隧道擴挖對地層與鄰近樁基的影響及控制研究

譚家麒

（重慶市設計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

城市隧道下穿既有建筑的施工往往會導致周圍巖土以及建筑基礎發生不均勻沉降[1-3]，甚至導致建筑物破壞[4-5]。因此，眾多學者針對城市隧道下穿既有建筑物施工做出了大量的研究。孔秋珍等[6]通過三維有限元模擬得出跨越凹凸區房屋的變形規律，認為隧道開挖時是房屋的最危險狀態。鄭學貴等[7]結合實際工程案例，建立連拱隧道下穿高層建筑安全性影響分析方法，并對隧道開挖后地基的變形與隧道支護的受力特性作出了安全性評價，認為隧道對近接建筑物安全性的影響應當綜合考慮建筑結構的樓層高度、基礎形式，隧道與建筑的位置關系，隧道結構形式、尺寸以及施工方法等。孫國慶[8]在對比多種建筑物保護方案后，提出采用注漿方式對地表建筑物進行保護，并通過試驗得出注漿加固和跟蹤注漿能有效控制建筑物沉降。劉繼國等[9]采用管幕-支護結構組合體系淺埋暗挖法，成功地解決了復雜地質條件及復雜環境條件下的超淺埋大斷面隧道下穿敏感建筑遇到的技術難題，建立了隧道下穿建筑的新方法。閆國棟[10]提出開挖隧道時必須與鄰近建筑基礎相距15m以上，并且由于開挖處出現應力集中，需在該處加強支護。

特殊情況下，須對已開挖的城市隧道進行擴挖施工，但由于隧道與建筑基礎的相對位置關系頗為復雜，所以在選定施工方案時，應當充分考慮施工對建筑基礎、圍巖以及隧道結構本身的安全影響。本文以解放碑地下環道一期工程部分段落擴挖為例，參考上述相近研究成果，采用有限元軟件對施工階段進行安全性分析，并得出了滿足安全條件下可行的施工方案。

1 工程概況

解放碑地下環道工程共分三期建設，由“一環、七聯絡、N連通”構成。其中，“一環”是一條地下車行循環道，總長約4km，線路走向為“臨江門—較場口轉盤—新華路—中華路—五一路—臨江路—臨江門”。其中，一期工程為從臨江門到較場口轉盤；二期工程為從較場口轉盤到五一路口；三期工程為從五一路口到臨江門。

根據消防需要，拆除原人防洞室K0+435～K0+444.5段老的襯砌結構，并進行橫向1.028～1.543m不同寬度的擴挖施工，擴挖后新建的隧道為非對稱異形結構，擴挖段起點K0+435與國貿中心樁基零距離接觸，終點K0+444.5與主通道和支洞一交叉口處相接。工程平面圖（局部）見圖1。

圖1 工程平面圖（局部）

2 施工方案

針對實際工程概況，擬選用滿堂支撐和錨桿懸吊兩種方案。并對其分別進行施工階段數值模擬。

通過對滿堂支撐方案進行二維數值模擬，得出以下計算結果：

隧道拓寬開挖前拱頂最大沉降為2.9mm，底部最大隆起為4.4mm；隧道拓寬開挖后拱頂最大沉降為3.9mm，底部最大隆起為4.9mm。如果以原洞室襯砌施作后為變形零點，則隧道拓寬開挖誘發的拱頂圍巖沉降為1.0（下降）?？梢钥闯?，隧道拓寬開挖對拱頂圍巖沉降影響輕微。

隧道拓寬開挖前襯砌結構最大拉應力為132.4kPa，最大壓應力為2847.5kPa；隧道拓寬開挖后襯砌結構最大拉應力為136.4kPa，小于C30混凝土抗拉設計強度，最大壓應力為2701.7kPa，小于C30混凝土抗壓設計強度，如圖2所示。

