王 帆

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400042)

進入21世紀以來，我國城市不斷發(fā)展，為滿足發(fā)展需求開展了大量的城市施工作業(yè)，基坑頻繁開挖，地下軌道交通線路交錯縱橫，尤其在繁華都市區(qū)域，城市軌道交通沿線商業(yè)建筑物較為密集，建筑基坑施工過程伴隨著頻繁的卸載、加載過程，不可避免地引起周圍軌道交通線路的影響，產(chǎn)生諸多安全隱患甚至引發(fā)嚴重的工程事故[1-2]。

為解決上述問題，許多學(xué)者開展了大量的研究。張紅勇[3]等利用有限元法，分析了基坑與隧道軸線不同交角情況下，基坑開挖卸載對隧道結(jié)構(gòu)附加變形及內(nèi)力的影響。魏綱等[4]采用現(xiàn)場實測的方法，通過對基坑開挖引起的既有隧道附加變形進行監(jiān)測，分析了開挖施工過程中既有隧道變形影響規(guī)律，并提出了隧道水平位移預(yù)測經(jīng)驗公式。姚愛軍[5]等結(jié)合模型試驗與數(shù)值模擬，研究了隧道上方基坑加、卸載作用導(dǎo)致的盾構(gòu)隧道變形特征及圍壓變化規(guī)律，并分析了兩者凈距以及坑底加載強度對隧道附加變形的影響。張玉偉[6]等采用數(shù)值分析法，分析了基坑降水、基坑開挖以及樁荷載施加所引起的既有隧道附加變形及結(jié)構(gòu)受力特征。楊德志[7]等采用有限元法與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的方法，分析了地連墻插入比、被動去加固寬度等因素引起的隧道附加變形規(guī)律。周賢宏[8]等利用有限元軟件ABAQUS，分析了基坑施工引起的下臥隧道的影響，并從施工的角度提出了大型基坑開挖對既有隧道變形控制方法。姚宏波[9]等采用理論分析的方法，考慮基坑深度、寬度和基坑沿隧道縱向長度的綜合影響，提出了隧道上方卸載引起的卸荷比計算模型。丁祖德[10]等通過數(shù)值分析，研究了不同隧道保護措施下基坑開挖引起的隧道變形及附加應(yīng)力的特點及變形控制效果。

從以往研究成果可以看出，之前的研究成果主要集中在基坑施工對單線隧道的影響，而針對基坑施工引起多線隧道力學(xué)特性影響研究較少。本文基于實際工程中建筑基坑開挖卸載及建筑修建加載，分析施工過程中多線既有隧道受力及變形特性，作工程參考。

1 工程概況

本項目擬建工程包括6棟二類高層建筑、16棟多層建筑、1棟幼兒園、1棟社區(qū)綜合服務(wù)中心、沿街商業(yè)及配套、地下車庫、地下商業(yè)及設(shè)備用房，項目西側(cè)為重慶軌道交通十號線以及軌道交通六號線支線(悅來站-王家莊站)區(qū)間隧道，項目與既有隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 項目與隧道相對位置關(guān)系

軌道交通十號線悅來-王家莊站區(qū)間隧道位于項目擬建場地西側(cè)，擬建項目與隧道間保護區(qū)域的里程號為：K44+17.040～K44+385.840，總長約368.80 m。該段區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于25.00～28.60 m，圍巖主要為砂巖，巖體呈中風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理裂隙不發(fā)育～較發(fā)育，巖體較完整，圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。目前，該區(qū)間隧道已開通運營。

軌道交通六號線支線二期悅來-王家莊站區(qū)間隧道位于項目擬建場地西側(cè)，擬建項目與隧道間保護區(qū)域的里程號為：K44+17.040～K44+385.840，總長約343.93 m。該段區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于36.00～39.60 m，圍巖主要為砂巖及砂質(zhì)泥巖，巖體呈中風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理裂隙不發(fā)育～較發(fā)育，巖體較完整，圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。目前，該區(qū)間隧道已進行施工。

2 計算模型及參數(shù)

根據(jù)項目與區(qū)間隧道位置關(guān)系，建立如圖2所示二維模型，根據(jù)圣維南原理，并結(jié)合項目與隧道結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系，根據(jù)勘察報告所提勘察剖面建立計算模型，所建模型計算區(qū)域為X向(水平方向)×Y(重力方向)=119 m×85 m，模型邊界條件為：計算區(qū)域側(cè)面約束水平位移，底面約束豎向位移。

圖2 模型總體示意

在計算模型中，巖土體遵從彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其中，土體采用Mohr-Coulomb屈服準則，巖體采用D-P準則進行數(shù)值計算，隧道襯砌、樁基礎(chǔ)等則視為彈性材料。該模型其中巖土體采用平面應(yīng)變單元模擬，項目基礎(chǔ)及隧道結(jié)構(gòu)以梁單元進行模擬。

模型計算步驟根據(jù)項目及隧道結(jié)構(gòu)實際施工順序進行設(shè)置，分為5個步驟：①場地初始狀態(tài)，②十號線開挖、修建，③六號線支線開挖、修建，④擬建項目基坑開挖，⑤樁基施工，建筑荷載的施加。

