王 艷，靳曉光，季 璇

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.重慶大學(xué)土木學(xué)院，重慶 400044；3.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京 211169）

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的逐步推進(jìn)，城市地表交通壓力以及建設(shè)用地變得日趨緊張，城市地下工程必然要在已有地表建筑物的下面及附近進(jìn)行建設(shè)。在城市暗挖隧道建設(shè)過(guò)程中，穿越和鄰近各種既有結(jié)構(gòu)施工的情況普遍存在，尤其以穿越地表密集建筑物群的情況居多，然而隧道施工易引起地層擾動(dòng)，導(dǎo)致建筑物沉、傾斜甚至開(kāi)裂破壞。目前，眾多學(xué)者針對(duì)隧道下穿既有建筑物展開(kāi)了大量的分析研究工作。程小虎[1]以重慶北站為例，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，研究了PBA 工法在淺埋暗挖巖石隧道下穿既有建筑物施工中的可行性；吳旭平等[2]以青島地鐵13號(hào)線嘉陵江路站—香江路站區(qū)間為例，研究了淺埋曲線隧道施工對(duì)于既有建筑物的影響分析；李永寬等[3]以青島地鐵3 號(hào)線錯(cuò)埠嶺站—清江路站區(qū)間為例，提出超前小導(dǎo)管和超前預(yù)注漿加固地層、隧道初支背后回填注漿、建筑物變形補(bǔ)償注漿、隧道堵水注漿等控制地層變形和建筑物沉降的控制措施；賈凱[4]分析了雙線頂管異步頂進(jìn)施工對(duì)建筑物的影響；陳瑜嘉等[5]以青島地鐵區(qū)間隧道下穿某高層建筑工程為例，采用有限元極限分析法分析了不同覆巖厚度與隧道近接建筑施工破壞機(jī)制的關(guān)系。通過(guò)對(duì)上述文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不同的地層、工法、建筑物與隧道結(jié)構(gòu)形式以及隧道穿越方式意味著隧道下穿建筑物問(wèn)題具有明顯的工程特性，已有的研究成果難以復(fù)用。因此，筆者以重慶市同茂隧道為研究對(duì)象，對(duì)上覆框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

同茂隧道沿線為老城區(qū)，房屋密集，一般以多層建筑為主，結(jié)構(gòu)形式主要以磚混和框架為主，地面建筑年代相對(duì)久遠(yuǎn)。筆者選取上覆某9 層框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，首層建筑面積為650m2，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁徑2m，設(shè)計(jì)承載力為5000KN，樁身采用C40 級(jí)混凝土，樁長(zhǎng)9m，樁底距離拱頂3m，框架結(jié)構(gòu)為2 跨×9 跨×9 層，柱截面為1m×1m，梁截面為0.6m×1m。為計(jì)算方便，本模型未建樁基承臺(tái)，而是采用一個(gè)1m厚的大底板進(jìn)行過(guò)渡，同樣滿足受力要求。下穿雙洞隧道為兩個(gè)尺寸相同的平行隧道，洞徑15.6m，洞高10.9m，兩洞軸線間的距離為15m，最大埋深約34m，本框架結(jié)構(gòu)下埋深約15m，初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土厚度為220mm，內(nèi)設(shè)Φ8 鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用C30 防水混凝土，厚度為0.5m，仰拱為C30 防水鋼筋混凝土，采用阻燃瀝青混凝土路面，厚度為9cm，路面下鋪C35 混凝土24cm，再填充C15 片石混凝土深至仰拱。單個(gè)隧道橫斷面如圖1 所示，上覆框架結(jié)構(gòu)與隧道位置如圖2 所示。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)影響范圍內(nèi)房屋周圍的地表點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)，沿著隧道開(kāi)挖方向在線路上方拱頂位置進(jìn)行布點(diǎn)，以拱頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1#、2#、3# 點(diǎn)為研究對(duì)象，具體如圖2 所示，在下穿區(qū)段開(kāi)挖后的40 天內(nèi)，通過(guò)以上三點(diǎn)獲取實(shí)際變形數(shù)值，分別為：1# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為3mm，2# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為2mm，3# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為2.5mm。

