李国龙，袁长丰，黄海滨，王晋超，袁子晋
（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033）
[摘要]结合某高层建筑施工实际工程，运用Midas软件建立真三维数值模型，模拟高层建筑基坑分块、分层开挖卸载和建筑施工加载整个施工全过程对临近既有隧道的影响，通过隧道洞周收敛、隧道竖向位移、水平位移、变形曲率和衬砌产生的附加应力变化，对隧道安全进行评价。结果表明，计算结果与工程实际监测结果基本吻合，得出隧道处于安全工作状态的结论。
[关键词]高层建筑；隧道；基坑；荷载；数值模拟分析
[中图分类号] U456.3 [文章编号]1002-8498(2016)01-0077-05
0 引言
大量新建高层建筑位于隧道附近或骑跨隧道之上，使得隧道不可避免地受到建筑施工的影响。隧道的变形要求极其严格，绝对最大位移不得超过20mm，隧道回弹变形不超过15mm，隧道变形曲率半径必须>15 000m，相对变形必须<1/2 500。我国一些地方政府出台了相关法规，虽然规定了在临近既有隧道进行工程建设的安全保护区和特别保护区，但是这种区域的划分没有针对不同地质条件，隧道不同结构形式和施工工艺给出明确规定。以上海市为例，《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》要求在地铁工程（外边线）两侧3m范围内不能进行任何工程，仅是针对上海地区软土地质条件而言。
对于类似工程问题，不少学者也曾开展深入研究，但大多在上海、北京地区地质条件背景下展开研究，而且把研究重点放在基坑开挖对临近既有隧道产生的影响分析。实际上，建筑施工全过程不仅包括基坑开挖卸荷过程，还包括建筑荷载加载过程，在卸载、加载双重作用下，隧道会受到附加应力而产生变形，因此，建筑施工全过程对隧道安全产生的影响不可忽视。
本文结合青岛特有“土岩”二元地质结构情况，考虑基坑开挖过程的卸载和楼房施工加载全过程引起隧道变形与受力情况，为工程提供辅助支持。
1工程概况
本工程位于胶州湾海底隧道青岛接线端，对应于隧道YKl+760-YKl+860段，主体建筑包括5栋32层高层建筑及1层地下车库，基坑东侧约13m处为胶州湾海底隧道青岛接线端公路隧道，隧道右上方有2处已建建筑物。平面位置关系如图1所示。
该建筑基坑设计安全等级为一级，基坑南北长约130m，宽约100m，开挖深度约为6m，采用分块、分层开挖。基坑开挖完成后，进行建筑楼层的逐层施工加载。拟建建筑共5座，分别为B1~B5，相对位置如图1所示，该地块拟建建筑距离隧道边缘的最小距离分别是B1为80. 69m，B2为26. 17m，B3为21. 71m，B4为42. 97m，B5为69. 53m。建成后均为地上32层，地下1层，其中B1，B2的连线与隧道断面垂直，B3，B4的连线与隧道断面垂直。
接线端隧道总体呈南北走向，隧道埋深约16m，全长25. 1km，隧道几何尺寸高9.65m，跨度15. 926m，洞身以微风化花岗岩为主，整体较为完整，透水性较弱，设计采用了Ⅳ一Ⅱ型衬砌，围岩类型为Ⅱ一Ⅳ型，上下台阶法开挖，隧道支护形式为锚喷支护，支护材料与参数如表1所示，基坑和隧道相对位置剖面如图2所示。
2 场地工程地质条件
现场地勘资料表明，此场区地层由第四系和基岩组成，场区东侧第四系厚度较小，向西逐渐增大，东侧由全新统人工填土层组成，西侧主要由全新统人工填土层、全新统海相沉积层及上更新统洪冲积层组成；下伏基岩主要为燕山晚期粗粒花岗岩，局部穿插后期侵入的煌斑岩和细粒花岗岩岩脉。岩土层从上到下顺序如下：①素填土厚度约为4m；②粉质黏土厚度约为2m；③含黏性土粗砾砂厚度约为1m；④粗粒花岗岩强风化带厚度约为4m；⑤粗粒花岗岩中等风化带厚度约为7m；⑥粗粒花岗岩微风化带。各层主要物理力学参数如表2所示。