結(jié)合項目及區(qū)間隧道地質(zhì)勘查報告，給出最終計算參數(shù)如表1所示，考慮隧道開挖、巖體裂隙以及巖土層面的影響，巖體抗剪強度參數(shù)按照D-P等面積圓進行折減，折減系數(shù)為0.8。

表1 地層結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)位移

項目施工過程中，建筑基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)物修建，既有隧道相繼受到“加載”、“卸載”作用，引起隧道及圍巖的附加變形[11]?；娱_挖以后，隧道結(jié)構(gòu)及周邊巖土體自身變形情況圖3(a)、圖3(b)所示。樁基施工，施加荷載后，隧道結(jié)構(gòu)及周邊巖土體自身變形情況如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 基坑施工過程中隧道位移變化

取隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點位移進行分析，根據(jù)計算結(jié)果，基坑開挖引起的十號線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為1.2 mm；引起的六號線支線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為0.5 mm。從基坑與隧道結(jié)構(gòu)相對位置上看，六號線支線距離建筑基坑相對十號線較遠，且隧道跨度較小，但十號線二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度較大，最終兩者最大位移結(jié)果相當(dāng)。樁基施工，施加荷載后引起的十號線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.3 mm，最大豎向位移為0.3 mm；引起的六號線支線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.1 mm，最大豎向位移為0.1 mm。根據(jù)工程實際情況，基坑施工后進行建筑修建，基坑上方施加多層建筑荷載，從計算結(jié)果上看，多層建筑的建筑荷載施加在一定程度上緩解了項目施工引起的隧道結(jié)構(gòu)附加變形，兩條軌道交通線路結(jié)構(gòu)最大位移幅值有所減小。根據(jù)重慶市地方標(biāo)準DBJ50/T-271-2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準》，項目實施基坑開挖及樁基施工、建筑荷載后，區(qū)間隧道變形值均小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值(±10 mm)。

3.2 隧道圍巖應(yīng)力

項目施工過程中產(chǎn)生的施工擾動，通過巖土體傳遞至隧道主體結(jié)構(gòu)。圖4展示了主要荷載步隧道圍巖第一、第三主應(yīng)力，表2統(tǒng)計了基坑施工作業(yè)過程中隧道圍巖最大應(yīng)力值，其中負值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。

圖4 基坑施工過程中隧道圍巖應(yīng)力

表2 隧道圍巖主要荷載步下最大應(yīng)力值統(tǒng)計

根據(jù)圍巖應(yīng)力情況及應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果，項目修建整個過程，隧道圍巖拉、壓應(yīng)力變化有限，基坑開挖作業(yè)完成后，隧道圍巖最大拉應(yīng)力從119.94 kPa增至152.79 kPa，增長幅度為21.5 %，最大壓應(yīng)力有所減小，但變化幅度不大；建筑荷載施加后，圍巖最大拉應(yīng)力為120.27 kPa，相對基坑開挖荷載步有所減小，其值與初始荷載步相當(dāng)，最大壓應(yīng)力變化不明顯。

由計算結(jié)果可知，在上述施工過程中，隧道圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生了一定的不利變化，但其拉壓應(yīng)力均未超過地勘報告所提巖體所能承受抗拉、抗壓強度，項目的建設(shè)對隧道圍巖應(yīng)力情況影響是有限的。施工引起巖土體擾動傳遞至既有隧道，致使襯砌結(jié)構(gòu)局部區(qū)域因不均勻變形產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。值得注意的是，在兩線交疊的狀態(tài)下，雙線隧道于六號線支線拱頂位置的拉應(yīng)力產(chǎn)生貫通的應(yīng)力變化區(qū)域，施工過程中該區(qū)域處可能存在相對更為明顯的應(yīng)力集中問題。

4 結(jié)束語

通過對項目施工過程中加卸載條件下多線既有隧道受力及變形特性進行分析可以得出以下結(jié)論：

(1)基坑開挖卸荷引起巖土體回彈，進而造成隧道結(jié)構(gòu)附加變形，多層建筑的建筑加載作用在一定程度上緩解了卸載時引起的結(jié)構(gòu)物位移變化；在整個施工過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在基坑開挖作業(yè)完成以后，為有效減小項目施工的影響，應(yīng)在基坑開挖后盡早并及時開展基坑底板、基坑邊坡支護結(jié)構(gòu)的施工，減小施工的影響。

(2)施工擾動產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)附加變形，并造成襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題，該問題在多條地下交通線路交疊時更為顯著，或致使兩線交疊區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力變化貫通區(qū)域，產(chǎn)生較大的安全隱患。為保證項目及既有隧道的安全，應(yīng)根據(jù)實際情況，在項目施工過程中對影響區(qū)間段隧道進行設(shè)點監(jiān)測，在交疊區(qū)域加密監(jiān)測點設(shè)置，若監(jiān)測變形超出變形預(yù)警值應(yīng)及時采取有效措施。