隧道開挖對周邊建筑的沉降影響分析

摘 要：【目的】陜西某隧道在建筑密集區進行施工時，為了確保隧道施工的安全進行，保障周邊建筑結構的穩定性，需要對隧道開挖支護內力及對周邊建筑的沉降影響進行分析。【方法】采用隔離樁+花管樁+加強初期支護的施工方案，建立數值模型，對隧道開挖過程進行模擬分析。模擬時充分考慮地質條件、建筑分布、隧道結構等因素，以確保模擬結果的準確性和可靠性。【結果】數值模擬結果表明，采用隔離樁+花管樁+加強初期支護的施工方案，能夠有效控制隧道開挖過程中拱腳部位的應力集中現象，確保隧道支護結構的安全。同時，該方案對周邊建筑的傾斜沉降影響較小，滿足規范要求。【結論】本研究證明了在隧道施工中，采用隔離樁+花管樁+加強初期支護的施工方案是可行的，能夠有效降低隧道開挖對周邊建筑的影響。研究結果對于類似工程具有一定的參考價值，對于保障隧道施工安全及周邊建筑穩定性具有重要意義。

關鍵詞：隧道開挖；周邊建筑；隔離樁；花管樁；支護

中圖分類號：U455" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.014

Analysis of the Settlement Impact of Tunnel Excavation on Surrounding Buildings

Abstract：[Purposes] To ensure the safe construction of a tunnel in a densely built-up area in Shaanxi Province and safeguard the stability of surrounding building structures， it is necessary to analyze the internal force of tunnel excavation support and the settlement impact on the surrounding buildings. [Methods] This paper adopts a construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support， and establishes a numerical model to simulate and analyze the tunnel excavation process. During the simulation， geological conditions， building distribution， tunnel structure， and other factors are fully considered to ensure the accuracy and reliability of the simulation results. [Findings] The numerical simulation results show that the construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support can effectively control the stress concentration phenomenon at the arch foot during tunnel excavation， thereby ensuring the safety of the tunnel support structure. Meanwhile， this scheme has a minor impact on the tilt and settlement of surrounding buildings， meeting the regulatory requirements. [Conclusions] This study proves that the construction scheme combining isolation piles， flower pipe piles， and reinforced early support is feasible in tunnel construction， effectively reducing the impact of tunnel excavation on surrounding buildings. The research results have certain reference value for similar projects and are of great significance in ensuring the safety of tunnel construction and the stability of surrounding buildings.

Keywords： tunnel excavation; surrounding buildings; isolation piles; flower pipe piles; support

0 引言

隨著城市化進程的加速和交通需求的不斷增長，地鐵和隧道建設在全球范圍內得到了快速發展。然而，這些大型基礎設施的建設不可避免地會對周邊環境，尤其是周邊的建筑物產生一定的影響。近年來，眾多學者通過現場監測、實驗室試驗及數值模擬等方法，對地鐵和隧道施工對周邊建筑的影響進行了廣泛的研究。任杰［1］通過對地鐵盾構隧道始發端近距離側穿老舊建筑沉降控制措施進行研究，發現在隧道施工過程中采取合理的盾構機操作、地層加固技術及監測反饋機制，能夠有效控制老舊建筑的沉降變形，確保施工安全和鄰近建筑的穩定。陳仁朋等［2］針對盾構隧道下穿引起的砌體結構建筑沉降損傷進行了實例研究，結果揭示了隧道施工對建筑物沉降和損傷的影響機制，并提出了相應的預防措施和修復建議。戴軒等［3］在盾構隧道平行側穿誘發的建筑縱向沉降實測與模擬分析中發現，隧道施工對鄰近建筑的縱向沉降具有顯著影響，通過實測數據和數值模擬結果的對比分析，為沉降控制提供了理論依據和技術支持。王波等［4］以京張高鐵懷來段某隧道為例，研究了隧道爆破振動對地表建筑的影響，結果表明爆破振動會對地表建筑產生不同程度的損傷，需要采取相應的減振措施來降低影響。趙寶珠［5］通過對淺埋大斷面隧道下穿建筑地表沉降控制與微爆技術進行研究，發現在隧道下穿建筑物時，通過采用微爆技術并合理設計施工方案，可以有效地控制地表沉降。張震［6］在地鐵隧道爆破建筑結構樁體動力效應研究中，通過數值模擬和理論分析，探討了隧道爆破對建筑結構樁體的動力影響。結果表明，隧道爆破產生的振動波會對樁體產生一定的動力效應，包括樁體的位移、應力和加速度等。王義春［7］針對昔格達地層中大斷面隧道下穿既有建筑施工技術進行研究，研究結果表明，在昔格達地層中施工大斷面隧道時，需要采取特殊的地質處理措施和施工技術，以確保隧道的穩定性和鄰近建筑的安全。張彥輝等［8］通過建立三維數值計算模型，模擬了隧道爆破過程中地表高層建筑的動力響應。研究結果表明，隧道爆破施工會對地表高層建筑產生一定的影響，包括建筑結構的振動、變形和損傷等。蔡義［9］通過實驗室試驗和數值模擬，探討了隧道施工對含空洞地層的變形和破壞機制，結果表明，隧道施工會引起空洞地層的應力重分布和變形，進而可能導致地層的破壞和失穩。龐星［10］通過現場監測和數據分析，探討了盾構施工對鄰近建筑物的擾動效應。研究結果表明，盾構施工會對鄰近建筑物產生一定的擾動影響，包括建筑物的沉降、傾斜和裂縫等。

