谷 鴻 飛

(福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州 350108)

諸多學(xué)者[13-15]研究隧道近接施工對(duì)既有建筑物的影響且研究工作富有成效。但據(jù)筆者所知，建筑物施工對(duì)既有隧道影響的研究和工程實(shí)例則較為少見。本文以實(shí)際工程依托，分析新建建筑物產(chǎn)生的附加地基靜力荷載對(duì)既有下伏隧道的圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性的影響。

1 工程概況

1.1 工程場址概況

該工程占地面積為13 424.5 m2，總建筑面積為54 035 m2。該場地地貌為剝蝕殘山地貌，部分山體可見裸露基巖。地層條件依次為坡積粉質(zhì)黏土，厚0.4 m～3.5 m；花崗巖及其風(fēng)化殼，厚0.6 m～2.7 m。全風(fēng)化巖石結(jié)構(gòu)疏松，節(jié)理發(fā)育，中、細(xì)?；◢弾r風(fēng)化物的顆粒較細(xì)，孔隙較小，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。

1.2 既有下伏隧道概況

該隧道為分離式雙向六車道隧道，長1 570 m。隧道設(shè)計(jì)橫斷面為三心圓曲墻式斷面，隧道凈寬為15.05 m。隧道場地地貌屬丘陵地貌，地形呈現(xiàn)為起伏的波狀，隧道選址線路從東至西穿越丘陵區(qū)，自然斜坡穩(wěn)定，地質(zhì)條件總體較優(yōu)。在隧道施工過程中曾已下穿既有建筑物，未發(fā)生安全問題。

1.3 工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系

該工程場址綜合樓學(xué)生公寓樓大部分位于既有下伏隧道順出口方向右上方，大體沿隧道軸線方向延伸，具體位置關(guān)系見圖1。

圖1 工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料以及圖1，將該工程場址與既有下伏隧道位置關(guān)系分為三種工況：

(1) 工況1：該工程場址地表新建27#綜合樓與既有下伏隧道車行橫洞和緊急停車帶段，該段隧道圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，隧道最小埋深約37 m，主洞襯砌形式為Z7型復(fù)合支護(hù)(如圖2所示)，車行橫洞襯砌形式為Z8型復(fù)合支護(hù)(如圖3所示)。

圖2 Z7型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

圖3 Z8型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

(2) 工況2：選取地表31#行政樓與既有下伏隧道主洞段，該段隧道圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，埋深約63 m，襯砌形式為Z2型復(fù)合支護(hù)(如圖4所示)。

圖4 Z2型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

(3) 工況3：選取新區(qū)27#綜合樓與既有下伏隧道主洞段，該段隧道圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，最小埋深約37 m，主洞襯砌形式為Z3型復(fù)合支護(hù)(如圖5所示)。

PISA2012的題型分為開放式構(gòu)答(open-constructed-response)、封閉式構(gòu)答(closed constructed-response)和選擇題/多項(xiàng)選擇題(selected-response/multiple-choice)[1]三種形式.其中開放式構(gòu)答指需要學(xué)生有一些擴(kuò)展性的回答的題目，比如學(xué)生需要寫下步驟或者解釋如何得到答案；封閉式構(gòu)答指提供結(jié)構(gòu)化設(shè)置的題目，學(xué)生容易判斷正確與否，比如要求生處理的數(shù)據(jù)是出題者設(shè)置的簡單數(shù)據(jù)；選擇題值提供了一個(gè)或多個(gè)選項(xiàng)供學(xué)生選擇的題目.據(jù)此對(duì)兩份測(cè)試卷進(jìn)行分類(見表5)：

圖5 Z3型復(fù)合支護(hù)構(gòu)造(單位:cm)

2 數(shù)值模型建立

MIDAS/GTS內(nèi)含巖土及隧道專用程序，具有12種本構(gòu)關(guān)系模型和用戶自定義本構(gòu)關(guān)系功能，還為用戶提供了各種結(jié)構(gòu)單元來模擬結(jié)構(gòu)部分的作用。該軟件的動(dòng)力分析模塊，具有簡潔的界面、前后處理功能強(qiáng)大，采用時(shí)程分析法，能滿足大部分巖土體的動(dòng)態(tài)破壞模式，且計(jì)算結(jié)果相當(dāng)安全。

根據(jù)靜力分析原理和隧道相關(guān)設(shè)計(jì)資料，采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行靜力分析，基于MIDAS/GTS有限元數(shù)值軟件平臺(tái)模擬隧道開挖、支護(hù)及地表施加建筑荷載的過程。在MIDAS/GTS平臺(tái)上引入荷載釋放系數(shù)來模擬隧道開挖過程中洞周初始應(yīng)力在空間及時(shí)間上的作用效應(yīng)。考慮到既有下伏隧道跨徑較大，在規(guī)范[16]規(guī)定的基礎(chǔ)上，對(duì)Ⅱ級(jí)圍巖主洞段，二次襯砌的開挖釋放荷載分擔(dān)比取為10%，緊急停車帶段取為15%；Ⅲ級(jí)圍巖主洞段，二次襯砌的開挖釋放荷載分擔(dān)比取為15%。

2.1 車行橫洞和緊急停車帶地段數(shù)值模型

工況1：基于MIDAS/GTS有限元軟件建立三維有限元模型，如圖6所示。模型共劃分6 305節(jié)點(diǎn)，36 159個(gè)單元，將隧道初期支護(hù)模擬為三角形板單元。在地表施加了面荷載以模擬地表建筑施工后的附加荷載，荷載強(qiáng)度為120 kPa，施加面積為2 571 m2。