圖1 隧道橫斷面圖

圖2 上覆建筑物與隧道相對(duì)位置

2 有限元模型的建立

2.1 計(jì)算假定

數(shù)值模擬分析計(jì)算時(shí)采用以下假定：地表和各層土呈均質(zhì)水平層狀分布；為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，且主要分析對(duì)象為上覆建筑物，隧道采用全斷面開(kāi)挖；圍巖材料為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料；建筑物與基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與土體采用變形協(xié)調(diào)計(jì)算的方法。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)的確定

比較分析現(xiàn)場(chǎng)取樣并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸飽和抗壓試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與重慶市勘察院提供的地質(zhì)勘察報(bào)告中的數(shù)據(jù)，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）和《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）進(jìn)行綜合考慮，模型圍巖力學(xué)參數(shù)具體取值如表1 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及其工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，取模型的計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

表2 巖體及結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)

2.3 模型的建立

對(duì)于無(wú)限大的巖(土)體，為了減少邊界效應(yīng)對(duì)洞周的影響，使地下結(jié)構(gòu)周圍有一個(gè)比較均勻的“自由場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)”，一般情況下，選取3～4 倍洞徑作為影響域，根據(jù)本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和工程地質(zhì)資料，選取模型尺寸為145m×72m×40m（橫向×豎向×縱向），模型向上取至地面，向左、右下均取約3～4 倍洞徑（50m）。本文模型由兩部分組成，地面以下取145m×72m×40m 的長(zhǎng)方體影響區(qū)域，地面以上為9 層的框架結(jié)構(gòu)建筑物，如圖3 所示。由于模型大，單元多，三維非線性分析數(shù)值計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，故在模型計(jì)算中隧道開(kāi)挖部分的圍巖均采用三維實(shí)體單元SOLID45 單元，其余部分的圍巖采用SOLID95 單元，隧道的初期支護(hù)、二次襯砌均采用殼單元SHELL63。上覆框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，采用C40 混凝土，由于混凝土材料和圍巖材料剛度上存在差異，材料變形行為可能有不一致，故在樁基礎(chǔ)與圍巖接觸的面上設(shè)置接觸單元。框架梁和框架柱均采用梁?jiǎn)卧狟EAM188，現(xiàn)澆樓板采用殼單元SHELL63。

圖3 三維有限元模型

模型的上表面為地面，取為自由面，不加任何約束，底面施加豎向約束，前后和左右邊界均施加水平約束。本次數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，需要考慮的荷載有三種，即地層壓力、建筑自重、樓面活荷載。對(duì)于地層壓力和建筑自重，在ANSYS 中通過(guò)設(shè)置材料的密度和給予重力加速度，軟件可以自動(dòng)計(jì)算材料的恒載；對(duì)于樓面活荷載，地面建筑物的統(tǒng)計(jì)顯示，大部分建筑物都是住宅，所以本結(jié)構(gòu)樓面活荷載按住宅取用，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）第5.1.1條中民用建筑樓面均布活荷載取標(biāo)準(zhǔn)值為2.0KN/m2，故活荷載標(biāo)準(zhǔn)值SQK=2.0KN/m2，活荷載設(shè)計(jì)值SQ=1.5SQK=1.5×2.0=3 KN/m2。

