小凈距雙線隧道側穿鄰近建筑物施工安全分析

■王仕杰

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

近年來， 隧道下穿周邊建筑物的工程不斷增多。 隧道開挖過程中不可避免會引起地層擾動變形，導致建筑物沉降變形產生附加應力，從而產生不利影響。 嚴重時會導致建筑物破壞、隧道坍塌等工程事故，造成經濟財產甚至生命財產損失。 因此，采用合理的施工方法，確保施工過程中的安全穩定性具有重大意義。

目前，關于隧道下穿建筑物方面已經做了大量的研究工作，主要為經驗法、理論分析法、模型試驗法與數值模擬法[1]。 江帥等[2]基于Peck 經驗公式，引入縱向開挖度系數對隧道開挖引起的地表沉降預測模型進行了優化。 馬險峰等[3]采用離心機模型試驗和數值模擬方法，研究軟體地區頂管電纜隧道施工對鄰近建筑物的影響。 馮敬輝等[4]通過數值模擬結合現場監測的方法，研究了CRD 法擴挖盾構隧道對周邊環境的影響。 周智等[5]采用數值模擬的方法，分析了隧道垂直下穿建筑物時建筑物的沉降分布曲線，雙線隧道相比單線隧道下穿建筑物的工況更為復雜，也更易導致建筑物的破壞。 劉紀峰等[6]對隧道開挖沿線上的建筑物墻體開裂問題進行了研究，并采用信息化施工方法對超近距雙線隧道旁穿建筑物的風險進行控制[7]。龐峰[8]使用FLAC3D 數值模擬軟件對青島地鐵三號線下穿建筑物時，建筑物沉降變形的一般規律進行了研究。 但目前多是關于采用盾構施工方法下穿建筑物的研究，對于小凈距雙線隧道采用雙側壁導坑法下穿鄰近建筑物的研究較少。

因此，以貴安隧道為工程背景，采用數值模擬方法，分析小凈距雙線隧道側穿鄰近建筑物和電塔過程中隧道、電塔和建筑物的位移變形規律，進一步確定能否采用雙側壁導坑法與長短洞開挖順序安全順利的完成施工，對類似工程的研究與施工具備借鑒意義。

1 工程概況

貴安隧道位于福州城區與周溪村區間內，左洞起訖樁號為ZK3+865～ZK4+785，全長920 m。 右洞起訖樁號為YK3+893～YK4+799，全長906 m。 建筑物位于隧道左洞進口左側100 m 處，建筑物與隧道位于同一水平高度。電塔位于隧道左線ZK3+910 左側28 m 處，電塔基礎較隧道軸線高30 m。 位置關系見圖1。

圖1 工程位置關系

隧道穿越土層為中風化溶解凝灰巖， 巖體破碎，以碎裂結構為主，為Ⅴ級圍巖，隧洞穩定性差，特別是拱部，無支護易坍塌。 最上方土層主要為碎塊狀強風化溶解凝灰巖，呈碎、裂狀松散結構，易坍塌。 隧道下方土層為微風化溶解凝灰巖，局部小節理裂隙帶發育。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS/GTS 軟件建立模型， 模型主要包含3 層土，自上而下分別為碎塊狀強風化溶解凝灰巖、中風化溶解凝灰巖和微風化溶解凝灰巖，各層深度分別為：15、15、23 m。 隧道埋深20 m，隧道雙線距離20 m，隧道寬14.85 m，高7.75 m。 建筑物的尺寸為40 m×20 m×45 m（長×寬×高）。電塔的尺寸為12 m×12 m×30 m（長×寬×高）。有限元模型見圖2。土層、隧道支護結構、建筑物、電塔的材料參數見表1。

表1 材料參數

圖2 三維有限元模型

土層以三維實體單元模擬，樓板、噴射混凝土與襯砌以板單元模擬， 錨桿以植入式梁單元模擬。建筑物結構、電塔結構以一維梁單元模擬。

2.2 施工模擬

雙側壁導坑開挖順序見圖3。 6 個開挖部分依次完成開挖、初期支護后拆除臨時支架并施作襯砌為1 個循環步驟。 雙線隧道采取長短洞開挖順序，右洞較左洞超前開挖50 m。 模擬的完整施工階段內容見表2，其中重要施工階段見圖4。

