偏压状态下隧道诱发周边建筑物变形特征研究.pdf

-97-偏压状态下隧道诱发周边建筑物变形特征研究何 晨1，张 旭2，唐志刚3，惠 冰2，田道国3，马明畅2，肖钦广3（1.泰安市交通运输局，山东 泰安 271000；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3.济南黄河路桥建设集团有限公司，山东 济南 250100）摘要：隧道开挖过程中，不可避免地出现偏压现象。依托具体工程，推导出偏压状态下隧道变形修正Peak数学方程，建立三维地质力学模型，模拟隧道诱发周边建筑物变形演化规律，研究偏压隧道施工引起周边建筑物变形特征。结果表明：偏压状态下隧道诱发周边地表变形，其中地表沉降产生最大变形的位置一般在距离隧道中线0.5倍埋深的平行区域内；结合模拟计算与监控量测数据拟合分析，薄弱基础的建筑物施工之前，加强对地表或基础加固。关键词：偏压隧道；修正Peak；建筑物变形；数值计算；监控量测中图分类号：U455.6文献标识码：ASettlement analysis of adjacent buildings caused by undercrossing construction of bias tunnelHE Chen1,ZHANG Xu2,TANG Zhigang 3,HUI Bing2,TIAN Daoguo 3,MA Mingchang2,XIAO Qinguang3（1.Tai an Transportation Bureau,Shandong Tai an 271000 China;2.Shandong Transportation Institute,Shangdong Jinan 250031 China;3.Jinan Yellow River Bridge Construction Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250100 China）Abstract:Intheprocessoftunnelexcavation,thephenomenonofbiasisinevitable.Basedonspecificprojects,thePeakmathematicalequationfortunneldeformationcorrectionunderbiasedpressureisderived,andathree-dimensionalgeomechanicalmodelisestablishedtosimulatethedeformationevolutionlawofsurroundingbuildingsinducedbytunnel,andthedeformationcharacteristicsofsurroundingbuildingscausedbybiasedtunnelconstructionarestudied.Theresultsshowthatthetunnelinducesthesurroundingsurfacedeformationundertheconditionofbias,andthelocationofthemaximumdeformationcausedbythesurfacesubsidenceisgenerallyintheparallelarea0.5timestheburieddepthofthetunnelmidline.Combinedwithsimulationcalculationandmonitoringmeasurementdatafittinganalysis,thesurfaceorfoundationreinforcementshouldbestrengthenedbeforeconstructionofbuildingswithweakfoundation.Key words:biasedtunnel;fixedpeak;buildingdeformation;numericalcalculation;monitoringmeasurement引言隧道开挖过程中会对周边环境产生诸多不利影响，特别是在城市暗挖隧道的开挖过程中，隧道下穿施工会导致其上方覆盖土层产生变形进而反应到地表产生地表沉降，而地表上方的建筑物基础同样会受到影响，基础的不均匀沉降会导致建筑物的变形开裂，影响到建筑物的使用，给人员和财物造成损失。