2.4 隧道施工步序說(shuō)明

本文研究的重點(diǎn)是上覆建筑物的變形響應(yīng)規(guī)律，故可對(duì)模型的下半部分作相應(yīng)簡(jiǎn)化，依計(jì)算假定，采用全斷面開(kāi)挖，具體開(kāi)挖過(guò)程如下。第一步：模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)；第二步：開(kāi)挖左洞前20m，每天開(kāi)挖2m，共挖10 天；第三步：開(kāi)挖右洞前20m，每天開(kāi)挖2m，共挖10 天；第四步：開(kāi)挖左洞后20m，每天開(kāi)挖2m，共挖10 天；第五步：開(kāi)挖右洞后20m，每天開(kāi)挖2m，共挖10 天。不計(jì)入初始地應(yīng)力的模擬，將開(kāi)挖分為四個(gè)步序，如圖4 所示。

圖4 隧道開(kāi)挖步序示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 框架內(nèi)力分析

3.1.1 框架軸力分析

隧道開(kāi)挖后框架結(jié)構(gòu)的軸力云圖如圖5 所示，位于中間部分的一榀框架（從左起第四榀）軸力最大，于是取此中間一榀框架作為研究對(duì)象（黑線加深），由云圖可見(jiàn)，底層中柱軸力最大，為了更好地說(shuō)明問(wèn)題，將各層梁柱軸力變化繪制如圖6、圖7 所示，圖中的變化率=（后開(kāi)挖隧道后的值－先開(kāi)挖隧道后的值）÷先開(kāi)挖隧道的值×100%。從圖中可以看出，隧道開(kāi)挖對(duì)各柱軸力的影響不大，變化率基本在3%～20%內(nèi)波動(dòng)，對(duì)框架梁的影響相對(duì)而言較大，但是梁上軸力的絕對(duì)值普遍相對(duì)較小，通常在研究梁的彎曲變形時(shí)，往往主要考慮作用在梁上的橫向力的影響，作用在其上的軸向力，在數(shù)值不大的情況下對(duì)梁的影響可以忽略不計(jì)。

圖5 框架結(jié)構(gòu)軸力圖

圖6 中間一榀框架柱的最大軸力變化圖

圖7 中間一榀框架梁的最大軸力變化圖

3.1.2 框架彎矩分析

由計(jì)算結(jié)果可知中間一榀框架的彎矩絕對(duì)值最大，故仍然以中間一榀框架為研究對(duì)象，隧道開(kāi)挖前后，最大彎矩均出現(xiàn)在頂層和底層，并且各層的最大正負(fù)彎矩出現(xiàn)在各層柱的頂端和底端，同時(shí)所有柱子的反彎點(diǎn)都在樓層之間，為了更好地研究問(wèn)題，將梁柱的最大正負(fù)彎矩制成表格，由表3 可以看出，隧道開(kāi)挖前后左柱的彎矩變化率范圍為2%～9%，右柱的彎矩變化率范圍為-27%～-2%，而隧道開(kāi)挖前后中柱的彎矩值都很小，最大負(fù)彎矩為-13.8kN·m，最大正彎矩為9.7kN·m，雖然變化率比較大，但是整體數(shù)值很小，故隧道開(kāi)挖對(duì)于兩邊柱的影響要大于中柱。由表4 可以看出，隧道開(kāi)挖對(duì)左邊梁和右邊梁的彎矩影響差不多，左邊梁的彎矩變化率范圍為-140%～190%，右邊梁的彎矩變化率范圍為-182%～160%。對(duì)比分析表3 和表4，可以發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖對(duì)梁的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)柱的影響。

表3 中間一榀框架柱的最大正負(fù)彎矩變化表

表4 中間一榀框架梁的最大正負(fù)彎矩變化表

3.2 框架變形分析

開(kāi)挖完成后整體框架結(jié)構(gòu)的梁、柱變形如圖8 所示，部分柱子產(chǎn)生了沉降，部分柱子產(chǎn)生了隆起，框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不均勻沉降。結(jié)合建筑物與左右隧道的位置關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，位于隧道正上方的左右兩側(cè)框架變形量較大，右側(cè)靠右洞邊緣的位置變形最大，選取變形最大的一榀框架（右起第三榀）為研究對(duì)象，取各層柱頂節(jié)點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，得到其最大位移隨高度的變化曲線如圖9 所示，層間位移隨高度的變化曲線如圖10所示。

