新建工程基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)既建下臥隧道的影響研究

徐長(zhǎng)節(jié) ，王伊麗，徐芫蕾，王金昌

（1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.浙江大學(xué) 城市與濱海巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；3.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 330013；4.浙江大學(xué) 交通工程研究所，浙江 杭州 310058）

1 引 言

近年來(lái)，隨著建設(shè)用地的日趨緊張，鄰近工程之間相互影響的案例屢見不鮮，最為典型的就是基坑工程施工對(duì)鄰近工程，如隧道（包括鐵路隧道、公路隧道、人防隧道等）的影響作用：基坑開挖和后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工引起土體中應(yīng)力重分布，從而對(duì)隧道產(chǎn)生附加的應(yīng)力與位移[1-2]。

鑒于此，如何從定性與定量的角度來(lái)評(píng)估基坑開挖及后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工對(duì)于既建運(yùn)營(yíng)隧道安全性的影響具有重大意義。對(duì)于這一重大課題，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其解析解進(jìn)行了研究。陳郁等[3]結(jié)合Mindlin 經(jīng)典彈性理論解和彈性地基梁理論，不僅推導(dǎo)出由于基坑開挖引起臨近隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力并同時(shí)計(jì)算出隧道隆起量。劉國(guó)彬等[4]建立了預(yù)測(cè)下臥隧道豎向變形的坑底隆起變形計(jì)算模型，研究了控制基坑下臥盾構(gòu)隧道豎向變形的方法。楊棟[5]通過結(jié)合彈性力學(xué)基本方程、love 位移函數(shù)和Hankel積分變換理論，分析獲得彈性半空間體應(yīng)力與位移的解析解，來(lái)分析基坑開挖引起的周圍土體位移場(chǎng)變化和由于基坑開挖造成地鐵盾構(gòu)隧道的變形。蔣洪勝等[6]通過對(duì)比隧道變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和開挖基坑周圍土體位移場(chǎng)的理論分析，分別從隧道的垂直沉降、水平移動(dòng)以及橫向變形等角度討論了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響。吉茂杰等[7]結(jié)合時(shí)間、空間效應(yīng)，研究了臨近軟土基坑地鐵隧道的位移變化規(guī)律，并考慮基坑工程施工影響，推導(dǎo)出隧道位移變形的實(shí)用計(jì)算方法。

然而，解析方法在求解復(fù)雜模型問題時(shí)，往往遇到困難，因此，目前眾多學(xué)者更趨向于采用數(shù)值模擬方法來(lái)解決這類問題[8]。王衛(wèi)東等[8]采用數(shù)值模型模擬施工工況，分析了深基坑開挖過程中開挖卸載對(duì)臨近地鐵隧道的影響。高盟等[9]采用FLAC-3D 建立三維模型模擬開挖緊鄰上海某地鐵車站的工程基坑，對(duì)比有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)討論了設(shè)置托換樁、攪拌樁加固、分塊開挖等控制車站變形的有效措施。戚科駿等[10]采用Plaxis有限元軟件模擬了上海某一臨近地鐵隧道深基坑開挖的不同階段和不同施工方案，總結(jié)了不同施工方式對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的不同影響。徐長(zhǎng)節(jié)等[11]運(yùn)用Plaxis 有限元軟件對(duì)相鄰隧道受基坑施工的影響進(jìn)行了數(shù)值分析研究，分析表明，采取加強(qiáng)有關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度以及分塊對(duì)稱開挖等措施能顯著控制已建隧道的變形，同時(shí)說(shuō)明在基坑開挖前對(duì)其對(duì)鄰近地下建筑物的影響進(jìn)行預(yù)研是十分必要的。鄭剛等[12]以緊鄰已運(yùn)營(yíng)天津地鐵 1 號(hào)線既有隧道箱體上方的西青道下沉隧道基坑工程為背景，采用ABAQUS軟件對(duì)基坑的實(shí)際施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析并討論及時(shí)有效的隧道保護(hù)措施。

對(duì)于復(fù)雜的巖土工程問題，無(wú)論是傳統(tǒng)解析方法還是數(shù)值模擬方法都具有自身的優(yōu)越性與局限性。本文以某工程實(shí)例為背景，在此基礎(chǔ)上結(jié)合采用ABAQUS 有限元數(shù)值模擬分析法和簡(jiǎn)化的規(guī)范角點(diǎn)法研究某擬建房建工程對(duì)既建下臥某公路隧道的影響，計(jì)算并分析了新建工程基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)既建下臥公路隧道的應(yīng)力和變形的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，二者結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了本文數(shù)值分析和理論分析的正確性，研究方法和結(jié)論可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

