緊鄰重要結構物隧道施工力學分析與控制技術

王 猛 張艷艷

(1.北車建設工程有限責任公司，北京 100078； 2.重慶隧源建筑勞務有限公司，重慶 400000)

緊鄰重要結構物隧道施工力學分析與控制技術

王 猛1張艷艷2

(1.北車建設工程有限責任公司，北京 100078； 2.重慶隧源建筑勞務有限公司，重慶 400000)

以重慶軌道交通三號線華新街至觀音橋區間隧道工程為背景，利用ANSYS有限元軟件對隧道開挖時產生的影響進行了力學模擬，重點分析了地面建筑密集地段隧道雙側壁導坑法施工的穩定性，并以隧道施工安全為目標、控制沉降為基本條件，分析了開挖中產生應力、位移的原因，據此提出了安全的施工控制措施。

軌道交通，隧道開挖，力學分析，有限元分析

0 引言

城市土地資源日趨緊張，發展地下空間成為人類在地球上生活的第二空間[1]。城市軌道交通多數位于繁華地段，對隧道建設提出了更高要求，處理不當將造成土體不均勻沉降，從而引發隧道安全隱患，以及建筑結構的變形甚至破壞。施工中處理好隧道開挖與緊鄰結構物的關系成為研究的重點。許多文獻中以建筑物安全為目標，充分研究施工對建筑物基礎沉降、結構內力的大小[2，3]。因隧道下穿施工引起結構物的局部傾斜是影響其安全和穩定的主要因素，按國家規定傾斜率3/1 000為最大局部傾斜值[4]。而地表構筑物與地下隧道施工之間會產生彼此相互影響，地表構筑物地基對地表上部荷載的傳遞是向下逐漸擴散的[5]。鑒于緊鄰結構物的隧道施工由于圍巖及覆蓋結構物的不同，而產生應力的不確定性，很多研究都只是針對自己實際面對的模型進行的數值模擬研究[6-10]，結論也不一而終。

本文將上部結構物換算為等效荷載施加在基礎上，并且著重考慮施工工法在隧道施工中的穩定性以及對結構物基礎的沉降分析。

1 工程概況

重慶軌道交通三號線華新街—觀音橋區間隧道共長929.407 m，其中隧道臨近終點段位于觀音橋步行街下穿道西側，緊鄰黃金海岸，周邊主要有愛爾眼科醫院、405車站以及觀音橋商業步行街多家商場，交通及人流量十分大，管線星羅密布，隧道開挖輪廓線距黃金海岸商鋪地下室僅0.7 m；隧道拱頂給水管、排水管、燃氣管、光纜等各種管線密布，并且老化陳舊，部分管線位于隧道開挖輪廓線2 m范圍內；區間地質條件較差，該段隧道長約45 m，斷面寬11.9 m，高10.95 m，埋深5 m，暗挖法施工，采用雙側壁導坑法開挖。

隧道與周邊結構物的關系如圖1所示。

2 力學分析

力學分析采用ANSYS大型有限元分析軟件，在計算中做如下假設：

1)使用二維平面應變模型進行數值模擬；

2)在計算范圍內的圍巖為均勻的土層；

3)將隧道頂部施加豎向附加應力等效為上部結構物。

2.1 計算條件

1)橫向計算范圍：隧道開挖左右邊線外各取75 m；

2)豎向計算范圍：隧道拱部及底部開挖邊線外各取15 m；

3)約束條件：底部加豎向約束，左右各加水平約束；

4)計算中材料的物理力學參數見表1。

表1 材料的物理力學參數

2.2 計算結果

1)應力計算結果。

各開挖步驟圍巖的應力場。開挖第一部分的應力場，如圖2a)所示；開挖第二部分的應力場，如圖2b)所示；開挖第三部分的應力場，如圖2c)所示；開挖第四部分的應力場，如圖2d)所示。

2)位移計算結果。

關鍵點位移。拱頂豎向位移變化曲線，如圖3a)所示；拱底豎向位移變化曲線，如圖3b)所示；左側邊墻中點水平位移變化曲線，如圖3c)所示；右側邊墻中點水平位移變化曲線，如圖3d)所示。

2.3 計算結果分析

1)圍巖主應力場分析。

從施工過程中各開挖步中圍巖的第一和第三主應力圖我們可以看出，圍巖在整個過程中承受的最大壓應力為5.33 MPa，它小于Ⅴ級圍巖的抗壓強度。在中隔壁支撐的圍巖處出現了很大的拉應力，最大達到2.69 MPa，在圍巖的抗拉強度以內，其處于安全狀態。

