加卸載條件下多線既有隧道力學特性分析

王 帆

(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶 400042)

進入21世紀以來，我國城市不斷發展，為滿足發展需求開展了大量的城市施工作業，基坑頻繁開挖，地下軌道交通線路交錯縱橫，尤其在繁華都市區域，城市軌道交通沿線商業建筑物較為密集，建筑基坑施工過程伴隨著頻繁的卸載、加載過程，不可避免地引起周圍軌道交通線路的影響，產生諸多安全隱患甚至引發嚴重的工程事故[1-2]。

為解決上述問題，許多學者開展了大量的研究。張紅勇[3]等利用有限元法，分析了基坑與隧道軸線不同交角情況下，基坑開挖卸載對隧道結構附加變形及內力的影響。魏綱等[4]采用現場實測的方法，通過對基坑開挖引起的既有隧道附加變形進行監測，分析了開挖施工過程中既有隧道變形影響規律，并提出了隧道水平位移預測經驗公式。姚愛軍[5]等結合模型試驗與數值模擬，研究了隧道上方基坑加、卸載作用導致的盾構隧道變形特征及圍壓變化規律，并分析了兩者凈距以及坑底加載強度對隧道附加變形的影響。張玉偉[6]等采用數值分析法，分析了基坑降水、基坑開挖以及樁荷載施加所引起的既有隧道附加變形及結構受力特征。楊德志[7]等采用有限元法與監測數據對比的方法，分析了地連墻插入比、被動去加固寬度等因素引起的隧道附加變形規律。周賢宏[8]等利用有限元軟件ABAQUS，分析了基坑施工引起的下臥隧道的影響，并從施工的角度提出了大型基坑開挖對既有隧道變形控制方法。姚宏波[9]等采用理論分析的方法，考慮基坑深度、寬度和基坑沿隧道縱向長度的綜合影響，提出了隧道上方卸載引起的卸荷比計算模型。丁祖德[10]等通過數值分析，研究了不同隧道保護措施下基坑開挖引起的隧道變形及附加應力的特點及變形控制效果。

從以往研究成果可以看出，之前的研究成果主要集中在基坑施工對單線隧道的影響，而針對基坑施工引起多線隧道力學特性影響研究較少。本文基于實際工程中建筑基坑開挖卸載及建筑修建加載，分析施工過程中多線既有隧道受力及變形特性，作工程參考。

1 工程概況

本項目擬建工程包括6棟二類高層建筑、16棟多層建筑、1棟幼兒園、1棟社區綜合服務中心、沿街商業及配套、地下車庫、地下商業及設備用房，項目西側為重慶軌道交通十號線以及軌道交通六號線支線(悅來站-王家莊站)區間隧道，項目與既有隧道位置關系如圖1所示。

圖1 項目與隧道相對位置關系

軌道交通十號線悅來-王家莊站區間隧道位于項目擬建場地西側，擬建項目與隧道間保護區域的里程號為：K44+17.040～K44+385.840，總長約368.80 m。該段區間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于25.00～28.60 m，圍巖主要為砂巖，巖體呈中風化狀態，節理裂隙不發育～較發育，巖體較完整，圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。目前，該區間隧道已開通運營。

軌道交通六號線支線二期悅來-王家莊站區間隧道位于項目擬建場地西側，擬建項目與隧道間保護區域的里程號為：K44+17.040～K44+385.840，總長約343.93 m。該段區間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于36.00～39.60 m，圍巖主要為砂巖及砂質泥巖，巖體呈中風化狀態，節理裂隙不發育～較發育，巖體較完整，圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。目前，該區間隧道已進行施工。

2 計算模型及參數

根據項目與區間隧道位置關系，建立如圖2所示二維模型，根據圣維南原理，并結合項目與隧道結構相對位置關系，根據勘察報告所提勘察剖面建立計算模型，所建模型計算區域為X向(水平方向)×Y(重力方向)=119 m×85 m，模型邊界條件為：計算區域側面約束水平位移，底面約束豎向位移。

圖2 模型總體示意

在計算模型中，巖土體遵從彈塑性本構關系，其中，土體采用Mohr-Coulomb屈服準則，巖體采用D-P準則進行數值計算，隧道襯砌、樁基礎等則視為彈性材料。該模型其中巖土體采用平面應變單元模擬，項目基礎及隧道結構以梁單元進行模擬。

模型計算步驟根據項目及隧道結構實際施工順序進行設置，分為5個步驟：①場地初始狀態，②十號線開挖、修建，③六號線支線開挖、修建，④擬建項目基坑開挖，⑤樁基施工，建筑荷載的施加。