擬建項(xiàng)目場(chǎng)地地貌單元屬丘陵地帶，位于半山腰處，最高海拔約為90 m，場(chǎng)地現(xiàn)已平整，高程在57.30～58.42 m 之間。本工程總用地面積為7 681 m2，建筑占地面積為1 600 m2，地上總建筑面積為4 462 m2，附設(shè)地下室一層，建筑面積為3 030 m2。擬建物主要為物資儲(chǔ)藏室及文化活動(dòng)場(chǎng)所、1#設(shè)備用房、2#設(shè)備用房、會(huì)議室、1#檔案樓和2#檔案樓，層數(shù)均為3 層，框架結(jié)構(gòu)。山腳下有一既建公路隧道，南北走向，建成至今10 余年。隧道為兩座單向雙車道隧道，兩隧道凈間距30 m，其中東線隧道長(zhǎng)825 m，西線隧道長(zhǎng)772 m，兩座隧道共長(zhǎng)1 597 m。隧道凈高5.0 m，凈空面積63.445 m2。

兩者平面位置關(guān)系如圖1 所示，兩者空間剖面關(guān)系如圖2 所示。

圖1 擬建建設(shè)工程與既建下臥隧道平面示意圖Fig.1 Plane diagram of the proposed construction project and the existing underlying tunnel

圖2 擬建建設(shè)工程與既建下臥隧道(西線)剖面示意圖Fig.2 Sketch map of the proposed construction project and the existing underlying tunnel(the west line)

隧道按新奧法（NATM）原則采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)以錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用模筑混凝土襯砌，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)防水夾層。其中：Ⅴ～Ⅵ類圍巖二次襯砌混凝土為30 cm 厚25 號(hào)模筑混凝土，Ⅲ類圍巖二次襯砌為35 cm 厚帶仰拱模筑混凝土。設(shè)計(jì)速度為50 km/h；根據(jù)行車荷載等級(jí)，洞內(nèi)路面采用厚24 cm 的C35 水泥混凝土路面。

現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3：

圖3 現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.3 Site Photos

2.2 工程地質(zhì)條件

2.2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)該建設(shè)工程勘察深度范圍內(nèi)揭露的地層，可將場(chǎng)地地基土劃分為3 個(gè)工程地質(zhì)層，其分布及力學(xué)參數(shù)取自該工程實(shí)例的工程地質(zhì)勘查報(bào)告，具體見表1。

表1 土層參數(shù)表Table 1 Table of soil parameters

根據(jù)該工程地質(zhì)勘查報(bào)告，該隧道所處地層均為中生界上侏羅系上統(tǒng)西山頭組成，巖性為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖性除風(fēng)化層外，致密堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育。勘察范圍內(nèi)有3 條不同產(chǎn)狀和規(guī)模的斷層，其中F2斷層與隧道成40°相交，寬1～10 m，傾角85°，為張扭性正斷層，強(qiáng)烈破碎；F1 與F2 斷層于洞口與軸線相交，但未伸入洞內(nèi)。

2.2.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)情況

地下水不發(fā)育，主要以第四系松散孔隙水和基巖裂隙水形式存在，水量貧乏?？傮w而言，地下水活動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響不大。

2.2.3 場(chǎng)地類別及不良地質(zhì)作用

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]和勘察資料報(bào)告等綜合判定擬建場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地穩(wěn)定性類別為穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無(wú)動(dòng)力地質(zhì)作用的破壞影響，且隧道所在區(qū)域?yàn)榈卣鸹痉€(wěn)定區(qū)，地震基本烈度為Ⅵ度，故本工程未見有明顯不良影響的地質(zhì)作用存在，較適宜擬建物建設(shè)。

3 有限元模擬分析

3.1 概述

為評(píng)價(jià)該項(xiàng)工程基坑開挖及后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工對(duì)既建隧道的影響，采用切合實(shí)際工程、適合復(fù)雜工況的ABAQUS作為有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

選取隧道頂部距待建房屋底部最近距離的剖面（如圖1 所示剖面1-1），簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析。在計(jì)算模型尺寸選取時(shí)，充分考慮了基坑開挖的深度、開挖基坑的大小及與既建公路隧道距離等工程影響范圍，模型大小取為284 m×86 m，如圖4 所示。