南方城市多丘陵地带，在暗挖隧道设计时，虽然会极力避免因穿越丘陵地带而产生的隧道偏压受力，但是在现阶段，大量城市隧道需要开挖建设，难免会产生城区隧道偏压现象。在隧道开挖对城区周边环境的影响研究过程中，多数研究人员采用数值模拟的方法进行研究分析，数值模拟因其准确性、高还原性、成本低等优点在业内得到了广泛应用，并且在研究过程中取得了丰硕的成果。现阶段，针对于隧道下穿施工引起的沉降方面，周智等1通过模拟分析研究了双线暗挖隧道下穿施工时引起的上方框架结构建筑物的变形规律；柳厚祥等2通过对隧道下穿密集小型砖混结构建筑群的数值分析，研究了隧道不同位置下穿引起的建筑物沉降规律；宫志群等3运用工程实例，分析了隧道群施工对临近基金项目：山东省交通运输厅科技计划项目，项目编号：2021B40。收稿日期：2022-10-20作者信息：何晨（1986），男，山东泰安人，硕士研究生，工程师，研究方向为交通运输领域安全生产管理，工程建设和信息化。何 晨，张 旭，唐志刚，惠 冰，田道国，马明畅，肖钦广：偏压状态下隧道诱发周边建筑物变形特征研究-98-建筑物的叠加影响；漆泰岳4运用FLAC3D建立了三维数值模型，针对地铁施工对地层沉降的影响进行了研究；田四明等5就铁路隧道施工与邻近建筑物之间产生的相互影响进行了研究分析，并且对施工采取的各类工程措施的效果进行了评估；刘会林等6-7分别就矿山法和盾构法隧道施工引起的上方建筑物的沉降进行了模拟分析，验证了其不同施工方法引起的各自沉降规律；朱才辉和李宁8基于Peck公式对隧道施工引起的地表沉降进行了分析，为研究地表建筑物的沉降规律进一步奠定了理论基础。潘文韬等9建立了三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。胡炜等10通过相关的研究，分析了顺层隧道围岩塑性区及位移场分布特征。马新民11对砂质页岩偏压隧道的变形机理展开了研究，基于此确定了偏压隧道施工支护的优化方案。邱业建等12根据虚功率原理开展了极限求解，对偏压隧道围岩压力进行了求解并进行了相关验证。陈红军等13建立了受力模型，并确定了滑移破坏的计算公式和相应的判定准则。杜建明等14-15独立考虑黏聚力与内摩擦角，基于极限平衡法求解推导出了偏压情况下的围岩压力计算方法。现有的研究针对隧道施工引起邻近建筑物沉降的原因、机理和影响等进行了详细地分析，得到了相对成熟的理论成果；同时对偏压隧道的研究领域，对于偏压隧道的下穿施工导致地表沉降的规律及原理也迈入了相对成熟的阶段。但是仍然缺乏对于偏压隧道下穿施工对邻近建筑物影响的研究。采用理论与实践相结合的方法，结合工程实例，运用FLAC3D数值模拟软件建立了数学模型，展开偏压隧道下穿施工对邻近建筑物影响的研究，通过该研究能丰富现有隧道开挖的研究内容。1 工程概况某隧道起讫里程：DSK33+860DSK35+230，其中隧道上行线DSK34+090DSK34+436下穿周边建筑物，隧道上行线DSK34+370DSK34+435段沿山体坡脚走向进行，隧道上方一侧为山体，坡比为10.75；另一侧为两栋楼房，根据距离隧道由近及远的顺序分别为9层和7层，房屋建于20世纪90年代末，扩大基础，基础埋深约2m，基础形式薄弱。2 数值仿真模型的建立2.1 隧道参数取隧道埋深为 40m，竖直方向由地面向下取60m，隧道沿走向方向的中线一侧是坡比为10.75的山坡，山坡最大高度取20m，在隧道断面水平方向取距离150m，沿隧道中线左右两侧各75m，两排平行楼房与隧道走向成13夹角，隧道单洞净高9.38m，路面基线洞宽7.06m。在构建有限元网格模型时，以隧道为中心，呈放射状构建网格，便于更直观地观测隧道开挖施工对地表建筑物产生的应力应变，设置边界条件：底部加设水平和竖向约束、四个侧面加设水平约束，不加竖向约束，地表面为可发生沉降的自由面。