隧道工程施工地表變形對既有建筑物影響及對策研究

李玉富

(福建泉州勘測設計院有限公司 福建泉州 362012)

隧道在施工過程中，將不可避免地會產生地表變形，當地表變形達到一定程度時，則會對地表既有建筑物產生一定程度的損害。因此，為了研究和掌握東海隧道施工引起的地表變形是否會對地表既有建筑物發生損害或發生損害程度，應對施工地表變形對既有建筑物安全性的影響進行科學分析和評價。本文以東海隧道為例，從建筑物沉降、傾斜、結構應力三個方面探討隧道工程施工地表變形對既有建筑物影響。

1 工程概況

東海隧道工程屬典型的城市隧道工程，線路起點位于云山村北側，下穿國公爺山，從黎明大學北側操場、寶珊花園下穿過，通過寶秀小區，終點止于既有東海大街。項目全長約 4.2km，其中隧道全長約2.2km，設計采用雙洞方案，按雙向四車道城市 I級主干道標準進行建設，設計行車速度為60km/h。東海隧道作為一個典型的城市隧道工程，應具有城市隧道工程修建的共性要求，即與山嶺隧道相比，城市隧道修建更要注重對周圍環境的影響問題，也就是說周圍環境將會對城市隧道修建起到一定程度的制約作用。隧道平面布置示意圖如(圖1)。

圖1 東海隧道工程平面布置示意圖

2 既有建筑物影響對工程施工影響分析

在東海隧道工程修建過程中，主要存在著如下工程難點問題:隧道沿線地表既有建筑物分布密集，對施工引起的爆破振動、地表沉降等控制要求高，施工難度大。

東海隧道沿線地表既有建筑物主要包括寶珊花園別墅區、寶秀小區、廠房及辦公樓等，據現場實地調查統計結果可知，處于隧道施工影響范圍內的主要既有建筑物數量多達29座，具體如(表1)所示。

表1 泉州東海隧道地表沿線建(構)筑物調查統計表

從上表可知，既有建筑物距隧道距離最小在10m以內，因此，隧道施工所引起的爆破振動、地表沉降等必將會對建筑物結構安全及其建筑物內人員的正常生活造成一定程度的影響，為確保建筑物結構安全，盡量減少對建筑物內人員正常生活的干擾，施工中必須對爆破振動、地表沉降等進行嚴格控制，從而增加了施工難度。

3 建筑物結構安全地表變形控制指標

建立建筑物結構安全地表變形控制基準，其前提必須建立合適的地表變形控制指標。實際上，隧道施工引起的地表沉降和變形對建筑物的影響因素有很多[1]。除地層特征以外，建筑物遭受損害的程度與建筑物的基礎與結構型式、建筑物所處的位置，以及地表的變形性質和大小有關，若全部將其作為地表變形控制指標，現場操作十分不便，研究也不易實現[2]。因此，研究中重點以地表變形中對建筑物損害程度最大的因素作為其變形控制指標。

隧道開挖施工引起的對于地表以及建筑設施的損害可以分為直接開挖損害和間接開挖損害兩種情況。位于主要影響范圍內的對象(建筑物、管線、道路等)所受的損害稱為直接開挖損害;但是在個別情況下，在主要影響范圍以外比較遠的地方，也可發現開挖影響的存在，這種影響也與隧道開挖施工有關，稱為間接開挖損害，如開挖引起的大范圍的地下水的變化對環境的影響等[3]。因此，本文主要選用地表沉降損害、地表傾斜損害、結構應力三個控制指標。

4 施工地表變形對既有建筑物結構安全影響數值模擬分析

為了進一步了解和掌握東海隧道整個施工過程引起的地表變形對既有建筑物結構安全性影響，采用數值模擬方法進行了細致研究和分析。計算過程中，以靜力分析為主，未考慮爆破開挖的動力效應影響。

4.1 建筑物沉降及傾斜計算結果及分析

為了掌握整個施工過程地表建筑物沉降及傾斜情況，計算中共選取了10個階段工況進行詳細說明，各階段工況說明如(表2)所示。

表2 數值模擬計算工況說明

以工況1為例，對其施工階段工況計算結果如下:

從(圖2)可以看出，工況1時，施工所引起的地表沉降橫向范圍約為40m，但沉降值微小，此時建筑物發生的最大沉降量約為0.128mm。

采取同樣分析方法，將各施工工況1-10計算結果進行匯總，具體如(表3)所示。

圖2 工況1計算結果

表3 各施工工況計算結果匯總

從(表3)計算結果可知，東海隧道施工引起的最大建筑物沉降值約為0.377mm，最大建筑物傾斜率約為0.0054×10-3，由東海隧道建筑物結構安全變形控制標準可知，上述數值均遠小于相應控制標準值，說明施工地表變形不會對建筑物結構產生破壞，建筑物結構是安全的。

4.2 建筑物結構應力計算結果及分析

為了掌握整個施工過程地表建筑物結構應力變化情況，計算中還對各施工階段建筑物結構內力結果進行了分析和評價，將各計算工況結果進行匯總，如(表4)。

表4 各施工工況計算結果匯總

從(表4)計算結果可知，隧道在施工過程中，所引起的建筑物最大拉應力值約為0.3MPa，遠小于其材料本身(C25混凝土)的抗拉設計強度值1.27MPa，說明施工引起的建筑物結構應力能夠滿足安全要求，建筑物結構是安全的。

同時，為了掌握施工地表變形對建筑物結構安全性影響，現場進行了實地測量工作，測量時對施工地表沉降變形進行了測取，其數據可為評價建筑物結構安全提供有力的佐證[4-5]。為了與上述數值模擬計算結果進行對比，現將建筑物附近所測取的地表沉降結果表述如(圖3)所示。

圖3 建筑物附近地表沉降監測斷面測試結果

從(圖3)可以看出，3號建筑物附近最大累計地表沉降值為1.13mm，發生在距隧道左側約10m位置處，數值較小，不會對建筑物結構安全產生不利影響。

5 小結

綜上，本文以東海隧道為例，通過理論分析、數值模擬、現場實測等綜合研究手段，確定了隧道地表建筑物結構安全控制標準，并給出了相應的建筑物結構安全控制措施，其成果可直接用于指導施工作業，有效地確保隧道地表建筑物結構安全，避免了工程經濟賠償糾紛現象發生。當然，由于能力有限，一些問題需要在以后的工作中深入完善。

[1]李偉平，吳德興，郭霄等.寧波甬江沉管隧道大修設計與施工[J].現代隧道技術.2011(01).

[2]周春華，尹健民，丁秀麗等.秦嶺深埋引水隧洞地應力綜合測量及區域應力場分布規律研究[J].巖石力學與工程學報.2012(S1).

[3]李兆平，聶楠，楊成永等.礦山法地鐵隧道二襯結構安全系數及可靠度計算方法研究[J].北京交通大學學報.2011(01)

[4]宋浩然，張頂立，譚光宗.大連灣海底隧道風險評估及對策研究[J].北京交通大學學報.2013(04).

[5]鄭新定，王紅衛，周健.考慮人為因素的盾構隧道風險分析和控制模型研究[J].隧道建設.2013(09).