下穿長城淺埋隧道施工過程墻體穩定性分析

黃少凱,趙麗花（安陽師范學院人文管理學院,河南　安陽　455000）

下穿長城淺埋隧道施工過程墻體穩定性分析

黃少凱,趙麗花
（安陽師范學院人文管理學院,河南安陽455000）

大斷面淺埋隧道施工不可避免擾動土層，造成地表既有臨近建（構）筑物沉降、傾斜、開裂直至破壞，影響建（構）筑物的安全性和使用性，研究兩者的相互作用關系對降低隧道施工造成的環境影響具有重要意義。本文以秦皇島沿海公路下穿山海關長城的淺埋隧道工程為背景，分析了長城墻體在隧道施工過程中的破壞形式。采用數值模擬方法系統研究了隧道開挖過程中，長城沉降量和局部傾斜率的變化規律，并提出采用保護控制措施的必要性。

淺埋連拱隧道；下穿長城；動態施工

1　引言

在城市化、道路交通多元化的過程中，各種新建隧道穿越既有結構的情況不斷出現。本文以秦皇島沿海公路石河橋至冀遼界段穿越山海關長城的淺埋隧道工程施工為研究背景，分析隧道施工影響下古長城墻體的沉降、基礎局部傾斜率的變化規律，并據此預測分析隧道開挖影響下古長城墻體的變形情況。結果表明長城在沒有采取有效保護措施情況下受損嚴重。

2　工程概況

秦皇島沿海公路石河橋至冀遼界段全長7.567km，雙向四車道一級公路，設計速度為60km/h,在小灣村的北側與山海關長城交叉，此處距山海關老龍頭約1.5km。長城坡頂寬8-10m，坡腳寬20m左右，高8-10m，由于風蝕和雨蝕的長期作用，已經出現了風化和剝落，而且人為破壞痕跡比較明顯。基于對古長城的保護及受路線總體控制，采用大斷面連拱隧道施工。隧道洞頂覆蓋層厚度為8m，屬于淺埋隧道，要求開挖爆破振動量小，長城墻體沉降控制嚴格。

2.1 長城墻體破壞形式

淺埋大斷面隧道施工引起地表建筑物破壞的主要形式[2]有不均勻沉降損害、傾斜損害、水平變形損害等。一般情況下，地表的拉伸和正曲率的同時出現，導致建筑物的變形往往是幾種形式的綜合表現，其中以差異沉降引起的傾斜、曲率及水平變形對建筑物的損害更為明顯[3]，基于長城墻體將出現不同程度的沉陷、扭曲或開裂破壞，分析采取保護措施的必要性。

2.2 長城墻體變形檢測標準

參考有關規范，結合工程類比和有限元數值計算分析[4～5]，選取長城基礎的局部傾斜率和最大沉降量作為長城變形的控制指標，對模擬施工過程嚴格監控，當長城墻體的沉降量≥5.00mm，基礎局部傾斜率為≥5.0×10-4時即為破壞。

3　隧道施工過程模擬結果與分析

3.1 數值模擬建模

保護長城在隧道施工時免于破壞是秦皇島沿海公路勝利貫通的關鍵，為預測隧道開挖對長城墻體的影響及優化施工方案，應用Midas-GTS軟件進行數值模擬分析。

3.2 計算結果與分析

3.2.1長城沉降量分析

由于開挖步驟較多選取隧道進尺每2m監測一次，從兩側長城沉降結果曲線可以看出：長城沒有采取保護措施的情況下，長城墻體的沉降量在初期變化平緩穩步增加，在開挖到第12步時有了突然的下降趨勢；繼續施工作業過程中長城沉降量趨于線性變化在第23步時長城沉降量達到了5.06mm已經超過了破壞沉降量（≥5.00mm）；第28步后長城沉降量逐漸收斂，后期最大降量達到6.96mm。風化嚴重的古長城墻體已經遭到嚴重破壞，并且由于開挖順序的不同左右長城隨著施工進度沉降量也略微不同。

3.2.2長城基礎局部傾斜率分析

選取隧道開挖進尺每2m檢測一次，從兩側長城沉降結果曲線可以看出：隨著開挖進程，長城基礎的局部傾斜率變化量差距很大，長城沒有采取保護措施的情況下，左側長城基礎傾斜率達到1.26×10-3已經超過了破壞值（≥5.0×10-4），但是此時長城墻體處于承載力極限狀態，到12步開始變化趨勢明顯增加，此后長城墻體嚴重開裂，傾斜度繼續繼續增加，到28步時左側長城已經遭到嚴重破壞，長城墻體基礎部分斷裂，傾斜率增加量減小，繼續施工到最后兩側長城裂局部傾斜率趨于收斂，左側長城傾斜率到達最大值2.88×10-3。

3.2.3總結與分析

通過長城墻體力學效應分析可以看出長城沉降量及基礎局部傾斜率分析看出長城沒有采取保護措施的情況下，長城墻體最大沉降量達到6.96mm（≥3.00mm）遠大于沉降量忽略值最大值，局部最大傾斜率卻達到1.26×10-3（≥3×10-4），由此可知長城沒有采取保護措施的情況下長城墻體最大沉降量和基礎局部傾斜率控制指標均超過了限值，長城出現了整體或局部的損壞，因此本工程項目在施工期間必須對長城墻體周邊進行必要的保護措施，以保證古長城的安全性。

4　結論

（1）隧道施工造成長城墻體破壞的原因主要是長城墻體沉降量超過規范值（≥5.00mm）及墻體基礎的局部傾斜率的增大（≥5.0×10-4）對長城的損害。采取長城沉降量和局部傾斜率作為隧道開挖引起建筑物變形的主要控制標準具有目標明確、可操作性強等優點。

（2）隧道開挖從第12步與第18步之間的施工期間是對地表長城的沉降量和局部傾斜率影響的最大階段，同時距隧道開挖中線兩側兩倍單線隧道跨度以內的長城沉降變形和局部傾斜率對隧道開挖更為敏感。

（3）隨隧道施工進程，地表沉降量加劇，長城和周圍土體之間變形不再協調，甚至滑移、脫空分離，古長城易出現整體傾斜下沉，這是造成長城基礎局部傾斜產生惡化的主要原因。另外，長城局部傾斜率與施工進度密不可分，與長城沉降量和地表沉降的變化發展過程類似。

[1]周玉，宋宏偉.城市隧道建設對房屋穩定性影響三維數值分析[J].地下空間與工程學報，2011，7(01):4-48.

[2]時亞昕，陶德敬，王明年.大斷面淺埋暗挖隧道施工引起的地表移動及變形預測[J].巖土力學，2008，29(02):465-474.

[3]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥:安徽教育出版社，2004.

[4]中華人民共和國建設部.GB50007-2012建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[5]雷永生.西安地鐵二號線下穿城墻及鐘樓保護措施研究[J].巖土力學，2010,31(01)：223-236.