結合項目及區間隧道地質勘查報告，給出最終計算參數如表1所示，考慮隧道開挖、巖體裂隙以及巖土層面的影響，巖體抗剪強度參數按照D-P等面積圓進行折減，折減系數為0.8。

表1 地層結構及材料參數

3 計算結果分析

3.1 隧道結構位移

項目施工過程中，建筑基坑開挖及上部結構物修建，既有隧道相繼受到“加載”、“卸載”作用，引起隧道及圍巖的附加變形[11]。基坑開挖以后，隧道結構及周邊巖土體自身變形情況圖3(a)、圖3(b)所示。樁基施工，施加荷載后，隧道結構及周邊巖土體自身變形情況如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 基坑施工過程中隧道位移變化

取隧道結構關鍵點位移進行分析，根據計算結果，基坑開挖引起的十號線隧道結構最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為1.2 mm；引起的六號線支線隧道結構最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為0.5 mm。從基坑與隧道結構相對位置上看，六號線支線距離建筑基坑相對十號線較遠，且隧道跨度較小，但十號線二次襯砌結構厚度較大，最終兩者最大位移結果相當。樁基施工，施加荷載后引起的十號線隧道結構最大水平位移為0.3 mm，最大豎向位移為0.3 mm；引起的六號線支線隧道結構最大水平位移為0.1 mm，最大豎向位移為0.1 mm。根據工程實際情況，基坑施工后進行建筑修建，基坑上方施加多層建筑荷載，從計算結果上看，多層建筑的建筑荷載施加在一定程度上緩解了項目施工引起的隧道結構附加變形，兩條軌道交通線路結構最大位移幅值有所減小。根據重慶市地方標準DBJ50/T-271-2017《城市軌道交通結構檢測監測技術標準》，項目實施基坑開挖及樁基施工、建筑荷載后，區間隧道變形值均小于城市軌道交通結構安全控制指標值(±10 mm)。

3.2 隧道圍巖應力

項目施工過程中產生的施工擾動，通過巖土體傳遞至隧道主體結構。圖4展示了主要荷載步隧道圍巖第一、第三主應力，表2統計了基坑施工作業過程中隧道圍巖最大應力值，其中負值表示壓應力，正值表示拉應力。

圖4 基坑施工過程中隧道圍巖應力

表2 隧道圍巖主要荷載步下最大應力值統計

根據圍巖應力情況及應力統計結果，項目修建整個過程，隧道圍巖拉、壓應力變化有限，基坑開挖作業完成后，隧道圍巖最大拉應力從119.94 kPa增至152.79 kPa，增長幅度為21.5 %，最大壓應力有所減小，但變化幅度不大；建筑荷載施加后，圍巖最大拉應力為120.27 kPa，相對基坑開挖荷載步有所減小，其值與初始荷載步相當，最大壓應力變化不明顯。

由計算結果可知，在上述施工過程中，隧道圍巖結構應力產生了一定的不利變化，但其拉壓應力均未超過地勘報告所提巖體所能承受抗拉、抗壓強度，項目的建設對隧道圍巖應力情況影響是有限的。施工引起巖土體擾動傳遞至既有隧道，致使襯砌結構局部區域因不均勻變形產生一定的應力集中。值得注意的是，在兩線交疊的狀態下，雙線隧道于六號線支線拱頂位置的拉應力產生貫通的應力變化區域，施工過程中該區域處可能存在相對更為明顯的應力集中問題。

4 結束語

通過對項目施工過程中加卸載條件下多線既有隧道受力及變形特性進行分析可以得出以下結論：

(1)基坑開挖卸荷引起巖土體回彈，進而造成隧道結構附加變形，多層建筑的建筑加載作用在一定程度上緩解了卸載時引起的結構物位移變化；在整個施工過程中，隧道結構的最大變形出現在基坑開挖作業完成以后，為有效減小項目施工的影響，應在基坑開挖后盡早并及時開展基坑底板、基坑邊坡支護結構的施工，減小施工的影響。

(2)施工擾動產生隧道結構附加變形，并造成襯砌結構應力集中問題，該問題在多條地下交通線路交疊時更為顯著，或致使兩線交疊區域產生應力變化貫通區域，產生較大的安全隱患。為保證項目及既有隧道的安全，應根據實際情況，在項目施工過程中對影響區間段隧道進行設點監測，在交疊區域加密監測點設置，若監測變形超出變形預警值應及時采取有效措施。