圖8 框架結(jié)構(gòu)變形圖

圖9 最大位移變化曲線

圖10 層間位移變化曲線

由曲線圖可見(jiàn)，最大位移隨高度的增加而增大，在頂層取得最大位移值為25mm，而第三層的層間位移值取得最大，為2.7mm，Δu/h=2.7/3000=1/1111，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）可知，框架結(jié)構(gòu)樓層層間位移與層高之比的限值為1/550，故未超過(guò)限值。

3.3 地表沉降分析

通過(guò)建模分析得到圍巖在初始地應(yīng)力和兩洞全部貫通時(shí)的位移，圖11 為兩洞全部貫通后圍巖在豎直向的位移云圖，由圖可知，隧道開(kāi)挖結(jié)束后，圍巖位移云圖出現(xiàn)明顯變化，地面及洞口周邊位移值均較大，最大豎向位移值達(dá)到40.554mm，實(shí)際的圍巖位移值為2.679mm，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）可知，地鐵隧道等重要建筑物的地面沉降允許范圍應(yīng)控制在10mm 以內(nèi)，故滿足規(guī)范要求。提取地表沉降觀測(cè)點(diǎn)1#、2#、3# 點(diǎn)開(kāi)挖后的位移值，與實(shí)測(cè)位移值對(duì)比并做成變化曲線，如圖12 所示。

圖11 豎向圍巖位移云圖（兩洞貫通）

圖12 地表沉降位移曲線

從圖12 可見(jiàn)，實(shí)測(cè)地表沉降曲線和數(shù)值模擬地表沉降曲線的變化趨勢(shì)基本相同，地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的時(shí)空規(guī)律，隨著掌子面的推移，地表點(diǎn)沉降隨時(shí)間變化曲線基本呈S 形規(guī)律。同一測(cè)點(diǎn)地表下沉實(shí)測(cè)位移值大于數(shù)值模擬值，1# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為3mm，數(shù)值模擬值為2.5mm；2# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為2mm，數(shù)值模擬值為1.8mm；3# 測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值為2.5mm，數(shù)值模擬值為2mm，這是因?yàn)樵跀?shù)值模擬時(shí)本文未考慮巖體節(jié)理裂隙、圍巖長(zhǎng)期蠕變的影響，以及對(duì)基礎(chǔ)及上部建筑物作了相關(guān)簡(jiǎn)化。

4 結(jié)論

本文對(duì)同茂隧道上覆9 層框架結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，綜合分析了隧道施工對(duì)上覆建筑物產(chǎn)生的影響，分析結(jié)果表明：

（1）結(jié)構(gòu)變形最大的部位總是對(duì)應(yīng)沉降較大樁基礎(chǔ)，即對(duì)應(yīng)隧洞的正上方；框架柱軸力最大變化率為30%，框架梁最大變化率為75%，隧道開(kāi)挖對(duì)梁軸力的影響偏大；最大彎矩出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層柱和底層柱，并且層最大正負(fù)彎矩出現(xiàn)在各層柱的頂端和底端，同時(shí)所有柱子的反彎點(diǎn)都在樓層之間；樓層最大位移隨高度的增加而增大，且在頂層取得最大值為25mm，第三層的層間位移值取得最大，為2.7mm。

（2）由于數(shù)值模擬中未考慮地層結(jié)構(gòu)和節(jié)理、裂隙發(fā)育情況以及圍巖長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)，對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響，故在以后的研究中應(yīng)盡量考慮地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)和圍巖長(zhǎng)期蠕變效應(yīng)。

（3）在后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步研究隧道埋深變化、開(kāi)挖進(jìn)程變化及開(kāi)挖順序等因素對(duì)上覆框架結(jié)構(gòu)的影響。