新建建筑物荷載對既有隧道沉降影響規律數值模擬分析

彭嬋媛 王海龍* 張朋天 張清利

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；2.北旺集團有限公司，河北 承德 067000)

0 引 言

隨著我國經濟建設和城市化進程的不斷發展，越來越多的城市建筑正在緊鑼密鼓的修建，大多數城市建筑在地鐵線路周圍施工，對地鐵隧道的安全運營造成不同程度的影響.建筑物的施工會產生復雜的卸荷和加載作用，改變鄰近隧道周圍土體的應力場和位移場，導致隧道產生變形，如果隧道變形超過安全限值，結構發生破壞，將會威脅地鐵的正常運營與安全[1].因此，研究建筑荷載施加過程對既有隧道的沉降變形影響是非常有必要的.

姜兆華[2]采用理論分析、模型試驗和數值模擬等方法針對基坑開挖時鄰近隧道的力學響應規律進行了較為深入的研究，得到了隧道彎矩、土壓力及內徑的變化規律，并且提出了求解隧道水平與豎向的縱向位移和內力的計算方法.張波[3]研究了城市隧道臺階法施工時地表及近地表上層建筑物的相互作用，以及車輛以不同速度行駛時，開挖隧道斷面與地層表面的變形.分析隧道、地表及建筑物間的相互作用機理，進而在隧道施工與受影響因素之間建立聯系.康寅[4]分析了隧道覆巖在外荷載作用下的“活化”機理和隧道覆巖穩定性判別方法，結合隧道自身特性，優化《巖土工程手冊》中小窯采空區地基穩定性判別公式，得出判斷建筑物荷載下隧道覆巖穩定性的公式.王臣[5]分析了基坑開挖對隧道的影響，結果表明伴隨著基坑的開挖，隧道發生了向建筑基坑一側的位移且越靠近基坑一側的水平位移越大；同時也展開了新建高層建筑加載對鄰近已有隧道的研究，在建筑加載這一施工階段，隧道位移場的影響主要以隧道沉降為主，隧道的水平位移變化相對較小.戴宏偉等[6]采用有限差分方法，通過改變隧道埋深、隧道孔徑以及不同的地層參數對隧道的位移變形和內力進行了分析.研究結果表明：新建建筑物的施工加載對隧道的影響較大.

本文運用有限差分軟件，建立三維數值模型，得到在不同建筑荷載、建筑荷載距隧道中心線的不同水平距離以及不同埋深下，隧道拱頂、地表以及地層的沉降規律.

1 數值模型建立

本文以石家莊某地鐵工程為背景，地上交通較為便捷，通行量較大.地鐵沿線局部舊建筑物未拆除，地下管線較為復雜.項目沿線地層主要由第四世紀沖洪積相堆積組成，沉積韻律明顯，層位較穩定.根據鉆探揭露及室內土工試驗結果可劃分為10個大的工程地質單元層.巖土計算參數取值見表1.

表1 地層分布參數表

圖1 模型網格單元劃分圖

本文運用有限差分三維軟件FLAC3D進行數值模擬計算.根據隧道開挖的影響范圍，查閱大量的資料文獻，選取的模型大小為100m(長)×100m(寬)×50m(高)，為了建模較為便捷，將十層不同的地層，采用加權平均的計算方法將地層簡化為一層.模型中的巖土材料類型選用摩爾-庫倫屈服準則和彈塑性材料本構關系，隧道混凝土注漿和襯砌采用線彈性本構模型，由于在本文地質資料中，地下水文地質情況較為簡單，因此忽略地下水對模型的影響.模型的邊界條件是在Z=13m處模擬地表，所以不施加邊界條件，為自由約束；在Z=-37m、X=50m、X=-50m、Y=0m、Y=100m處為固定邊界.隧道拱頂距地表埋深距離為10m，隧道直徑為6m，襯砌管片厚0.3m，注漿層厚0.2m.模型網格單元劃分圖如圖1所示，隧道拱頂測點布置如圖2所示.