2.2 建筑物参数建筑物为两栋平行的框架结构民用楼房，基础为扩展基础，宽度约1.5m，基础埋深2m，距离隧道较近的一栋房屋层数为 9 层，长宽高45m10m30m，另一栋房屋层数为7层，长宽高38m19.5m24.5m，两栋房屋之间的距离为4.5m，网格划分见图1。FLAC3D 6.002018 ltasca Consulting Group,Inc.Zone GroupDefault=bianpoDefault=chuchenDefault=fangwuDefault=rock图 1 隧道-建筑物数值分析模型2.3 土层参数根据对本地质段的地质勘探得到，该段地段的土层主要为杂填土、粉质黏土、风化花岗岩，详细地质情况见图2。图 2 详细地质情况强风化长石石英砂岩友好老年公寓杂填层中风化长石石英砂岩石全风化花岗石斜井DSK33+860DSK34+800：坡度 5（）在地质勘探的基础上，通过隧道内的超前钻孔2023 年第 3 期山东交通科技-99-勘探与实际开挖工况反映出，地表建筑物所处位置为旧时山麓地带，地下多为松散的沉积物，沉积物堆积深度超过隧道埋深。因此在计算时，可以将土层简化为均质土层来计算，由于该处地下水系较为复杂，暂且不考虑地下水位对土层的影响，土层的本构关系采用摩尔-库伦模型，其土层物理参数按照级围岩来计算，详细参数见表1。表 1 材料物理力学参数参数弹性 模量 E/MPa泊松比重度/（kN m-3）黏聚力c/kPa内摩擦角/（）剪胀角/（）土层1000.352030228初衬25 0000.225-墙体2000.120-楼板28 0000.225-基础25 0000.225-2.4 数值模拟方案本次模拟的主要目的是分析偏压隧道的下穿施工对邻近建筑物沉降的影响，沉降的最大值一般产生在隧道开挖之后未完成二次衬砌之前，因此忽略隧道洞身的开挖过程，又由于在隧道左线下穿该处的施工过程中，隧道右线的掌子面尚未进入模拟范围之内，此处忽略右线，仅考虑左线施工情况。3 模拟沉降变形分析将上节提供的材料物理力学参数赋予FLAC3D构建的有限元模型，经过计算得到图3图6。由图3可以看出两栋房屋均产生了较大范围竖向位移，图4为模拟建筑物上的位移监测点，其点号16分别对应实际监测点L1M3，由图3可以看出，靠近隧道中线的建筑物的平均沉降量为38mm，而远离隧道中线的建筑物的平均沉降量为30mm，并且由曲线走势看出，沉降量仍然在增加，整体竖向位移数值均超出了设计控制值（30mm）；由图4可以看出，在隧道中线上方以及中线右方的山体产生了更大的变形，并且变形在竖向小范围内开始侵入隧道洞身；在隧道中线左侧建筑物之外的地表区域，沉降量较小，显然，在暗挖隧道下穿施工时对隧道上方地表沉降的影响与隧道上方建筑物的影响截然不同，以往针对偏压隧道施工导致上方地表沉降的研究规律在建筑物的沉降领域并不适用；虽然本模型没有考虑地下水位，设计开挖过程为一次性开挖，且各参数设计较为保守，会导致建筑物产生相较于实际沉降值较大的沉降变形，但是在实际运用设计来指导施工的过程中，仍然要预留足够的安全系数。因此，在该类工况的隧道开挖过程中，应对建筑物的基础进行预先加固，以保证安全施工。图 4 建筑物监测点位沉降量走势FLAC3D 6.002018 ltasca Consulting Group,Inc.-2.60-2.70-2.80-2.90-3.00-3.10-3.20-3.30-3.40-3.50-3.604.700 4.750 4.800 4.850 4.900 4.950运算步数 Step104位移量 Y-Axis101History123456图 5 模型竖向应力云图FLAC3D 6.002018 ltasca Consulting Group,Inc.Zone ZZ Stress3.0000E+052.000 0E+051.000 0E+050.000 0E+00-1.000 0E405-2.000 0E405-3.000 0E405-4.000 0E405-5.000 0E405-6.000 0E405-7.000 0E405-8.000 