圖2 隧道擴挖后最大主應力云圖

隧道拓寬開挖前滿堂支撐最大軸力為0.51kN，支撐結構受壓；隧道拓寬開挖后滿堂支撐最大軸力為8.45kN，支撐結構受壓，如圖3所示。

圖3 隧道擴挖后滿堂支撐軸力云圖

通過對錨桿懸吊方案進行二維數值模擬，得出以下計算結果：隧道拓寬開挖前拱頂最大沉降為2.9mm，底部最大隆起為4.4mm；隧道拓寬開挖后拱頂最大沉降為3.9mm，底部最大隆起為4.9mm。如果以原洞室襯砌施作后為變形零點，則隧道拓寬開挖誘發的拱頂圍巖沉降為1.0（下降）?？梢钥闯?，隧道拓寬開挖對拱頂圍巖沉降影響輕微。

拓寬開挖前襯砌結構最大拉應力為132.4kPa，最大壓應力為2847.5kPa；隧道拓寬開挖后襯砌結構最大拉應力為134.6kPa，小于C30混凝土抗拉設計強度，最大壓應力為2692.9kPa，小于C30混凝土抗壓設計強度，如圖4所示。

圖4 隧道擴挖后最大主應力云圖

隧道拓寬開挖前懸吊錨桿最大軸力為0.20kN，錨桿結構受拉；隧道拓寬開挖后懸吊錨桿最大軸力為8.49kN，錨桿受拉，如圖5所示。

圖5 隧道擴挖后懸吊錨桿軸力云圖

考慮到若采用滿堂支撐，將導致隧道擴挖施工無工作面，不具有可實施性，并且在拆除臨時支撐后不能保證二襯的順利施作，所以，通過將滿堂支架作為臨時支撐手段，和采用錨桿懸吊襯砌未破除部分兩個方案進行對比分析，發現在都能保證施工安全的前提下，采用錨桿懸吊方案更具有可實施性。

3 主隧道擴挖模擬分析

3.1 計算參數取值

根據《解放碑地區人防工程停車場改造一期工程地質詳細勘察報告》，隧道洞身主要位于中風化砂巖段，其厚度達25m，地表為1～2m厚人工填土。由于現擴挖段存在嚴重滲漏水現象，同時考慮到該擴挖段歷史上經歷過多次工程建設，如人防洞室爆破施工、國貿中心基坑開挖、該工程建設等，故本次模擬在對地勘報告提供的巖土體物理力學參數的基礎上，結合現行《公路隧道設計規范》的建議值對地勘參數建議值進行了修正，采用的具體計算參數見表1。

表1 巖土物理力學參數

計算中，圍巖開挖階段釋放60%圍巖壓力，結構承擔40%圍巖壓力。

3.2 計算模型

本次計算分析中，巖體力學模型采用理想彈塑性本構關系，服從Mohr－Coulomb屈服準則。

（1）有限元模型

Saint Venant原理及相關文獻資料表明，地下工程洞室結構的三倍洞徑以外的圍巖受隧道施工的影響已很微弱，因此本次數值計算據此進行建模。建成后的模型寬度為100m，縱向長度為100m，如圖6所示。

圖6 隧道及樁基模型

（2）邊界條件

計算模型的左右和前后邊界為水平方向約束，底部為豎直方向約束，頂部為自由邊界。

（3）計算步序

整個施工過程按4個步序進行模擬：

①模擬影響區域內地層的初始應力場（本次計算初始應力場只考慮巖體自重應力）；

②模擬原人防洞室開挖支護；

③模擬地下環道的支洞及風機洞室施工；

④模擬人防洞室擴挖施工。

3.3 樁基荷載

國貿中心樁基復雜，受客觀因素限制，計算采用建筑基礎+上部荷載模擬，上部荷載計算如下：

（1）屋面活荷載

民用建筑屋面均布活荷載標準值，按上人屋面取為2kN/m2。

（2）樓面活荷載

民用建筑屋面均布活荷載標準值按辦公樓或住宅取為2kN/m2。

（3）隔墻重量

根據相關資料估計，取3kN/m2。

（4）單層結構自重

按表2估計，依據框架結構磚墻體材料取值，結構自重取12 kN/m2。

表2 高層建筑的結構自重

（5）荷載總計

按照標準組合進行設計，結構自重等組合系數為1.0，活荷載組合系數為0.7。單層樓面總的荷載大小為：0.7×2+1.0×（12+2+3）=18.4kPa。國貿中心為44層建筑，均布總荷載大小為：44×18.4=809.6kPa。由于該建筑以樁基礎為主，局部為柱基礎，考慮所有荷載均由基礎承擔，計算得出各樁基礎軸力N如下：