圖4 有限元計(jì)算模型簡(jiǎn)化圖(單位:m)Fig.4 Simplified graph of finite element calculation model(unit:m)

新建工程基坑開挖深度約為2.5 m，擬建建筑物用房均為3 層，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[14]，框架結(jié)構(gòu)每層荷載約為15 kPa，對(duì)地面產(chǎn)生荷載為15 kPa×3= 45 kPa，考慮到實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性以及后期地面填土，取安全系數(shù)K=1.78，則荷載為80 kPa。基坑開挖所在土層為素填土和含角礫黏性土，土體重度為19 kN/m3，挖土后卸載19 kN/m3×2.5 m=47.5 kPa，與新建工程所產(chǎn)生的荷載相疊加，最終對(duì)地表作用荷載為32.5 kPa。

3.1.2 材料參數(shù)選取

假定同一土層中的土是均勻的、連續(xù)的、各向同性的，考慮土體非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將其視為理想彈塑性體，采用線性Drucker-Prager（簡(jiǎn)稱D-P）本構(gòu)模型，來(lái)優(yōu)化復(fù)合新建工程基坑開挖及結(jié)構(gòu)施工對(duì)土體受壓狀態(tài)的模擬，并由室內(nèi)試驗(yàn)獲得的Mohr-Coulomb 模型參數(shù)c，φ 轉(zhuǎn)化獲得線性D-P 模型參數(shù)β，d，見表2。

表2 土層D-P 模型參數(shù)Table 2 D-P model parameters of the soil layer

線性D-P 本構(gòu)模型[16]（見圖5）在π 平面上的屈服面不是圓形，以此來(lái)真實(shí)地反映不同的三軸拉伸和壓縮屈服強(qiáng)度、π 平面上的塑性流動(dòng)以及不同的摩擦角和剪脹角，其屈服準(zhǔn)則為

式中：t為偏應(yīng)力參數(shù)；β為D-P 模型摩擦角，即線性屈服軌跡在p-t 應(yīng)力平面上的傾角；d為D-P模型黏聚力。

圖5 線性D-P 模型子午面上的屈服軌跡[16]Fig.5 Yield locus of linear D-P model on the meridian plane

3.1.3 分析步驟

Step-1：初始地應(yīng)力平衡。

Step-2：隧道開挖；以考慮襯砌的初始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，便于與施工完畢后的襯砌應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)相比較。

Step-3：新建工程基坑開挖，由于土質(zhì)較好，采用放坡開挖，一次性開挖到底，深度為2.5 m，卸載為47.5 kPa。

Step-4：新建工程結(jié)構(gòu)施工,以地面加載80 kPa來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該工況的模擬。

3.1.4 邊界及荷載條件

限定模型兩側(cè)的水平位移和模型底部?jī)蓚€(gè)方向的位移。設(shè)計(jì)單位明確：在新建工程范圍內(nèi)，基坑開挖相當(dāng)于卸載47.5 kPa，工程竣工后施工荷載約為80 kPa。

3.1.5 網(wǎng)格劃分

山體模型最小網(wǎng)格為0.5 m（圍巖附近），采用CPE4 單元，最大網(wǎng)格為3 m；隧道模型網(wǎng)格為0.5 m，采用CPE4I 單元（以精確模擬襯砌單元的彎曲變形模式），見圖6。

圖6 山體部分及襯砌部分網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation of the mountain and the lining

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)該房建工程施工不同時(shí)間段對(duì)隧道產(chǎn)生不同程度的影響，定義以時(shí)間段為劃分依據(jù)的3 個(gè)工況，分別為：0為隧道建成時(shí)工況（初始平衡狀態(tài)）、1為基坑開挖后工況、2為工程建成后工況。

3.2.1 初始地應(yīng)力平衡

徑向位移在10-16數(shù)量級(jí)（10-7～10-8為最大可接受地應(yīng)力平衡結(jié)果），平衡結(jié)果理想。

3.2.2 應(yīng)力和徑向位移結(jié)果及分析

利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)工程施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)襯砌建立圓弧局部坐標(biāo)系，1 方向?yàn)閺较颍? 方向?yàn)閳A弧切線方向，以S22 表示隧道襯砌沿圓弧正截面上的應(yīng)力，U2 表示隧道襯砌沿圓弧的徑向位移，獲得不同工況條件下應(yīng)力和徑向位移的數(shù)值結(jié)果。只取最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同工況下應(yīng)力與徑向位移計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Summarization of stress and radial displacement calculation results under different working conditions