0E405-9.000 0E+05-1.000 0E406-1.100 0E+06-1.200 0E406-1.300 0E+06-1.400 0E+06-1.500 0E+06Calcuated by Polynomial ExtrapolationTolerance in SVDalgonithm：1e-07图 6 加深计算后的模型竖向应力云图FLAC3D 6.002018 ltasca Consulting Group,Inc.Zone ZZ Stress4.000 0E+063.000 0E+062.000 0E+061.000 0E+060.000 0E+00-1.000 0E+06-2.0000E+06-3.000 0E+06-4.000 0E+06-5.000 0E+06-6.000 0E+06-7.000 0E+06-8.000 0E+06-9.000 0E+08-1.000 0E+07Calculated by:Constant图 3 模型竖向位移云图0.000 0E+00-5.000 0E+00-1.000 0E+01-1.500 0E+01-2.000 0E+01-2.500 0E+01-3.000 0E+01-3.500 0E+01-4.000 0E+01-4.500 0E+01-5.000 0E+01FLAC3D 6.002018 ltasca Consulting Group,Inc.Zone Z Displacement由图5可以看出本模型的应力集中最大位置为隧道衬砌面，并且在隧道衬砌面上的应力呈束状不连续分布，说明以隧道为中心，构建发散状网格，能够更加方便地对其进行受力分析；图中隧道开挖方向为由图形表面向图形内侧，可以看出，虽然地表应力较小，但是拉应力与压应力呈条状交叉，走向何 晨，张 旭，唐志刚，惠 冰，田道国，马明畅，肖钦广：偏压状态下隧道诱发周边建筑物变形特征研究-100-水较为丰富，房屋基础薄弱，则将其影响范围乘以2倍系数，在实际施工过程中，取其影响范围为50m，即隧道掌子面开挖至建筑物垂直距离50m范围内的时候，取此时的建筑物沉降数据为数值分析的初始数据。4.2 数据分析为了给安全施工提供保证，在隧道掌子面到达地表建筑物的影响区域之前，即开始在相应建筑物上布设沉降观测点，同时开始沉降观测，点位的布设见图8。图 8 建筑物监测点位布设经过前期的数据采集，得到了一些房屋沉降的数据，该数据显示，在隧道掌子面未进入影响区内的时候，该处两栋楼房的沉降值较小，房屋地基处于一个比较稳定的状态，单次测量的变化速率不超过0.3mm/次，累计沉降量最大为-0.67mm，见图9和图10。第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量第六次测量第七次测量L1 L2 L3 M1 M2 M3点号变化速率/mm0.060.040.020.00-0.02-0.04-0.08-0.10-0.12-0.14-0.16-0.18-0.20-0.22-0.24-0.26-0.28-0.30-0.32图 9 开挖之前测量变化速率在隧道掌子面进入房屋影响区之后，建筑物开始产生较大沉降，当隧道开挖至中线距离建筑物最近的位置时，此时掌子面里程为DSK34+357，建筑物的L1号点产生最大沉降速率，并且沉降速率超出预警值，随后随着隧道的不断开挖，建筑物的累计沉降值不断增加，当隧道掌子面与建筑物尾部齐平的时候，迎来较大速率的沉降变化，最终建筑物趋于稳定，根据监与建筑物走向垂直，说明建筑物在该种工况下会受到部分地表剪应力，该力易造成建筑物的剪切变形，导致建筑物主体产生裂缝。在本工程的现场，建筑物很少出现这样的裂缝，也印证了建筑物较好的整体性。图6为在图3基础上稀疏了网格，降低了收敛标准得到的模型竖向应力云图，此应力云图针对于实际建筑物的沉降已经失去了较大的指导意义，但是由图像可以看出，偏压隧道的弱压一侧最终收敛后应力的集中区域为距离隧道中线0.5倍埋深的条状区域内。在本模拟工况中，该区域刚好位于两栋建筑物的中间，应力方向为正，说明在该条状区域内的建筑物沉降值应该比另一侧的沉降值略大，即两栋建筑物向中间产生部分倾斜。