2)位移變化分析。

拱頂在初始自重場中的沉降量為1.405 cm，到二襯施作完畢后沉降量為1.445 cm，在整個施工過程中共下沉0.04 cm；拱底在整個施工過程中上升了0.25 cm；拱墻左側邊緣點在整個施工過程中向右偏移了0.03 cm；拱墻右側邊緣點在整個施工過程中向左偏移了0.04 cm。

3 施工控制措施

根據本工程緊鄰重要結構物的顯著特點及以上力學分析，在施工中提出以下施工控制措施：

1)WSS超前預注漿。

在隧道進行開挖之前，通過采用WSS超前預注漿技術，對掌子面前方開挖輪廓線2 m范圍以內的土體進行全斷面預加固，注漿孔進行全斷面(回填土范圍)布置，掌子面間距為1 000 mm(根據土層情況及注漿效果可采取動態調整)，周邊孔間距為400 mm，外插角確保開挖輪廓線外固結圈不小于2 m，每6 m施作一循環，鉆孔深8 m，搭接2 m。

2)開挖及支護。

按雙側壁導坑法施工，隧道分成四個部分開挖，各部分開挖施工間隔為3 m～4 m，每次開挖進尺為一榀拱架間距，嚴禁多榀一次開挖。拱部支護采用φ51超前自進式錨桿，錨桿長L=5 000 mm、環向間距為300 mm、縱向為1.5 m，錨桿施工完畢后應立即注漿。

3)緊鄰結構物的保護。

加強施工過程中對緊鄰結構物的監控量測，加大對擋墻基礎注漿加固，嚴格控制緊鄰結構物、人行通道、擋墻及路面的下沉，確保隧道自身及周邊結構物的安全。

4 結語

1)通過力學分析表明，本工程隧道采用雙側壁導坑法開挖是可行的；數值分析施工過程中拱頂及其他關鍵點的變形量都比較小，隧道處于穩定狀態；同時，在拱頂處初襯可能會出現小范圍的開裂，施工中應加以注意，采取應對措施加以控制。

2)在緊鄰結構物的淺埋暗挖地段進行隧道施工中，本工程提出了WSS超前預注漿、控制進尺、加強監測、嚴控變形等等施工控制措施來確保在施工過程中隧道自身以及周邊結構物的安全穩定。

[1] 王夢恕.中國鐵路、隧道與地下空間發展概況[J].隧道建設，2010，30(4)：351-364.

[2] 姜忻良，賈 勇，趙保建，等.地鐵隧道施工對鄰近建筑物影響的研究[J].巖石力學，2008，29(11):3047-3052.

[3] 王志剛.地鐵施工對某飯店裙樓結構穩定性影響分析[J].隧道建設，2010，30(4)：420-422.

[4] GB 50068—2001，建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[5] 許 江，顧義磊，康驥鳴.隧道與地表構筑物相互影響的研究[J].巖土力學，2005，26(6)：889-892.

[6] 于 寧，朱合華.盾構施工仿真及其相鄰影響的數值分析[J].巖土力學，2004，25(2)：292-296.

[7] 卿偉宸，廖紅建，錢春宇.地下隧道施工對相鄰建筑物及地表沉降的影響[J].地下空間與工程學報，2005，1(6)：960-963.

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[9] 劉江峰，漆泰岳，吳占瑞.盾構下穿密集房屋群誘發地表沉降及建筑物變形的影響研究[J].公路隧道，2009，67(3):36-39.

[10] 李 強，王明年，李德才，等.地鐵車站暗挖隧道施工對既有樁基的影響[J].巖石力學與工程學報，2006，25(1)：184-190.

Mechanical analysis and control technology of tunnel construction near important structures

Wang Meng1Zhang Yanyan2

(1.BeicheConstructionEngineeringCo.,Ltd,Beijing100078,China;2.ChongqingSuiyuanBuildingandLaborServiceCo.,Ltd,Chongqing400000,China)

Taking the tunnel engineering of Huaxin street-Guanyin bridge of Chongqing rail transit No.3 line as an example, the paper carries out mechanical simulation of tunnel excavation impact with ANSYS finite software, analyzes construction stability of double-side-drift method at crowded buildings section, takes tunnel construction safety as target and subsidence control as basic conditions, analyzes excavation stress and displacing causes, and finally puts forward construction safety controlling measures.

rail transit, tunnel excavation, mechanical analysis, finite element analysis

2014-12-19

王 猛(1979- )，男，碩士，工程師； 張艷艷(1986- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)06-0157-03

U455

A