限于篇幅，本文選取相對(duì)不利的西線隧道進(jìn)行詳細(xì)的有限元模擬數(shù)值分析。

由圖7 可知，隧道建成的初始平衡狀態(tài)作為工況0，此時(shí)西線隧道襯砌最大壓應(yīng)力約為7.5 MPa，位于拱角處，且襯砌內(nèi)部未出現(xiàn)拉應(yīng)力，符合巖石抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于抗拉強(qiáng)度的力學(xué)性能?；娱_挖2.5 m（工況1）時(shí)，相當(dāng)于土體卸載約47.5 kPa，相較于開挖前，西線隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)改變可忽略。待工程建成后（工況2），隧道襯砌最大壓應(yīng)力約8.5 MPa，較隧道建成后的最大壓應(yīng)力增大1.0 MPa，增幅約13.3%，但仍小于C25 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa。可見水廠配套用房建成后對(duì)隧道襯砌確有一定影響，但影響較小。

圖7 應(yīng)力沿襯砌圓弧變化曲線(西線)Fig.7 Curves of stress along the arc axis(the west tunnel)

由圖8 可知，隧道襯砌的最大徑向位移發(fā)生在拱頂，即拱頂豎向位移，在隧道建成工況0（初始平衡狀態(tài)）下約為2.20 mm，基坑開挖后工況1 與工程建成后工況2 時(shí)拱頂位移分別約1.7 mm 和3.7 mm，較基坑開挖前分別減小了0.5 mm 和增加1.5 mm。按照規(guī)范《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]：按Ⅲ級(jí)圍巖，拱頂下沉允許值為隧道寬帶的0.1%～0.3%，即12～36 mm?？梢?，基坑開挖和工程建設(shè)對(duì)隧道徑向位移均有影響，但較小，可忽略不計(jì)。

圖8 徑向位移沿襯砌圓弧變化曲線(西線)Fig.8 Curves of radial displacement along the arc axis(the west tunnel)

圖9 應(yīng)力沿襯砌圓弧變化曲線(東線)Fig.9 Curves of stress along the arc axis(the east tunnel)

圖10 徑向位移沿襯砌圓弧變化曲線(東線)Fig.10 Curves of the radial displacement along the arc axis(the east tunnel)

圖9和圖10分別為東線隧道應(yīng)力和徑向位移沿襯砌圓弧變化曲線，同理可以分析得到和西線隧道類似的結(jié)論，即新建工程的基坑開挖和工程建設(shè)對(duì)隧道襯砌和徑向位移均有一定影響，但較小。

綜合上述有限元分析，可得到以下兩點(diǎn)結(jié)論性意見：

（1）整個(gè)施工過程對(duì)襯砌內(nèi)力產(chǎn)生的影響較小，西線隧道內(nèi)力增幅約13.3%，東線隧道內(nèi)力增幅約12%，最大壓應(yīng)力小于襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，完全在安全范圍內(nèi)。

（2）工程建成后，西線隧道拱頂徑向位移增大約1.5 mm，東線隧道拱頂徑向位移增大約1.6 mm，位移增量很小，總量均在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

以上ABAQUS 數(shù)值模擬結(jié)果證明該工程建設(shè)是安全可行的。

4 土力學(xué)理論計(jì)算分析

4.1 概述

ABAQUS 有限元軟件從數(shù)值分析的角度驗(yàn)證了該工程的可行性與實(shí)施性，為進(jìn)一步論證，從傳統(tǒng)的土力學(xué)角度考慮，在陳郁等[3]結(jié)合Mindlin 經(jīng)典彈性理論解推導(dǎo)出由于基坑開挖引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力的基礎(chǔ)上，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]，利用簡(jiǎn)化的規(guī)范角點(diǎn)法計(jì)算矩形面積上均布荷載作用下土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力，即