3数值分析
高层建筑全过程施工主要包括建筑基坑的分块、分层开挖以及开挖后建筑楼层的增加2个主要过程。一方面，建筑基坑开挖对周围岩土体来说是一个卸载过程，会引起周围岩土体的移动变形，进而可能对临近隧道结构产生附加应力，对隧道安全产生影响；另一方面，建筑楼层的增加对周围岩土层又是一个加载过程，同样可能会引起周围岩土层的移动变形，对临近隧道产生附加应力，给隧道安全带来隐患。因此，本文主要研究先卸载后加载过程对临近隧道的影响，并进行隧道安全评价。
3.1数值模拟方案
为了尽可能反映出建筑全过程施工对隧道带来的影响，本数值分析方案分为以下3步实施：①第1步考虑模拟基坑开挖前隧道受力情况；②第2步研究模拟基坑施工对临近隧道的影响；③第3步研究模拟随着建筑楼层增加所进行的加载对隧道的影响。
考虑基坑开挖影响范围，模型采用真三维模型（见图3），取模型长×宽×高尺寸分别为270m×250m×56m，采用四面实体单元，单元总数90 635个，节点24 226个。
为了准确模拟出建筑基坑开挖前隧道的应力状态，需要模拟隧道实际开挖过程。首先，模拟隧道开挖前初始地应力状态，模型四周施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，上边界为自由边界，初始荷载分为2部分，第1部分为上覆岩土层自重荷载，第2部分为已建临近建筑荷载，两处已建建筑均为砖混结构，分别为12层和7层，根据建筑结构设计规范，结构单位面积重力荷载（包括活荷载）12~14kN/m2，统一取l2kN/m2。这时，保留单元应力，位移清零。然后，按照隧道实际施工工法，结合现场实际监测数据最终确定基坑开挖前隧道准实际状态。
基坑开挖分为6块（见图4），按照实际施工方案，分块开挖支护长度≤40m，每次开挖厚度≤3m．开挖前，基坑周围采用1m厚复合式地下连续墙作为围护体，对周围土体预先加固止水。坑壁采用预应力锚杆进行围护，锚杆水平间距2m，倾角为200，长度为13m，锚固端长5m，自由端长8m，共打3层锚杆。
基坑开挖完成后，模拟建筑荷载对隧道产生的影响，每栋楼分3次加载。最后，分析基坑开挖卸荷和建筑荷载加荷后对隧道产生的位移、应力与基坑开挖前的隧道位移、应力变化进行对比和评价。
模型建立完成后，根据上述方案和实际施工情况，建立施工过程，把隧道开挖、基坑开挖、建筑荷载加载分为45个施工阶段。这45个阶段主要分为
3个过程。
1)过程1 采用上下台阶法模拟隧道施工，隧道开挖以及临时支护依次建模，施工下一阶段由永久支护取代临时支护，施工阶段为1~ 22阶段。隧道开挖施工完成后得到了准实际的隧道变形和应力状态，此状态可以近似当作基坑开挖之前地应力状态，在此基础上进行基坑开挖。
2)过程2隧道开挖完成后，在已有的隧道状态下进行基坑开挖及支护，采用分层、分块开挖，边开挖边支护，分3层开挖，每层开挖2m，每层分为6块，如图4所示，基坑开挖根据不同的施工阶段，具体开挖施工工法如表3所示，施工阶段为23~39阶段。
3)过程3 基坑开挖完成后，模拟建筑荷载对隧道产生的影响，模拟假设每栋楼均布荷载为32×12= 384kN/m2，如图5所示。其中，距离隧道较远的建筑B1，B4，B5先行加载，B1，B4，B5加载完成后进行B2，B3加载，每栋楼分3次加载，每次加载128kN/m2，具体加载过程如表4所示，施工阶段为40～45阶段。
3.2计算结果分析
建立如图5所示坐标系，由于拟建建筑B3距离隧道最近，同时过该建筑物中心轴线方向又是基坑中心位置，因此，取模型y= 135m剖切面计算后进行位移与受力分析。