1號樁基礎N=28800kN；2號樁基礎N=30400kN；3號樁基礎N=31200kN；4號樁基礎N=11200kN；5號樁基礎N=20000kN；6號樁基礎N=13200kN。

3.4 計算結果

（1）對國貿中心樁基的影響

經計算，樁基豎向位移最大值位于1號樁基處，隧道擴挖前樁基最大豎向位移為6.45mm，擴挖后樁基最大豎向位移為6.52mm，遠小于現行《建筑地基基礎設計規范》[11]對沉降差和傾斜值的要求。隧道擴挖前后各樁基豎向位移見表3。

表3 隧道擴挖前后各樁基豎向位移

（2）圍巖穩定性影響

隧道擴挖前后圍巖最大位移值均出現在擴挖段起點段拱頂圍巖處，擴挖前圍巖豎向位移最大值為4.54mm，最大主應力為200kPa，最小主應力為3.46MPa，如圖7、圖8所示；擴挖后圍巖豎向位移最大值為4.73mm，最大主應力為200kPa，最小主應力為3.46MPa。

圖7 隧道擴挖后最大主應力云圖

圖8 隧道擴挖后最小主應力云圖

擴挖前后圍巖豎向位移差值為0.19mm，圍巖位移變化值較??；擴挖前后圍巖最大主應力與最小主應力基本無變化，小于砂巖的抗拉強度值482kPa與飽和單軸抗壓強度值24.8MPa。

（3）既有洞室襯砌結構的影響

擴挖前既有風機洞室和支洞一襯砌結構最大主應力值為811kPa，最小主應力值為5.36MPa，如圖9所示；擴挖后既有風機洞室和支洞一襯砌結構最大主應力值為1080kPa，最小主應力值為11.3MPa。最大主應力增長了269kPa，增長率為33%，最小主應力增長了5.94MPa，增長率為111%。

圖9 擴挖前風機洞室及支洞最小主應力云圖

擴挖后新建襯砌結構最大主應力為116kPa，如圖10所示，最小主應力為-83.7 kPa。

圖10 新建襯砌結構最大主應力云圖

擴挖前既有主通道襯砌最大主應力為3.64MPa，最小主應力為-6.42MPa；擴挖后最大主應力為3.88MPa，如圖11所示，增加值為0.24MPa，位于交叉口頂部處，由于模型中結構在此處發生突變，引起局部應力集中，而該處有結構加強，且為鋼筋混凝土，所以未出現開裂破壞，最小主應力為-9.30MPa，增長率為6.6%，位于擴挖段終點端與交叉口結構相接拱腰處，主要是因為隧道擴挖后，圍巖壓力由分叉段襯砌結構承擔，導致其壓應力增加較多。

圖11 擴挖后主通道襯砌最大主應力云圖

4 工程類比

與北京地鐵區間隧道穿越河流橋樁[12]、廈門市成功大道梧村隧道下穿房屋結構[13]進行工程類比，見表4。

從表4可以看出，該項目隧道擴挖與既有樁基零距離接觸，施工存在一定的風險，但由于現有樁基為嵌巖樁，且隧道基底標高高于現有樁基基底標高，故隧道擴挖對樁基的影響有限。隧道洞身處于中風化砂巖中，圍巖較穩定，該段隧道施工風險一般，只要采取合理的工程措施和施工方法，就能夠保證項目的順利實施。

表4 該工程與典型工程案例的對比

5 結語

（1）當近接建筑物樁基為嵌巖樁，且其樁底標高低于擴挖隧道底標高時，隧道擴挖會導致局部應力集中，但采取相應的臨時支護措施可有效減小對既有建筑物樁基的影響。

（2）通過綜合對比滿堂加固與錨桿懸吊兩種臨時支護方案，認為錨桿懸吊方案兼具可實施性與安全性。