唐 健

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

近年來，隨著我國(guó)高速鐵路、軌道交通和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，地下隧道與建筑物相互交叉、相互影響的情況越來越多，此時(shí)存在2 種工況：①隧道后于鄰近建筑物施工，此時(shí)隧道的施工對(duì)已有建筑物產(chǎn)生影響；②隧道先于鄰近建筑物存在，此時(shí)地面建筑物的施工必將對(duì)已有的隧道造成一定的影響。對(duì)于隧道施工對(duì)鄰近建筑物的影響，國(guó)內(nèi)研究的非常多［1－2］；而對(duì)于建筑物施工對(duì)其下部隧道、尤其是對(duì)變形有極為嚴(yán)格要求的高速鐵路隧道的影響，國(guó)內(nèi)外還沒有這方面的研究。因此，本論文以某物流公司5，6號(hào)倉(cāng)庫(kù)上跨下部獅子洋高鐵隧道為背景，利用有限差分軟件分析建筑物施工對(duì)其下部高鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 隧道工程概況

1.1 工程概況

擬建的建筑物位于廣東省東莞市環(huán)東路以西，查驗(yàn)東路以北，保稅中路以東。地塊呈東西長(zhǎng)向，地勢(shì)較為平坦，項(xiàng)目建設(shè)用地面積67946.32 m2。其中5，6 號(hào)倉(cāng)庫(kù)位于廣深高鐵獅子洋隧道DK41＋600～DK42＋000段正上方，地表倉(cāng)庫(kù)距離隧道約28m，其結(jié)構(gòu)采用門式框架結(jié)構(gòu)，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)地面堆載50kN／m2。獅子洋隧道全長(zhǎng)10.8 km，擬建建筑物下部區(qū)段隧道為盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)內(nèi)徑9.8m，外徑10.8m。管片采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗?jié)B等級(jí)S12。每環(huán)環(huán)向接縫采用22只M36縱向斜螺栓連接，每環(huán)襯砌縱縫內(nèi)共采用24只M36環(huán)向斜螺栓連接。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

倉(cāng)庫(kù)下部地層由上至下為：①人工填土層，組成物主要為粘性土，欠壓實(shí)，層厚0.40～3.55m，平均厚度1.36 m，層頂埋藏標(biāo)高－0.09～2.85 m；②海陸交互相沉積層，主要分布有粉質(zhì)粘土層、淤泥層、淤泥質(zhì)土層、粉土層、粗礫砂層、圓礫土層等；③沖積層，主要分布有粘性土層、淤泥質(zhì)土層、粉細(xì)砂層、粗礫砂層、礫石卵石層；④殘積土層主要分布有基巖、巖石全風(fēng)化、巖石弱風(fēng)化帶。地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和白堊系碎屑巖類裂隙、孔隙水。

2 三維數(shù)值計(jì)算

2.1 模型的建立

根據(jù)建筑物與隧道的位置關(guān)系，計(jì)算模型尺寸為：隧道水平方向取200m，豎直向上取23.40 m，豎直向下取24.60m，隧道軸向取398m。計(jì)算區(qū)域劃分成144067個(gè)單元，183895個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠保證計(jì)算具有足夠的精度。計(jì)算模型見圖1。其約束條件為：兩側(cè)邊界水平方向約束，鉛直方向自由；底部邊界鉛直方向約束，水平方向自由；頂部為自由表面，上部受圍巖自重作用。

圖1 三維計(jì)算模型

2.2 流變本構(gòu)模型

伯格斯是一種粘彈性模型［3］，它由馬克斯威爾模型與開爾文模型串聯(lián)而成，有4個(gè)可調(diào)參數(shù)。伯格斯模型的本構(gòu)方程、蠕變方程、卸載方程分別為

式中：ηM、ηK 分別為馬克斯威爾和開爾文粘滯系數(shù)；EK分別為馬克斯威爾和開爾文模型的彈性模量；當(dāng)t＝0時(shí)，ε0＝σ0／EM，模型有瞬時(shí)彈性變形，此時(shí)只有彈簧元件M 有變形，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，應(yīng)變逐漸加大，粘性元件按等速流動(dòng)。

2.3 計(jì)算參數(shù)的確定

在計(jì)算中，圍巖采用了伯格斯流變本構(gòu)模型，隧道開挖采用了Null模型。管片結(jié)構(gòu)采用了結(jié)構(gòu)單元中的Shell單元，本構(gòu)模型為彈性。巖體的初始地應(yīng)力場(chǎng)考慮了自重應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取為0.43。考慮基底水泥攪拌樁加固對(duì)圍巖巖性的改善，在模擬時(shí)適當(dāng)提高加固區(qū)圍巖參數(shù)［4－5］。在模擬過程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 倉(cāng)庫(kù)施工階段隧道結(jié)構(gòu)位移分析

圖2為倉(cāng)庫(kù)施工階段隧道管片結(jié)構(gòu)總位移云圖。由圖2可見，在隧道上方倉(cāng)庫(kù)施工的影響下，隧道管片發(fā)生了位移。影響區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，并且在倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)正下方的盾構(gòu)隧道管片的變形較大，而Y＝160～270m 范圍內(nèi)的隧道管片變形相對(duì)較小，說明隧道上方倉(cāng)庫(kù)施工對(duì)正下部隧道的變形有一定程度的影響。

圖2 施工階段隧道管片結(jié)構(gòu)總位移云圖（單位：m）

從圖2可以看出位移沿隧道軸向的大致分布規(guī)律，以下對(duì)隧道拱頂和左右邊墻的位移規(guī)律進(jìn)行深入分析。圖3為隧道拱頂下沉位移曲線圖，圖4～5分別為隧道左右邊墻的水平位移曲線。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)拱頂下沉位移曲線圖