圖3 雙側壁導坑法開挖順序

圖4 重要施工階段

表2 施工階段內容

3 計算結果及分析

3.1 圍巖穩定性分析

由圖5 可知，整個施工階段過程中隧道圍巖的最大沉降值為5.2 mm， 發生在右線隧道拱頂處位置。 整個施工階段過程中隧道圍巖的最大隆起值為1 mm，發生在右線隧道底板處位置。

圖5 圍巖最大豎向位移時態曲線圖

隨著右線第1 循環步驟中開挖的進行，圍巖豎向最大位移值迅速增加，S7 階段開始施作襯砌后，豎向最大位移值增長速率開始下降，致使右線隧道開挖50 m 階段內豎向位移值緩慢增長，左線開始開挖直至施工完成階段，隧道圍巖豎向最大位移值趨于穩定。 右線隧道單獨開挖階段上方地層豎向位移呈V 型分布，左線隧道開挖后上方地層豎向位移呈W 型分布。

圍巖最大水平位移值在施工完成階段達到最大，見圖6。右側方向的最大水平位移值發生在左線隧道上方圍巖，為1.29 mm。左側方向的最大水平位移值發生在右線隧道上方圍巖，為1.28 mm。

圖6 施工完成階段圍巖水平位移云圖

綜上所述， 采取雙側壁導坑法開挖雙線隧道，開挖后及時施作初期支護臨時支架，1 個開挖循環完成后及時施作二次襯砌的施工方法時，整個施工階段過程中圍巖的穩定性較好， 未出現大變形、坍塌等情況。

3.2 建筑物沉降分析

根據GB50007-2011《建筑地基基礎設計規范》，此建筑物的最大沉降量不得超過200 mm， 其整體傾斜的最大值不得超過0.003，見表3。

由圖7 可知，隨施工步驟的進行，建筑物豎向最大位移值大致呈不斷增加趨勢。 在左線隧道未進行開挖時，豎向最大位移值增長較為緩慢，隨著左線隧道的開挖施工，建筑物最大豎向位移值呈增長趨勢，在施工結束階段達到最大。 由于建筑物與隧道間距離較大， 豎向位移值較小。 最大沉降值為0.000 12 mm，最大隆起值為0.000 63 mm。 故建筑物豎向位移值及整體傾斜滿足規范要求。

圖7 建筑物豎向最大位移時態曲線圖

3.3 電塔沉降分析

由圖8 可知，越靠近左線隧道的電塔基礎和結構的豎向沉降值越大。 電塔豎向沉降最大值為0.41 mm，位于電塔基礎最右側，滿足沉降值規范要求。

圖8 施工完成階段電塔豎向位移云圖

為進一步分析其沉降變形規律，選取電塔底部4 個點為研究對象（圖9），做其位移時態曲線（圖10）。從圖10 可知， 相比而言右線隧道開挖對電塔豎向沉降值的影響較小，約占整個比重的30%。 而隨著左線施工，電塔降值迅速增大，尤其是距離左線隧道較近的測點C 和測點D。 左線隧道施工完成后電塔豎向沉降值達到最大，其中D 點為0.33 mm，C 點為0.31 mm，B 點為0.04 mm，A 點為0.06 mm。 故最大差異沉降值為0.27 mm，整體傾斜為0.27/12000=0.000 022 5，滿足規范要求。

圖10 電塔底部測點豎向沉降時態曲線圖

4 結論

通過建立有限元數值模型分析貴安隧道側穿鄰近電塔與建筑物工況下隧道、建筑物與電塔的安全性，可得出如下結論：（1）采用雙側壁導坑法長短洞順序開挖時，整個施工階段過程中隧道及周邊圍巖變形在合理范圍內，是穩定和安全的。 第1 個開挖循環結束施作襯砌后使圍巖豎向變形得到顯著控制，圍巖最大豎向變形值發生在施工完成后右線隧道拱頂和底板處。 （2）隧道開挖對建筑物的影響較小，建筑物豎向變形值與整體傾斜均滿足規范要求。 （3）隧道右線開挖對電塔豎向沉降值的影響較小，約占總豎向位移的30%。 最大沉降值發生在左線隧道土體全部開挖后，且小于規范值。 電塔整體向左線隧道方向傾斜且滿足規范要求。