圖2 隧道拱頂測點布置圖

1.1 建筑荷載的計算

新建建筑荷載通過基礎傳遞給地基，使天然土層原有的應力狀態發生變化，表現為在地基壓力作用下，產生的附加應力和豎向、橫向變形，即在隧道、圍巖以及地表產生位移沉降.根據類似的項目工程，結合《建筑結構荷載規范》確定，每一平方米的建筑物重量約為1000kg，本文模擬的單層建筑面積為1000m2(20m×50m)，經計算得出單層建筑荷載為104KN.本文的基礎設定為筏板基礎，并且不考慮地下室，故在模擬時直接將建筑物等效為均布荷載施加到地表上，進而分析隧道拱頂、地層及地表的沉降位移規律.

1.2 數值模擬工況

本文主要以不同建筑荷載(不同層數的建筑物)、建筑荷載距隧道中心線的不同水平距離L(如圖3所示)以及隧道在不同埋深三種因素下進行模擬.

圖3 建筑荷載距隧道中心線示意圖

①在建筑荷載距隧道中心線距離相等以及埋深一致的條件下，逐級施加建筑荷載.施加建筑荷載等級如表2.

表2 施加荷載等級

②在建筑荷載為3.1×105KN以及隧道埋深為10m的條件下，建筑荷載距隧道中心線的不同距離L(8m、13m、18m、23m)下，分別監測隧道拱頂沉降、地層沉降和地表沉降數值規律.

③在建筑荷載為3.1×105KN和建筑荷載距隧道中心線的水平距離為13m的條件下，分別監測隧道埋深為10m、15m、20m、25m時，隧道拱頂沉降、地層沉降和地表沉降數值規律.

2 數值模擬結果分析

數值模擬的計算結果，常常在較多監測點的條件下，才能夠體現出在不同工況下隧道拱頂、地層及地表沉降變形規律的更多細節.在本文中，豎向位移正值表示隧道隆起，負值表示隧道沉降，主要以分析沉降為主.

2.1 不同建筑荷載作用下沉降規律分析

建筑荷載為一個偏壓荷載，施加在隧道頂右側，具體荷載施加大小以及施加范圍見表2.不同建筑荷載下隧道拱頂、地表沉降以及隧道上部地層規律如下圖所示.

圖4 隧道拱頂沉降變形規律圖 圖5 地表沉降變形規律圖

由圖4可以看到，在不同建筑荷載下，沉降曲線均大致呈對稱分布，猶如“懸鏈”形，隧道拱頂的最大沉降量均發生在沿隧道長度中心位置，而在建筑荷載作用范圍以外，隧道拱頂沉降量逐漸減小.隨著建筑荷載的逐漸增大，隧道拱頂的沉降量也越來越大.圖中還可以看出，隧道長度在100m外還會繼續產生微小的沉降.另外，由于建筑荷載的施加是等差增加，每增大一級荷載，隧道中心處拱頂沉降量約增加2.46mm，增加量較為穩定.

從圖5中可以看出，伴隨著建筑荷載不斷增加，地表沉降量越來越大.圖中顯示，建筑荷載距隧道中心線11m處，沉降量開始急劇增大，趨勢較為明顯.

圖6 隧道拱頂上部地層沉降規律圖

當建筑荷載為3.1×105KN時，建筑荷載施加范圍內的地表最大沉降量約為50.98mm.

由圖6可知，隧道拱頂上部地層的沉降曲線趨勢較為平穩，近似一條水平線，隨著建筑荷載不斷增大，地層沉降量逐漸增大，當建筑荷載為3.1×105KN時，地層的最大沉降量約為12.01mm.

2.2 建筑荷載距隧道中心線不同距離下沉降規律分析

改變建筑荷載距隧道中心線的距離，模擬當距離分別為8m、13m、18m、23m時，隧道拱頂、地表及地層的沉降規律，具體分析如下.