以上研究均基于單一的施工方案，且沒有對襯砌支護的內力進行研究，本研究根據現場實際情況對原CD法施工進行調整，并確定隔離樁+花管樁+加強初期支護的方案作為最終施工方法，并進行了支護內力分析。

1 工法對比分析

1.1 工程概況

該工程隧道右線1 230 m，左線1 252 m；在建隧道兩側分別有擬建的6層宿舍樓和3層的施工辦公樓，另外方向有已建成的6層民用建筑和2層氣象局辦公樓。

根據野外鉆探及現場鑒定結果，該區域地層如下：①層素填土（Q4ml）：厚度為2.50～11.50 m，平均8.03 m；層底標高為51.80～61.30 m，平均55.34 m；層底埋深：2.50～11.50 m，平均8.03 m。②層粉質黏土（Q4dl）：厚度為5.80 m，層底相對標高為55.50 m，層底埋深為8.30 m。③層強風化云母片巖：該層場區普遍分布，最大揭露厚度為6.70 m。根據地質勘測分別為補測3-3剖面，地層主要由兩種巖土組成，分別為①層為素填土和③層為強風化云母片巖。

1.2 原設計方案與調整后設計方案對比分析

原設計方案Ⅴ級圍巖淺埋段及Ⅴ級加強段均采用 CD 法開挖；Ⅴ級深埋圍巖采用留核心土臺階法開挖，CD法左右側導洞內采用三臺階法開挖。IV 級圍巖采用三臺階分部開挖，IV 級圍巖緊急停車帶采用 CD 法開挖。小凈距段進口現行洞室采用 CD 法，后行洞室采用 CRD 法。出口現行和后行洞室均采用 CRD 法施工。

本研究結合新的地質勘測資料和現場實際情況對施工工法進行調整，由原來的CD法修改為三臺階管樁法，有利于施工作業面的展開，從而加快施工進度。采用微型樁鎖腳的設計方案在一定程度上屬于一種新的設計理念，支護可靠，故最終確定采用隔離樁+花管樁+加強初期支護的施工方案。

2 模型構建

2.1 計算方法的選取

在地下結構設計中，有荷載結構法和地層結構法兩大主流計算方法。荷載結構法簡便快捷，但因其獨立考慮圍巖與襯砌，未能全面反映二者間的相互作用，計算結果偏于保守。而地層結構法則通過彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角等參數，將圍巖與結構視作統一的受力體系，能夠全面考慮幾何形狀、材料非線性、三維空間效應及地質不連續面等因素，因此，本計算優選地層結構法，以確保設計更符合工程實際和安全性要求。

2.2 邊界條件和初始地應力場

該模型采用的位移邊界條件如圖1所示。模型水平方向左右各取5倍洞徑，向下取3倍洞徑；土體采用摩爾-庫倫屈服條件，初級支護的噴射混凝土和鋼拱架均按梁單元模擬。

為了確定力的邊界條件，必須首先確定巖體內的初始應力場。常用的方法是根據自重應力場及構造應力場的特點，確定比較符合計算區域地質特點的力邊界條件，并利用部分量測數據進行調整和修正。自重應力場的特點是垂直及水平方向為主應力方向，主應力均為壓應力，其大小與深度有關，而與水平位置及時間無關。根據大量的經驗和統計結果，簡化后認為垂直地應力由巖體的自重產生，而水平的地應力則與同深度的垂直地應力呈倍數（側壓系數）關系。

