隧道與上部建筑物相互作用及穩定性分析

林彬婧

隧道開挖和基坑開挖等是城市建設過程中大量存在的工程活動，其中越來越多的工程位于既有鐵路隧道之上或兩側。這些鄰近開挖必然會引起隧道不均勻沉降，對隧道結構安全和正常運營產生嚴重威脅。為了保證既有隧道的正常運營，在工程建設過程中對施工引起的變形影響要求是極其嚴格的。因此，分析和控制基坑開挖對鄰近鐵路隧道的影響已成為緊鄰既有鐵路的基坑工程建設的主要問題。本文以緊鄰渝懷人和場隧道的某房地產基坑為研究背景，對基坑工程施工對鐵路隧道的影響進行分析，探討基坑開挖對緊鄰鐵路隧道影響的控制措施[1，2]。

1 項目概況

重慶某房地產開發有限公司擬在重慶市人和興建住宅小區。擬建場地位于重慶市北部新區黃山大道北側，雪松路與胡楊路之間，屬人和片區。場地用地呈梯形，長邊約197 m，短邊分別長約157 m和143 m，規劃總用地面積約32 521 m2。擬建小區下方為渝懷鐵路人和場隧道，其進口里程:DK12+850，出口里程:DK17+584，隧道全長 4 734 m，隧道為單線鐵路隧道。采用 C20耐腐蝕混凝土Ⅴ級復合式襯砌。

擬建小區場地范圍主要分布的巖性以中等風化泥巖為主，其巖性為紫紅色。由黏土礦物組成，局部砂質含量較高。泥質結構，中厚層狀結構。強風化帶網狀風化裂隙發育，巖質較軟，巖芯破碎，呈碎塊狀或土狀，揭露厚度為1.10 m～2.20 m;中等風化帶巖體完整，巖芯呈長柱狀。該層分布于整個場地，為場地主要巖層。

因擬建小區建筑物局部位于渝懷鐵路人和場隧道的保護控制線范圍(隧道與擬建小區位置關系如圖1所示)，為了確保擬建建筑物和既有的隧道穩定、安全，采用地層結構法和荷載結構法進行綜合分析與評價。

2 擬建小區對隧道影響的安全分析

2.1 渝懷鐵路人和場隧道數值分析

本次計算采用有限元分析軟件進行三維數值模擬分析。計算根據隧道施工竣工圖以及擬建建筑的基礎荷載和布置形式建立三維實體單元模型進行模擬[3-7]，其模型如圖2所示。

針對既有隧道和擬建小區的修建順序，分別模擬隧道原始狀態以及修建建筑物后的狀態，并將兩種狀態下的變形進行對比，得出建筑物修建對隧道的影響。

根據上述的計算過程，分別計算兩種狀態:1)人和場隧道自身的變形情況;2)地基開挖后，建筑物施工過程中，人和場隧道位移變化情況。這兩個計算狀態下的位移結果見圖3，圖4及表1。

根據有限元計算結果，對兩種狀態下的隧道豎向位移進行對比。

從表1計算結果中可以看出，隧道在開挖的原始狀態下各個部分的位移均較小。在房屋建設完成后，由于房屋對隧道的加載作用，造成拱頂向上拱起。而隧道其他位置的位移有明顯的增大，增量在0.8 mm～2.5 mm之間，由此看出，房屋基礎的修建會對隧道產生一定的影響。

表1 不同計算狀態豎向位移結果 mm

2.2 渝懷鐵路人和場隧道結構內力分析

本次內力計算選取DK15+650作為驗算截面，計算時考慮樁基對隧道的加載作用。隧道內力計算主要分析隧道襯砌結構在房屋建成前、后結構內力情況。

考慮到渝懷鐵路人和場隧道地表建筑物樁基礎密集，且荷載較大，為了確保隧道的安全，建議將高層的樁基進行加深。

1)隧道原始內力狀態見表2。

表2 原始狀態新人和場襯砌強度計算

2)施加樁基荷載后隧道內力狀態見表3。

表3 施加基礎荷載后新人和場襯砌強度計算

通過對表2，表3進行對比可以看出，采用加深樁基深度進行施工，隧道拱頂彎矩減小，安全系數提高，而墻腰、墻腳和仰拱的安全系數不同程度有所降低，但基本能夠保證隧道襯砌結構滿足承載能力要求和正常使用要求。

3 結語

1)對隧道變形圖分析表明，由于擬建小區的基底距渝懷鐵路人和場隧道的距離較近，基礎的施工會對隧道產生一定影響;2)通過對擬建小區房屋修建后的隧道結構內力計算分析表明，由于擬建小區樁基的加載，隧道安全系數顯著降低，部分截面不能滿足承載力要求，為了保證隧道的安全，必須對樁基進行加深處理。

[1] 張治國.鄰近開挖對既有軟土隧道的影響[J].巖土力學，2009，30(5):1374-1380.

[2] 宋強輝.城市地下輕軌隧道與上部建筑物相互作用及穩定性實例分析[J].巖土力學，2007(28):423-429.

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[4] 王桂林.復雜淺埋隧洞高層建筑地基安全性評價[J].地下空間 ，2004 ，24(2):265-267.

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[6] 張永興.高層建筑巖石洞室地基穩定性分析方法與應用[J].工程力學 ，2007 ，24(2):110-119.

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