4 监测数据验证4.1 偏压隧道影响范围确定在实际的工程计算中，有很多预测隧道施工造成的地表沉降的方法，其中应用最广泛地为Peak公式，见图7，地表任意点的沉降值可根据公式（1）计算：.（1）式中：St（x）沉降量，mm；x点到隧道中线的水平距离，m；Smax,x水平等效地表最大沉降值，mm；V1地层损失率；D隧道宽度，m；K沉降槽宽度参数，mm；zx该点等效水平隧道埋深，m。初始偏压地层 1 m偏压地线隧道轮廓线Z0DDD该点等效水平地表线隧道轮廓线隧道轮廓线Z0Z0ZxXqx等效偏压荷载（a）初始偏压隧道（c）偏压荷载影响（b）偏压地线影响图 7 浅埋偏压隧道地表沉降叠加原理根据上述偏压地形下的地表沉降变形规律，假设隧道影响范围为洞径的5倍，经计算可得到偏压隧道影响下的地层任一点的沉降规律：.（2）式中：sq（x）偏压荷载下的地表沉降量，mm；E地层的压缩模量，Pa；u泊松比；1,2分别为积分区间，也就是隧道影响范围地表区间，即x1,2；偏压角，；地层重度，N/m3。根据公式（2）进行计算，可得到实际的影响较大范围为隧道洞径的3倍，同时因为考虑到该项目围岩状况较差，为离散状，地理位置位于坡脚，地下2023 年第 3 期山东交通科技-101-测数据及图纸分析可以得出在两栋建筑物之间的点位L3、M1产生了最大数量的沉降，最大沉降值达到了23mm左右，其余点位的累计沉降量基本呈现对称状，结果表明两栋楼房的沉降趋势为向两栋楼体之间发生倾斜，并产生不均匀沉降，该结果与上述数值模拟结果相对应，数据见图11和图12。第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量第六次测量第七次测量L1 L2 L3 M1 M2 M3点号累计沉降量/mm0-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.6-0.7图 10 开挖之前累计沉降量第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量第六次测量第七次测量L1 L2 L3 M1 M2 M3点号变化速率/mm0-5-10图 11 开挖之后测量变化速率第一次测量第二次测量第三次测量第四次测量第五次测量第六次测量第七次测量L1 L2 L3 M1 M2 M3点号0-5-10-15-20-25累计沉降量/mm图 12 开挖之后累计沉降量5 结语（1）运用修正的Peak公式来推导偏压隧道的影响范围，与实际房屋基础的沉降变化规律相比较，得出该公式推导出的影响范围具有较准确的指导意义。（2）在偏压隧道上方，距离隧道中线0.5倍埋深的区域位置内产生最大沉降变形，在隧道设计时应对此类区域加强验算，保证安全施工。（3）通过数值模拟与实际监控量测数据分析，针对基础薄弱的建筑物，在隧道下穿施工的过程中，房屋的沉降速率与累计沉降量均小范围超出了预警值，在开挖施工时应该对该类建筑物进行超前加固。（4）在本文的数值模拟中，并没有考虑水压力变化给模型带来的动态影响，导致了模拟值与监测值出现了部分偏差，后期该模型仍需继续完善。参考文献：1 周智,衡朝阳,孙曦源.隧道下穿施工诱发框架结构建筑物变形规律研究J.岩土工程学报,2015,37（S1）:110-114.2 柳厚祥,任志勇,陈思宇.隧道不同位置下穿施工引起邻近建筑物的变形分析J.土木工程学报,2014,47（8）:128-137.3 宫志群,唐聪,龚益军,等.基坑及隧道群施工对邻近建筑物的叠加影响研究J.地下空间与工程学报,2020,16（S2）:752-761.4 漆泰岳.地铁施工引起地层和建筑物沉降特征研究J.岩土工程学报,2012,34（7）:1283-1290.5 田四明,黄胜,陈立保.城际铁路隧道与邻近建筑物的相互影响研究J.现代隧道技术,2012,49（3）:67-76.6 刘会林,王东星.暗挖地铁隧道下穿既有建筑物沉降变化规律研究J.城市轨道交通研究,2019,22（6）:47-51.7 申兴柱,高锋,王少鹏,等.盾构隧道施工对浅基础建筑物影响研究J.