在有限元計算中，邊界約束條件對計算結果影響較大。實踐和理論分析表明，由于荷載釋放而引起的洞室周圍介質的應力和位移變化，在5倍洞徑范圍之外小于1%，在3倍洞徑之外約小于5%。因此，依據工程的具體要求和有限元法的離散誤差，本計算模型的邊界范圍是水平方向左、右兩邊和隧道上方都取洞徑的5倍；隧道下方取洞徑的3倍。

計算時施加的邊界條件為兩側邊界約束水平方向位移，底部邊界約束豎向位移。計算模型設定：①所有材料均為均質、連續、各向同性的；②圍巖采用符合莫爾-庫倫屈服條件的材料模擬，噴射混凝土、鋼架采用梁單元模擬；③采用二維平面應變計算模型。

2.3 模擬參數確定

圍巖物理力學參數見表1，初期支護采用C25噴射混凝土，厚28 cm。混凝土物理參數見表2，初級支護拱架采用工22b型鋼拱架，縱向間距65 cm。型鋼力學參數見表3。初級支護錨桿參數為φ42 mm中空注漿，L=4 m，間距100 cm×100 cm；雙層超前注漿采用φ42 mm小導管：L=4 m，環向間距40 cm。錨桿和超前導管注漿區域對圍巖有加固作用，本計算擬提高此區域的巖土物理參數來模擬錨桿的作用；隔離柱采用φ800 mm灌注樁，樁長18 m，樁間距0.8 m×1.2 m，橫截面面積A=0.502 4 m2，慣性矩I=0.020 096 m4，彈性模量E=31.5 GPa。注漿小導管直徑89 mm，管長25 m，間距1.2 m×1.2 m。

3 結果分析

3.1 在建隧道與在建建筑工況分析

本研究取k1+485斷面進行計算。隧道兩側分別有6層的擬建宿舍樓和3層的施工辦公樓。在樓層自重作用基礎上，每層自重按15 kPa取值。塔吊基礎承擔荷載為300 kN。計算模型如圖2所示。

3.1.1 宿舍樓封頂先于隧道穿越，作為工況1。

①位移及應力分析。位移云圖如圖3所示，豎向應力云圖如圖4所示。由圖可知，隧道開挖引起的位移絕大部分都發生在隔離樁范圍之內，說明隔離樁發揮了很好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對周邊建筑的影響。

3.1.2 宿舍樓封頂后于隧道穿越，作為工況2。

①位移及應力分析。位移云圖如圖7所示，豎向應力云圖如圖8所示。由圖可知，隧道開挖引起的位移絕大部分都發生在隔離樁范圍之內，并且豎向應力均較小，說明隔離樁發揮了較好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對周邊建筑的影響。

支護結構驗算采用的混凝土截面尺寸為0.65 m（寬）×0.28 m（高）。支護內力如圖10所示，結果顯示支護結構安全系數滿足規范要求。

3.2 在建隧道與已建建筑工況分析

3.2.1 取k1+580斷面進行計算。隧道兩側分別有6層的民用建筑和2層的氣象局辦公樓。在樓層自重作用基礎上，每層自重按15 kPa取值，計算模型如圖11所示。位移云圖和豎向應力云圖如圖12所示，豎向應力云圖如圖13所示。從位移云圖可以看出，隧道開挖引起的位移絕大部分都發生在隔離樁范圍之內，說明隔離樁發揮了很好的隔離、加固作用，有效避免了隧道開挖對周邊建筑的影響。

支護內力如圖15所示。分析采用的混凝土截面尺寸為0.65 m（寬）×0.28 m（高）。結果顯示支護結構安全系數滿足規范要求。

4 結論

通過對調整后工法（隔離樁+花管樁+加強初期支護）進行施工，并分析周邊建筑的沉降影響及隧道支護內力，得出以下結論。

①數值模擬結果顯示，調整后的工法能夠顯著降低隧道開挖對周邊建筑（包括在建宿舍樓和已建辦公樓）的影響。無論是宿舍樓封頂先于隧道穿越還是后于隧道穿越的工況，調整后的工法都能有效保證周邊建筑的結構穩定。

②調整后的工法在隧道開挖過程中能夠有效減少拱腳部位的應力集中現象，從而提高了隧道支護結構的安全性和穩定性。

③隧道二襯施作時機必須按設計文件要求嚴格執行，隧道圍巖開挖后由于時空效應會引起巖體應力調整，防止二次支護不及時而引起結構失穩和過大沉降。

④隧道開挖時，地質具有隱蔽性、復雜性和不可預見性等特征。由于工程地質勘察手段的局限性，現有地質資料不可能完全準確反映實際地質情況，數值模擬與實際情況有些許偏差。

參考文獻：

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