2.2 Ⅱ級(jí)圍巖主洞段數(shù)值模型

工況2：基于二維平面應(yīng)變?cè)斫⒂邢拊獢?shù)值模型，圍巖模擬為實(shí)體單元，初支與二襯采用二維梁單元模擬，建立如圖7所示的計(jì)算模型。地表施加均布荷載以模擬地表建筑施工后的地基附加靜力荷載，荷載強(qiáng)度為120 kPa。

圖6 工況1三維有限元模型等軸測(cè)視

圖7 工況2有限元模型

2.3 Ⅲ級(jí)圍巖主洞段數(shù)值模型

同樣地，亦建立工況3下的二維平面應(yīng)變有限元數(shù)值模型，以實(shí)體單元模擬圍巖，以二維梁單元模擬初支及二襯，其計(jì)算模型如圖8所示。同樣在地表施加強(qiáng)度為120 kPa的均布荷載以模擬地表建筑施工后的地基附加靜力荷載。

圖8 工況3有限元模型

2.4 模型參數(shù)選取

根據(jù)隧道相關(guān)設(shè)計(jì)資料及規(guī)范[16]推薦的圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)，選定計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.5 模型邊界條件設(shè)置

以上三種工況的模型中，將地表邊界條件均設(shè)置為自由邊界，而在其余各邊界面添加法向位移約束。

表1 計(jì)算材料力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

在MIDAS/GTS數(shù)值軟件平臺(tái)模擬隧道開挖、支護(hù)及地表施加建筑荷載的過程，并得到豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)以分析新建建筑物的地基附加靜力荷載對(duì)既有下伏隧道的影響。

3.1 車行橫洞和緊急停車帶地段

工況1下地表施加地基附加靜力荷載前后的豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)的數(shù)值分析結(jié)果如圖9—圖13所示。

圖9 加荷后圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖10 工況1地表加載前豎向位移云圖

由圖9—圖13結(jié)果分析可知，地表施加荷載后，圍巖應(yīng)力分布仍然處于彈性狀態(tài)分布，其最大主拉應(yīng)力值僅為0.68 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。左右洞拱頂下沉增加極小，因附加荷載主要位于右洞上方，因此右洞位移增量略大于左洞；二襯最大主拉應(yīng)力最小主壓應(yīng)力分別為0.14 MPa、0.91 MPa，二者均遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度。故新建建筑物地基附加靜力荷載對(duì)既有下伏隧道Ⅱ級(jí)圍巖車行橫洞和緊急停車帶段的影響甚微，不影響該段正常使用。

圖11 工況1地表加載后豎向位移云圖

圖12 工況1二襯最大主應(yīng)力云圖

圖13 工況1二襯最小主應(yīng)力云圖

3.2 Ⅱ級(jí)圍巖主洞段

工況2下地表施加地基附加靜力荷載前后的豎向位移幾乎不變，故不作分析。其二襯內(nèi)力數(shù)值分析結(jié)果如圖14—圖16所示。

圖14 工況2圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖15 工況2二襯軸力云圖

圖16 工況2二襯彎矩云圖

圍巖在地表加載后仍處于彈性狀態(tài)，最大拉應(yīng)力值僅為0.7 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)?；贛IDAS/GTS軟件的梁單元設(shè)計(jì)模塊驗(yàn)算二襯軸力和彎矩，所有單元安全系數(shù)均大于2.4。故對(duì)于Ⅱ級(jí)圍巖主洞段，新建建筑物地基附加靜力荷載不影響隧道正常運(yùn)營。

3.3 Ⅲ級(jí)圍巖主洞段

同工況1，工況3下的豎向位移、二襯內(nèi)力等指標(biāo)的數(shù)值分析結(jié)果如圖17—圖21所示。

圖17 工況3圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖18 工況3地表加載前豎向位移云圖

圖19 工況3地表加載后豎向位移云圖

圖20 工況3二襯軸力云圖

圖21 工況3二襯彎矩云圖

從圖17—圖21可知，地表加載后的圍巖應(yīng)力分布依然處于彈性分布狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力值僅為0.31 MPa，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；拱頂下沉由2 mm增加至3 mm；驗(yàn)算二襯的軸力和彎矩，其安全系數(shù)均大于2.4。故新建建筑物地基附加靜力荷載不影響Ⅲ級(jí)圍巖主洞段隧道正常運(yùn)營。

4 結(jié) 論

本文采用MIDAS/GTS軟件模擬研究新建建筑物地基附加靜力荷載對(duì)既有下伏隧道的圍巖穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 在數(shù)值分析中假設(shè)隧道圍巖為連續(xù)的均質(zhì)體，且圍巖、初支和二襯緊密相連，但既有下伏隧道受新建建筑物影響段的圍巖條件較好，故此假設(shè)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

(2) 新建建筑物對(duì)既有下伏隧道將產(chǎn)生附加靜力荷載。數(shù)值模擬結(jié)果表明：地表加載后，圍巖仍處于彈性狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力值很小，洞周圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，新建建筑物對(duì)既有下伏隧道影響甚微，可忽略不計(jì)。

(3) 本文三種工況下，新建建筑物的地基附加靜力荷載對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖主洞段工況的影響較其他兩種工況大，故在類似工程研究中，建議將低等級(jí)隧道段圍巖視為最危險(xiǎn)斷面，重點(diǎn)考慮低等級(jí)圍巖段的應(yīng)力、位移變化，以保證良好的結(jié)構(gòu)相存性和施工安全性。