圖7 隧道拱頂沉降變形規律圖 圖8 地表沉降變形規律圖

圖9 隧道拱頂上部地層沉降規律圖

從圖7中可以看出，當建筑荷載距隧道中心線越近時，隧道的拱頂沉降量呈現整體增大趨勢，沉降規律較為明顯，“V”字形對稱分布；當建筑荷載距隧道中心線越遠時，沉降量越小，趨勢越來越平緩，沉降量會隨著水平距離的增大，影響越來越小，漸漸趨于平穩.

由圖8可知，建筑荷載距隧道中心線的距離越大，地表沉降量呈減小的趨勢.從每一條曲線的形狀來看，在接近施加建筑荷載的部位，沉降量會有一個加速增長的過程，沉降量增長迅猛，增長的幅度較大.

從圖9中可以看出，在建筑荷載距隧道中心線的不同距離下，每條曲線近似為一條直線，整體趨勢平穩，距離隧道中心線越遠，隧道上部地層的沉降量越小，并且沉降量隨著水平間距的增大，增長值越來越小.

2.3 不同埋深下沉降規律分析

改變隧道的埋置深度，分析隧道埋深在10m、15m、20m、25m時，隧道拱頂、地表以及地層的沉降規律，具體分析如下.

圖10 隧道拱頂沉降變形規律圖 圖11 地表沉降變形規律圖

圖12 隧道拱頂上部地層沉降規律圖

由圖10可以看出，隧道長度在0～20m和80～100m范圍內，隧道拱頂的沉降量隨著深度的增加而增大.當隧道長度在20～80m范圍內時，隧道埋置深度越大，隧道拱頂位置的沉降量越來越小.在本文模擬的隧道長度范圍內，隧道的拱頂沉降曲線基本呈對稱分布.

如圖11所示，不難看出，地表的沉降量，隨著埋置深度的增大而減小，并且埋深越大，曲線的基本走勢越趨于平穩，不會產生較大的漲落起伏.

如圖12所示，地層沉降量隨著埋深增大的曲線規律與前面所述兩種地層沉降規律曲線略有不同.不同深度的沉降量曲線都呈先增大后減小，漸漸趨于平穩的趨勢.總體來說，隧道拱頂上部地層的沉降量隨著隧道埋置深度的增大而減小.

表3 隧道變形控制標準(CJJ/T202-2013)

3 結 論

本文主要針對建筑荷載對既有隧道產生的沉降進行數值模擬分析.主要從不同建筑荷載、建筑荷載距隧道中心線的不同距離以及不同隧道埋深三種影響因素進行了分析研究，得出以下結論：

(1)在不同建筑荷載下，隧道拱頂、地表以及地層的沉降量都隨著建筑荷載的增大而增大.當施加3.1×105KN的荷載時，在建筑荷載施加位置，地表的沉降量最大，達到50.98mm.

(2)當施加建筑荷載為3.1×105KN、隧道埋深為10m時，隨著建筑荷載距隧道中心線的距離的增大，隧道拱頂、地表及地層的沉降量越來越小.

(3)當建筑荷載為3.1×105KN及建筑荷載距隧道中心線水平距離為13m的條件下，隧道拱頂、地表及地層的沉降量隨隧道埋深的增大而減小.

(4)綜合分析上述三種不同因素下隧道沉降影響規律，結合《隧道變形控制標準》(CJJ/T202-2013)見表3.當建筑荷載最大為3.1×105KN，建筑荷載距隧道的水平距離為13m時，隧道拱頂的沉降量為12.94mm<20mm，滿足隧道變形的控制標準；當隧道埋深為10m，建筑荷載距隧道中心線的距離為8m時，隧道拱頂的沉降量為22.15mm>20mm，不滿足隧道變形的控制標準，對隧道結構的安全性產生影響.因此，在建筑荷載距隧道中心線8m時，不能建立建筑荷載為3.1×105KN的建筑物；當建筑荷載為3.1×105KN，建筑荷載距隧道的水平距離為13m時，隧道在不同埋深下的拱頂沉降量滿足隧道變形的控制標準.