建筑物中央的底部，已接近建筑基礎C35混凝土的抗拉強度設計值1.57 MPa，其他主拉應力大的地方多出現(xiàn)在柱子上，應引起重視。

通過對比圖13和圖14可知，管棚預支護對建筑結(jié)構內(nèi)力影響不大，僅有0.076 MPa的變化幅度。

但是通過地基加固以后(注漿加固范圍:隧道開挖范圍外4.0 m線范圍內(nèi)土層和全、強風化巖層)，可大幅地減少建筑物內(nèi)的結(jié)構內(nèi)力，從圖12和圖15可以看出，采取措施后建筑物結(jié)構內(nèi)主拉應力僅有0.52 MPa的增幅，遠小于1.57 MPa的限值，因此地基加固對建筑結(jié)構安全性的保證有十分積極的影響，隧道開挖除了采取管棚預支護以外，地基也需要進行加固處理。

3.2.4 隧道下穿施工的塑性區(qū)分析

即使施作管棚可大量緩解建筑物的沉降，但未必不會引起建筑物基礎出現(xiàn)塑性破壞，上述研究只能給出最大沉降的范圍，尚不能說明增加管棚工法即可保證建筑物安全及不受影響，因此仍需對隧道開挖過程中建筑物與隧道周邊地層塑性區(qū)的分布進行分析，以判斷是否還需采取其他措施以保證隧道開挖過程中隧道結(jié)構自身及建筑物的安全。鑒于此，以常規(guī)設計(主要包括臺階法開挖，留設核心土，采用鋼格柵、鋼筋網(wǎng)和噴混凝土作為初期支護，上導坑開挖中利用小導管配以注漿進行拱頂預支護)為基礎，進行多種工況下隧道開挖過程中隧道與建筑物周邊地層塑性區(qū)分布情況的對比分析。

(1)無管棚預支護情況下，CD法左半部分開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖16所示。

圖16 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況一

從圖16可知，隧道在開挖右線左半部分上臺階時，在洞內(nèi)拱腳出現(xiàn)塑性區(qū)，同時在隧道左上方、建筑物地基一側(cè)全風化巖層中出現(xiàn)一大片的塑性區(qū)，并隨著隧道開挖到右線左半部分下臺階時，其塑性范圍及強度(箭頭越長強度越大)進一步增大，直至計算停止，即巖層發(fā)生破壞。從塑性區(qū)破壞的矢量方向不難判斷，巖層發(fā)生指向隧道開挖側(cè)的塑性破壞。

另外，建筑地基內(nèi)的塑性區(qū)明顯的分成2個區(qū)域，一是由于隧道開挖引起建筑物發(fā)生倒向開挖側(cè)的變形，繼而拖拽其附近地基受拉破壞，形成指向隧道開挖位置的斜豎向貫通區(qū);二是發(fā)生在全風化與強風化巖層之間，由于巖層移動，硬巖拖拽軟巖致使軟巖受拉破壞，形成水平向貫通區(qū);之所以僅一側(cè)出現(xiàn)，而非對稱出現(xiàn)，主要是因為另一側(cè)錨桿數(shù)量較多，對巖體變形有一定的抑制作用。

(2)無管棚預支護和加錨桿情況下，CD法左半部分開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖17所示。

圖17 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況二

在上面計算的基礎上，這里主要分析拱腳錨桿抑制其附近塑性區(qū)的效果。

從圖17可以看出，在上臺階兩側(cè)拱腳各設置3根錨桿后，可使隧道與建筑物周邊塑性區(qū)的強度明顯減弱(特別是隧道周邊的塑性區(qū))，但是依然無法計算通過，主要還是因為建筑地基巖層發(fā)生了破壞。

(3)無管棚預支護和加錨桿情況下，CRD法隧道開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖18所示。

在上面計算的基礎上增加臨時仰拱，這里主要分析CRD法抑制其附近塑性區(qū)的效果。

從圖18可以看出，在開挖分步中增加臨時仰拱對塑性區(qū)的影響較小，這主要是因為圍巖側(cè)壓力相對軟弱層而言較小，其引起的側(cè)壓力不大，主要變形來自拱頂而非拱腰，因此從總體規(guī)律來看CD法與CRD法區(qū)別不大。