施工技术,2017,46（13）:132-137.8 朱才辉,李宁.隧道施工诱发地表沉降估算方法及其规律分析J.岩土力学,2016,37（S2）:533-542.9 潘文韬,吴枋胤,何川,等.浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化J.隧道建设（中英文）,2021,41（S1）:352-361.10 胡炜,喻渝,谭信荣,等.顺层偏压隧道破坏特征及支护措施研究J.地下空间与工程学报,2020,16（S1）:450-456,510.11 马新民.砂质页岩偏压隧道非对称变形机理及其防治措施研究D.济南:山东大学,2020.12 邱业建,彭立敏,雷明锋.浅埋偏压隧道围岩压力上限法解析解J.土木工程学报,2015,48（6）:106-113.（下转第118页）刘 喆，赵伟波，韩 聪：大跨度钢管混凝土系杆拱桥设计与结构分析-118-4 结语新建的交通桥采用65m+90m+65m三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，受力体系明确，造型独特，具有很好的景观效应。该桥主要构件在设计时因主梁宽度较大，最终选取纵横梁形成梁格体系，增加主梁横向刚度，方便主梁在满堂支架上浇筑，具有较好的整体性。介绍了该系杆拱桥MidasCivil空间整体结构分析的主要计算参数及分析结果。结果表明：500MPa级高强度钢材综合性能优良，焊接接头的拉力、弯曲和焊接处强度均能满足技术条件的要求，能够满足桥梁建设的要求。我国桥梁高强度钢材生产和应用起步较晚，推动高强度钢材在我国桥梁建设中的应用，必将具有广阔的发展空间，对我国桥梁工程的发展具有深远的意义。参考文献：1 寇明国.下承式钢管混凝土系杆拱桥设计计算要点J.工程与建设,2011（5）:650-652.2 顾安邦,徐君兰.中、下承式拱桥短吊杆结构行为分析J.公路,2002（5）:8-10.3 杨建喜,陈惟珍,古锐.拱桥短吊杆动力特性分析J.桥梁建设,2014（3）:13-18.4 王春生,刘喆,翟晓亮,等.高性能钢管混凝土拱桥结构分析与施工监控J.钢结构,2015,30（6）:13-16.5 梁鹏.钢管混凝土拱桥拱肋预拱度的研究D.武汉:武汉理工大学,2004.6 李国豪.桥梁结构稳定与振动M.北京:中国铁道出版社,2002.（上接第101页）13 陈红军,刘新荣,杜立兵,等.浅埋层状岩体偏压隧道滑移破坏机理及判定方法J.地下空间与工程学报,2021,17（6）:1733-1741.14 杜建明,房倩.考虑黏聚力与内摩擦角的变坡面浅埋偏压隧道围岩压力计算方法J.湖南大学学报（自然科学版）,2022,49（1）:165-173.15 杜建明,房倩,海路,等.地表变坡下浅埋偏压隧道围岩压力计算方法J.中南大学学报（自然科学版）,2021,52（11）:4088-4098.（上接第92页）管引至排水沟内，见图4。图 4 老路土路肩设置盖板边沟新建分离路基老路路基10 cm C30 现浇混凝土2%4%2%3%L1 1.504 结语高速公路改扩建工程排水设计既要考虑既有公路排水设计的保护、利用，且受到既有公路排水系统的约束和限制，又要处理好既有道路排水存在的问题。如何保证高速公路改扩建后有一个完善的排水系统，以提高公路的服务水平及使用寿命，需要在工程实践中不断总结和提炼成果。参考文献：1 黎木平.改扩建公路工程的排水系统设计J.交通科技,2004（3）:34-35.2 中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范:JTG D302015S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.3 中华人民共和国交通运输部.公路排水设计规范:JTG/T D332012S.北京:人民交通出版社,2012.4 计月华,曹建建.多车道高速公路路拱形式及超高设计方法分析J.现代交通技术,2018（6）:16-18.5 山东省交通规划设计院集团有限公司.京台高速公路齐河至济南段改扩建工程设计文件Z.2022.