y= 135m处隧道剖面监测点分布如图2所示。隧道洞周和拱顶监测点编号从左到右分别为1，2，3，4，5，6 6个节点，隧道拱底监测点编号从右到左分别为7，8，9，10，11 5个节点。
3.2.1 隧道位移分析
隧道的变形归纳起来可以分为3类，分别为收敛变形、竖向位移和水平位移。
对于收敛变形，隧道开挖完成后，洞周向隧道内出现净空收敛位移，通过监测点1和6可知隧道水平方向收敛5. 2mm，通过监测点3可知竖直方向拱顶最大沉降8. 4mm，通过监测点7可知，拱底最大隆起11. 9mm；基坑开挖完成后和建筑施工加载全过程引起的隧道收敛变形与隧道开挖完成后的隧道收敛值相比，变化很小，即收敛变形基本在隧道施工结束后停止，该建筑施工全过程对收敛变形影响不大。
由于基坑开挖卸荷影响，基坑侧壁和坑底土体向基坑内侧产生变形，引起周围土体产生偏向基坑一侧的位移，进而引起隧道整体向基坑一侧产生横向位移，并且整体有上抬趋势，施加建筑楼层荷载后，隧道变形减少，但是并没有恢复到基坑开挖前状态，竖直与水平位移云图如图6所示。
提取隧道洞周和拱底竖向位移数据，得到位移曲线如图7所示。
由图7可知，基坑开挖后，隧道竖向位移与基坑开挖前相比，整体向上移动，靠近基坑一侧上抬比远离基坑一侧要大，平均向上移动1. 0mm，随着建筑荷载的施加，隧道整体位移比基坑开挖后又有所回落，回落平均值为0. 65 mm。所以，建筑施工全过程后，隧道整体上抬0. 35 mm。经计算，隧道竖向变形曲率半径为700 967m >15 000m，符合隧道保护的控制要求。
提取隧道洞周水平位移数据，如图8所示。
从图8可知，基坑开挖后隧道整体位移与基坑开挖前相比，整体向基坑水平方向平均移动0. 58mm，随着建筑荷载的施加，隧道整体又向远离基坑一侧方向水平移动，平均移动值为0. 07 mm。所以，建筑施工全过程后，隧道整体向基坑一侧水平移动0. 51mm。
3.2.2 隧道应力分析
选取y= 135m处断面，拟建建筑基坑开挖完成后和拟建楼房荷载施加完成后阶段的最大主应力分布如图9所示，提取隧道洞周应力数据，得应力曲线如图10所示。结果表明，拟建建筑基坑开挖后，隧道围岩压力释放，在拱肩处和拱顶释放应力最大，在拱脚处释放最小，在拱脚处形成应力集中区。靠近基坑一侧的拱脚最大应力为0. 5MPa，随着建筑荷载的增加变化不大。
基坑开挖完成后，最大剪应力为0. 36MPa，随着建筑荷载的增加，剪应力变化不大。基坑开挖完成后，最大内力为1. 23MPa，随着建筑荷载的增加，内力为1. 24 M Pa，均没有超过C35混凝土设计值2. 2MPa，对衬砌不会产生超过0.2mm的裂缝，因而工程建设对隧道裂缝影响是安全的。
综上所述，建筑基坑开挖后，由于周围岩体应力释放，引起隧道围岩卸载，这种卸载是不均匀的，靠近基坑一侧卸载大，远离基坑一侧卸载小，同时，拱脚比拱肩卸载小，在拱脚处形成应力集中区，随着建筑荷载的增加，对隧道产生的附加应力变化不大。由模拟可知，该工程最大主应力、剪应力和衬砌内力均没有超过设计标准，工程建设对隧道影响是安全的。
4 结语
1)本建筑工程施工全过程对隧道洞周收敛变形影响很小。
2)在基坑开挖深度6m的情况下，基坑开挖使周围岩土体向基坑内侧变形，隧道整体出现上抬，并且距离基坑较近的一侧隧道上抬较为明显。建筑荷载施加后，隧道整体有所回落，但并没有回到基坑开挖前的状态，隧道位移和曲率变形都在允许的范围内，说明本工程施工是可行的。
3)本基坑开挖卸荷及建筑荷载加荷整个施工过程中隧道最大主应力、剪应力和衬砌内力均没有超过隧道荷载设计值。
4)本结论仅针对该工程开挖6m深基坑的实际情况开展研究，随着开挖深度的增加，对隧道的影响需要进一步研究。
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