(4)無管棚預支護、加錨桿和加固圍巖情況下，CRD法隧道開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖19所示。

圖18 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況三

圖19 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況四

在上面計算的基礎上對圍巖進行加固，分析圍巖加固對其附近塑性區(qū)的抑制效果。

從圖19可以看出，通過注漿加固提高隧道周邊4 m范圍圍巖的強度(模量與黏聚力提高2倍)，可實現(xiàn)隧道周邊塑性區(qū)消失，保證了隧道結(jié)構的安全，圍巖注漿加固效果明顯;但卻放大了隧道上方、建筑物下方地基中塑性區(qū)的影響范圍及其強度，因此還需采取進一步措施，以保證建筑物地基基礎的安全。

(5)有管棚預支護、加錨桿和加固圍巖情況下，CRD法隧道開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖20所示。

圖20 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況五

在上面計算的基礎上增設管棚(采用φ159 mm，壁厚8 mm，間距40 cm的單層大管棚)，分析管棚預支護對其附近塑性區(qū)的抑制效果。

從圖20可以看出，管棚施作后開挖隧道左半部分上臺階時，其上方塑性區(qū)略有減少，并且在較前幾種工況計算增加一個開挖步驟，即開挖了隧道右半部分上臺階后建筑地基的巖層才發(fā)生破壞，可見管棚施作除了減少地基沉降以外，對隧道上方的塑性區(qū)的擴展也有不容忽視的抑制作用。

(6)加強管棚預支護、加錨桿和加固圍巖情況下，CRD法隧道開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖21所示。

圖21 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況六

在上面計算的基礎上加強管棚(通過將模量提高2倍來模擬)，分析管棚預支護加強后對其附近塑性區(qū)的抑制效果。

從圖21可看出，加強管棚對建筑物地基內(nèi)的塑性區(qū)影響不大，即便可以將右線隧道整個斷面挖完，但是建筑地基巖層仍然發(fā)生了破壞，所以不推薦加強。

(7)管棚加強、加錨桿、加固圍巖和加固地基情況下，CRD法隧道開挖過程中塑性區(qū)分布情況如圖22所示。

圖22 隧道開挖過程中塑性區(qū)的分布情況七

在上面計算的基礎上進行局部區(qū)域的地基加固，分析地基加固對其附近塑性區(qū)的抑制效果。加固區(qū)域位于兩隧道正上方，建筑物的側(cè)下方區(qū)域。

從圖22可以看出(黑框范圍為地基加固區(qū)域)，通過地基加固可消除因隧道開挖產(chǎn)生在建筑物地基內(nèi)的塑性區(qū)，并結(jié)合前面對隧道圍巖4 m范圍的加固、管棚的施作、以及拱腳錨桿的設置，可有效保證隧道穿越期間建筑物與隧道的安全。

4 主要結(jié)論

(1)通過三維有限元模型的靜力分析可知，隧道開挖引起建筑物發(fā)生明顯偏向隧道一側(cè)的沉降，而且管棚施作之后沉降明顯減少，整個區(qū)域的最大沉降由原來的72.6 mm驟減至23.8 mm，減少了67.2%;管棚預支護后，隧道開挖引起建筑物的最大沉降從46.41 mm驟減為16.97 mm，僅為原來的36.6%，能夠滿足限值要求;此外通過觀察建筑物內(nèi)第一主應力分布情況可知，在未采取任何保護措施情況下，進行隧道開挖后建筑物最大主拉應力1.1 MPa，出現(xiàn)在建筑物中央的底部，已接近建筑基礎C35混凝土的抗拉強度設計值1.57 MPa，其他主拉應力較大的地方多出現(xiàn)在柱子上，而且地基加固對抑制建筑結(jié)構主拉應力效果顯著，對建筑結(jié)構安全有利。

(2)在二維有限元模型中，通過分析不同工況下地層塑性區(qū)的分布情況可知，除了必須增設管棚預支護以外，還需要在拱腳位置設計鎖腳錨桿或者錨管，隧道周邊4～6 m范圍的圍巖必須進行加固，建筑物偏隧道一側(cè)必須進行地基加固，并采用CD法開挖隧道，方可抑制隧道開挖過程中建筑地基塑性區(qū)的擴展，保證隧道與建筑物安全。

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