式中：σz為擴(kuò)散距離為z 時(shí)地基中附加應(yīng)力；Kz為附加應(yīng)力系數(shù)；P為矩形均布荷載密度。

根據(jù)隧道剖面圖，隧道頂部黃海高程約為19 m，待建工程區(qū)域目前的黃海高程約為57.5 m，二者距離z=38.5 m，即附加應(yīng)力擴(kuò)散距離。故土力學(xué)傳統(tǒng)理論計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為，在含有地下室部分大小41 m×58 m 的矩形荷載和3 個(gè)擬建用房11 m×14 m 的矩形荷載作用下，土體附加應(yīng)力擴(kuò)散距離z=38.5 m 處附加應(yīng)力的計(jì)算。計(jì)算附加應(yīng)力平面簡(jiǎn)化圖形如圖11 所示。

圖11 附加應(yīng)力計(jì)算平面簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.11 Calculating plane diagram of additional stress(unit:mm)

根據(jù)附加應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律，隧道頂部受到的最大附加應(yīng)力區(qū)域可能位于西側(cè)隧道軸線與地下室相交中部A，或西側(cè)隧道軸線與1#設(shè)備用房相交的B，亦或東側(cè)隧道軸線與2#設(shè)備用房和2#檔案樓連線的交點(diǎn)C。因此，分別求出區(qū)域A、B、C 3 處的附加應(yīng)力，便可得由于基坑開挖引起的最大附加應(yīng)力。

4.2 區(qū)域A、B、C 受到的附加應(yīng)力

限于篇幅，選取附加應(yīng)力最大的相對(duì)不利點(diǎn)的區(qū)域B 作為具體的簡(jiǎn)化規(guī)范角點(diǎn)法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

4.2.1 B 點(diǎn)受到的附加應(yīng)力

（1）西線隧道頂部區(qū)域B 的附加應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖12～14 所示。

圖12 地下室傳至區(qū)域B 的計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.12 Calculation diagram of additional stress from basement to area B(unit:m)

圖13 1#設(shè)備間傳至區(qū)域B 的計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.13 Calculation diagram of additional stress from No.1 equipment room to area B(unit:m)

圖14 2#設(shè)備間傳至區(qū)域B 的附加應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)Fig.14 Calculation diagram of additional stress from No.2 equipment room to area B(unit:m)

（2）根據(jù)L/B 與Z/B 的值查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]“矩形面積上均布荷載作用下角點(diǎn)的平均附加應(yīng)力系數(shù)Kz”，并乘以地面矩形均布荷載密度P=32.5 kPa，計(jì)算結(jié)果如下：

由表4 中2#設(shè)備間傳遞到區(qū)域B 的附加應(yīng)力為1 kPa，可知，2#檔案樓由于距離B 更遠(yuǎn)，其對(duì)區(qū)域B 的影響數(shù)值將更小，可忽略不計(jì)。

所以，可得西線隧道頂部B 點(diǎn)受到的總附加應(yīng)力約為3.552+19.880+1.000 kPa=24.432 kPa

表4 西線隧道頂部區(qū)域B 的附加應(yīng)力計(jì)算Table 4 Calculated additional stress of roof area B in west tunnel

4.2.2 區(qū)域A、B、C 附加應(yīng)力計(jì)算

同理利用規(guī)范角點(diǎn)法可以求得區(qū)域A和C的附加應(yīng)力，3 個(gè)區(qū)域的附加應(yīng)力匯總表如表5 所示。

表5 區(qū)域A、B、C 附加應(yīng)力匯總Table 5 Additional stress summarization of areas A,B,C

4.3 土力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果

西線隧道從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)長(zhǎng)40 m 隧道頂部受到上部建筑物傳來(lái)的附加應(yīng)力不足30 kPa，進(jìn)一步采用有限元對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力模擬后發(fā)現(xiàn)，30 kPa 的外部荷載對(duì)襯砌產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力約0～0.45 MPa，其值相對(duì)隧道襯砌最大的8.5 MPa 壓應(yīng)力可忽略不計(jì)；且增加后的隧道襯砌壓應(yīng)力均在材料強(qiáng)度安全范圍內(nèi)，產(chǎn)生的最大徑向位移為0.10 mm，可忽略不計(jì)。

東線隧道受的的總附加應(yīng)力小于西線隧道，地下室荷載對(duì)東線隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力比較小；東線隧道主要受到2#設(shè)備用房及2#檔案樓影響，總附加應(yīng)力約為11 kPa 左右，和西線隧道產(chǎn)生的近似30 kPa 附加應(yīng)力相較更小，造成的影響更小，可以忽略不計(jì)。

故從理論分析的角度，該建設(shè)工程施工可行。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與對(duì)比分析