圖4 隧道左邊墻水平位移曲線圖

圖5 隧道右邊墻水平位移曲線圖

由圖3可見，隧道變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160m 和Y＝270～322m），該區(qū)域內(nèi)隧道拱頂點(diǎn)豎向位移主要以沉降為主，且當(dāng)隧道正上方存在倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)時(shí)，該處隧道結(jié)構(gòu)拱頂豎向沉降位移出現(xiàn)峰值，左線隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降位移發(fā)生在Y＝160m位置附近，右線發(fā)生在Y＝60m 位置附近，其峰值分別為－2.2 mm 和－2.0 mm；Y＝160～270 m 范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移相對(duì)較小，局部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，左右線隧道最小豎向位移位置分別為Y＝270m 和Y＝220m 附近；Y＝220m 位置左隧道處于6號(hào)倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)下方，而右隧道位于兩倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)之間；Y＝270m 位置右隧道處于5號(hào)基礎(chǔ)下方，而左隧道處于2倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)之間。此外，由于隧道與倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)區(qū)呈斜交，左右線隧道結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移曲線變化規(guī)律基本一致，但數(shù)值及其變化點(diǎn)位置不一樣。

從圖4和圖5可以看出：在隧道上方倉(cāng)庫(kù)施工的影響下，隧道管片發(fā)生了水平變形，且左線和右線的水平位移特征不同。最大負(fù)向水平位移約在左隧道Y＝100m 和Y＝320m 處，最大負(fù)向水平位移量為1.64 mm。最大正向水平位移約在右隧道Y ＝160 m 處，最大正向水平位移量為

0.25 mm。

綜上分析可知，隧道結(jié)構(gòu)變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160 m 和Y＝270～322m），當(dāng)隧道正上方存在倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)時(shí)，該處隧道結(jié)構(gòu)位移出現(xiàn)峰值；而Y＝160～270m 范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)的位移相對(duì)較小，說明倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)施工對(duì)下方一定范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

3.2 倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段高鐵隧道結(jié)構(gòu)位移特征

圖6為倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)過程中高鐵隧道結(jié)構(gòu)總位移云圖。

圖6 倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段隧道襯砌結(jié)構(gòu)總體位移云圖（單位：m）

由圖6可見，在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，盾構(gòu)隧道管片變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，并且在倉(cāng)庫(kù)正下方的盾構(gòu)隧道管片的變形較大，而Y＝160～270m 范圍內(nèi)的隧道管片變形相對(duì)較小，說明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載對(duì)下部隧道的變形有一定程度的影響。最大變形位置約在左線隧道Y＝100m 處，管片最大變形量為8.73mm。

圖7為隧道拱頂豎向位移曲線圖，圖8～9分別為隧道左右邊墻的水平位移曲線。

圖7 隧道拱頂豎向位移曲線圖

圖8 隧道左邊墻水平位移曲線圖

圖9 隧道右邊墻水平位移曲線圖

從圖7可以看出，在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，盾構(gòu)隧道管片發(fā)生了豎向變形，左線和右線的豎向位移特征不同。隧道豎向變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160m 以及Y＝270～322 m 范圍內(nèi)），并且在倉(cāng)庫(kù)正下方的盾構(gòu)隧道管片的豎向位移較大，而Y＝160～270m 范圍內(nèi)的隧道管片的豎向位移相對(duì)較小，說明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載使得下部隧道發(fā)生了一定程度的豎向位移。并且在倉(cāng)庫(kù)對(duì)隧道水平位移影響的區(qū)域內(nèi)，隧道距離倉(cāng)庫(kù)底部的距離越近，隧道的豎向位移越大。最大豎向位移位于Y＝40m 處左右，最大豎向位移為7.69mm。

由圖8和圖9可見，在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，隧道管片發(fā)生了水平變形，且左線和右線的水平位移特征不同。最大負(fù)向水平位移約在左線隧道Y＝322m處，最大負(fù)向水平位移量為5.73mm。最大正向水平位移約在右線隧道Y＝322m 處，最大正向水平位移量為1.14mm。左線隧道Y＝322m 處位于與5號(hào)倉(cāng)庫(kù)斜交的邊墻處，說明在倉(cāng)庫(kù)對(duì)隧道水平位移影響的區(qū)域內(nèi)，隧道偏離倉(cāng)庫(kù)底部的距離越遠(yuǎn)，隧道的水平位移越大。

綜上分析可知，隧道變形較大區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，而在其他區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)隧道的變形較小，說明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載使得下部隧道發(fā)生了一定程度的變形。

4 結(jié)論

（1）倉(cāng)庫(kù)施工階段，隧道結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域變形較小。最大負(fù)向水平位移位于左線隧道Y＝100m 和Y＝320 m 斷面附近，其值為1.64 mm。最大正向水平位移位于右線隧道Y＝160 m 斷面附近，其值為0.25mm。左線隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降位移發(fā)生在Y＝160m 斷面附近，右線發(fā)生在Y＝60m 斷面附近，其值分別為－2.2 mm 和－2.0mm。

（2）倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段，隧道結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域變形較小。最大負(fù)向水平位移位于左線隧道Y＝322m 斷面附近，其值為5.73mm；最大正向水平位移位于右線隧道Y＝322m 斷面附近，其值為1.14mm；最大正向軸向位移位于隧道Y＝322m 斷面附近，其值為2.05mm；最大豎向位移位于左隧道Y＝40m 斷面附近，其值為7.69mm。

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