5.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

在基坑施工整個(gè)過程中，為保證下臥運(yùn)營(yíng)某公路隧道的安全，采用信息化施工對(duì)該隧道的拱頂位移和水平收斂進(jìn)行了常規(guī)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。限于篇幅，本文選取相對(duì)不利的西線隧道進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)對(duì)比分析。

考慮到西線隧道被影響長(zhǎng)度約為120 m，根據(jù)土力學(xué)計(jì)算的附加應(yīng)力最大區(qū)域A 和B 的位置，取監(jiān)測(cè)中部90 m 作為典型監(jiān)測(cè)段，每10 m 布置一個(gè)監(jiān)測(cè)面，共10 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每處監(jiān)測(cè)面設(shè)置2 對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)拱頂沉降和水平收斂，其中用凈空垂直位移代替拱頂沉降（隧道為全斷面開挖），采用WRM-3 型收斂計(jì)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，精度達(dá)0.03 mm（見圖15）。

圖15 監(jiān)測(cè)平面示意圖(單位:m)Fig.15 Monitoring plan sketch(unit:m)

5.2 監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

監(jiān)測(cè)面3 處于區(qū)域B，附加應(yīng)力最大，限于篇幅，選取該監(jiān)測(cè)面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，繪制如圖16。圖中所示的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值相差不大（穩(wěn)定于0.20～0.45 mm），且均小于計(jì)算值，0 隧道建成后工況（平衡狀態(tài)）、1 基坑開挖后、2工程建成后的豎向位移的實(shí)測(cè)值分別為1.80，1.41，3.30 mm，均在計(jì)算值2.20，1.70，3.70 mm 的安全范圍內(nèi)。另一方面，隧道水平收斂位移的數(shù)值模擬計(jì)算值為10-5m 級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中表明水平位移基本為0。

圖16 隧道拱頂豎向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比(西線)Fig.16 Comparison of tunnel's vertical displacement between measured values and calculated values(the west tunnel)

綜上說(shuō)明，基坑開挖的卸載和工程建設(shè)的加載對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)公路隧道的影響較小，說(shuō)明該項(xiàng)目實(shí)施的可行性。

6 結(jié) 論

（1）在既建公路隧道上方進(jìn)行工程建設(shè)，必然會(huì)對(duì)下臥隧道產(chǎn)生影響，引起隧道應(yīng)力以及位移的改變。本文結(jié)合具體工程，研究表明：雖然相當(dāng)于卸載的基坑開挖和加載的工程建設(shè)對(duì)該擬建工程有影響，但影響較小，從有限元數(shù)值分析、土力學(xué)理論計(jì)算以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，均證明了該工程建設(shè)的安全性和可行性。

（2）本文采用了數(shù)值分析法和傳統(tǒng)土力學(xué)兩種方法進(jìn)行對(duì)比研究，分析結(jié)果趨于一致。說(shuō)明數(shù)值分析法和傳統(tǒng)的土力學(xué)理論法在此類施工邊界清晰、荷載施加明確的工程中同樣具有適用性，而且傳統(tǒng)的土力學(xué)理論法概念更清晰，分析難度相對(duì)較小。

（3）對(duì)于本工程，在數(shù)值模擬方面，建立二維平面應(yīng)變的模型，相對(duì)于實(shí)際的隧道三維受力狀態(tài)，所得到的應(yīng)力及位移有放大的傾向，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明了這一點(diǎn)。因此，對(duì)于類似工程而言，二維分析模型計(jì)算工作量相對(duì)較小，相較于考慮三維的實(shí)際工程安全性更有保障。

（4）對(duì)于實(shí)際巖土和地下工程，由于存在諸多不確定性，如土體參數(shù)、隧道目前狀態(tài)等，為確保工程的安全性，有必要采取相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段。

[1]孔祥鵬,劉國(guó)彬,廖少明.明珠線二期上海體育館地鐵車站穿越施工對(duì)地鐵一號(hào)線車站的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(5):821－825.KONG Xiang-peng,LIU Guo-bin,LIAO Shao-ming.Influence of construction of Shanghai Stadium transverse station of Pearl Line phase ii on station of metro line No.1[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(5):821－825.

[2]姚燕明,周順華,孫巍,等.坑底加固對(duì)平行換乘車站基坑變形影響的計(jì)算分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2004,24(1):7－10.YAO Yan-ming,ZHOU Shun-hua,SUN Wei,et al.Calculation and analysis of influence of bottom strengthening on deformation of foundation pit for parallel transition station[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2004,24(1):7－10.

[3]陳郁,李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計(jì)算方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1(1):91－94.CHEN Yun,LI Yong-sheng.Calculation of tunnel heaving due to unloading of pit excavation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005,1(1):91－94.

[4]劉國(guó)彬,黃院雄,侯學(xué)淵.基坑工程下已運(yùn)行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2001,20(2):202－207.LIU Guo-bin,HUANG Yuan-xiong,HOU Xue-yuan.The prediction and control of rebound deformation of the existed tunnels right under excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001,20(2):202－207.

[5]楊棟.地下工程開挖對(duì)臨近隧道變形的影響分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.YANG Dong.The influence of the underground engineering excavation on adjacent tunnel deformation analysis[D].Shanghai:Tongji University.

[6]蔣洪勝,侯學(xué)淵.基坑開挖對(duì)臨近軟土地鐵隧道的影響[J].工業(yè)建筑,2002,32(5):53－56.JIANG Hong-sheng,HOU Xue-yuan.The influence of deep excavation on adjacent metro tunnel in soft ground [J].Industrial Construction,2002,32(5):53－56.

[7]吉茂杰,劉國(guó)彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移的預(yù)測(cè)方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,29(5):531－535.JI Mao-jie,LIU Guo-bin.Prediction method of displacement of subway tunnel due to excavation[J].Journal of Tongji University(Natural Science),2001,29(5):531－535.

[8]王衛(wèi)東,吳江斌,翁其平.基坑開挖卸載對(duì)地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2004,25(增刊1):251－255.WANG Wei-dong,WU Jiang-bin,WENG Qi-ping.Numerical modeling of affection of foundation pit excavation on metro tunnel[J].Rock and Soil Mechanics，2004,25(Supp.1):251－255.

[9]高盟,高廣運(yùn),馮世進(jìn),等.基坑開挖引起緊貼運(yùn)營(yíng)地鐵車站的變形控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(6):818－823.GAO Meng,GAO Guang-yun,FENG Shi-jin,et al.Control of deformation of operating subway station induced by adjacent deep excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(6):818－823.

[10]戚科駿,王旭東,蔣剛,等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(增刊2):5485－5489.QI Ke-jun,WANG Xu-dong,JIANG Gang,et al.Analysis of deep pit excavation adjacent to tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(Supp.2):5485－5489.

[11]徐長(zhǎng)節(jié),孫鳳明,陳金友,等.基坑相鄰地鐵隧道變形與應(yīng)力控制措施[J].土木建筑與環(huán)境工程,2013,35(增刊6):75－80.XU Chang-jie,SUN Feng-ming,CHEN Jin-you,et al.Analysis on the deformation and stress control measures of metro tunnel near a foundation pit[J].Journal of Civil,Architectural &Environmental Engineering,2013,35(Supp.6):75－80.

[12]鄭剛,劉慶晨,鄧旭,等.基坑開挖對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)地鐵既有箱體影響的實(shí)測(cè)及分析[J].巖土力學(xué),2012,33(4):1109－1116.ZHENG Gang,LIU Qing-chen,DENG Xu,et al.Field measurement and analysis of effect of excavation on existing tunnel boxes of underlying metro tunnel in operating[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(4):1109－1116.

[13]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China.GB50011-2010 Code of aseismic design of buildings[S].Beijing:China Building Industry Press,2010.

[14]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China.GB50009-2001 Load code for the design of building structures[S].Beijing:China Building Industry Press,2001.

[15]重慶市建設(shè)委員會(huì).GB550330-2002 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.Chongqing Municipal Construction Commission.GB550330-2002 Construction of slope engineering and technical specification[S].Beijing:China Building Industry Press,2002.

[16]王金昌,陳頁(yè)開.ABAQUS 在土木工程中的應(yīng)用[M].浙江大學(xué)出版社,2006.WANG Jin-chang,CHEN Ye-kai.Application of ABAQUS in civil engineering[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2006.

[17]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTGD70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.Chongqing Traffic Scientific Research and Design Institute.JTGD70-2004 Code for design of road tunnel[S].Beijing:China Communications Press,2004.

[18]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB 50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China.GB 50007-2011 Code for design of building foundation[S].Beijing:China Building Industry Press,2011.