隧道开挖对上覆建筑结构内力的影响分析

隧道开挖对上覆建筑结构内力的影响分析

龚斌

摘要:随着我国基础设施建设迅猛发展，城市隧道的建设将有效减緩城市拥堵问题，但隧道的开挖也将会对临近建筑结构产生破坏影响。为此，采用数值软件MIDAS讨论分析隧道施工引起的上覆建筑结构的应力变化规律与破坏形式。结果表明:(1)隧道开挖对隧道轴线正上方的覆框架结构柱子的弯矩影响较小，对边柱影响较大，且此影响随着边距的增大而减小;(2)楼板与梁链接处在荷载作用下形成负弯矩，使得此处的楼板上部开裂，在跨中的地方则形成正弯矩而使得楼板下部开裂。

关键词:隧道开挖;建筑结构;应力分析;破坏形式

引言

随着城市地铁建设的发展，隧道开挖带来的环境问题越来越受到重视，其中隧道开挖对桩基的影响尤具代表性。由于隧道开挖不可避免地会引起周围岩土体的变形和位移，当隧道附近有桩基时，必然会引起桩基的附加变形和内力，桩周土体位移对桩体产生拖拽力会增大桩基沉降，降低桩基的承载力。Morton等(1979)和Loganathan等(2000)分别进行了重力场和离心机模型试验，发现隧道开挖对桩基影响很大，尤其是在软土中。目前关于隧道开挖对桩基影响的分析方法主要有两类，第一类是整体分析方法，即在模拟开挖过程的同时，将周围土体和桩体作为一个整体分析,通常利用整体有限元的方法进行分析计算。Mroueh等(2002)和Gordon等(2005)采用整体有限元方法分析了隧道施工对附近单桩和群桩的影响。整体有限元法能够考虑桩-土相互作用和被动群桩中桩-桩相互影响，以及土体各向异性和复杂的边界条件，然而这种方法工作量较大，而且计算往往需要专业的软件并且建模复杂，因而不易被工程设计人员所接受。第二类为两阶段分析方法，即把隧道开挖对桩基的影响分成两个阶段来分析:第一阶段分析隧道开挖引起的桩周土体变形;第二阶段将桩周土的变形施加到桩上，分析桩的变形及内力变化。Chen等(1999)、Loganathan等(2001)、王占生等(2002)采用两阶段分析方法评价了隧道施工对桩基的影响，首先计算隧道开挖引起的土体自由位移场，然后应用各种方法(比如有限元法、边界元法、有限差分法、弹性理论法)将位移施加于桩上分析内力位移。两阶段法意义明确，易于接受，然而目前没有简单明确的解析方法能够计算隧道施工对桩基的影响，尤其是考虑被动群桩的桩-桩相互影响的群桩计算。

1概述

本文采用两阶段分析方法，第一阶段采用Loganathan等(998)解析解计算隧道开挖引起的土体自由位移场，并用三次曲线进行拟合。第二阶段基于Winkler地基模型，首先建立单桩在被动位移下的荷载传递方程，计算单桩由于隧道开挖引起的位移和内力;其次考虑桩基对土体竖向位移的屏蔽，利用土体剪切位移法计算由于群桩遮拦效应而产生的遮拦位移，合理的考虑了被动群桩的桩桩相互作用;最后计算群桩由于隧道开挖引起的竖向位移和内力。

2工程概况及施工方案

所研究的竖井、横通道及区间隧道位于北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间，受影响的建筑结构为一个地上4层、地下1层的框架结构，与竖井的最近距离约16米。竖井、横通道、区间隧道及建筑结构的相对位置。开挖工序依次为竖井开挖，横通道开挖，区间隧道开挖。其中竖井采用倒挂井壁施工，横通道及区间隧道采用暗挖法分布开挖。

3计算模型单元类型及约束条件的选择

采用实体单元模拟地层。对于框架结构，为了便于分析结构内力，采用二维梁单元模拟结构的梁、柱构件。框架结构分为地上4层和地下1层，为了考虑土体及未模拟结构对结构模型的约束作用，假设地下1层地面处及结构断开处的节点无水平位移。竖井衬砌、结构底板、地下一层竖墙、横通道及区间隧道衬砌采用板单元模拟。

4计算结果分析

4.1框架结构内力分析

为了便于内力分析，将框架结构分为3排。由梁、柱弯矩图、表可知，施工前结构梁的初始最大弯矩为122.2,竖井施工完成后梁的最大弯矩为125，分部弯矩增量为2.8,占增幅总量的35%;横通道、区间隧道施工完成后梁的最大弯矩为130.2，分部弯矩增量为，占增幅总量的65%。施工前结构柱的初始最大弯矩为58.6，竖井施工完成后柱的最大弯矩为60.2，分部弯矩增量为1.6，占增幅总量的59%，横通道、区间隧道施工完成后柱的最大弯矩为61.3，分部弯矩增量为1.1,占增幅总量的41%。通过以上分析可得以下结论:(1)地下开挖对结构梁弯矩的影响明显大于对结构柱的影响;(2)对于结构梁，竖井开挖对其内力的影响较大，而对于结构柱，横通道、区间隧道开挖对其内力影响较大。

4.2地层沉降分析

为了分析距离竖井边缘不同位置处的地表沉降，选择观察断面如图8所示，6个断面与竖井边缘的水平距离分别为4米、8米、12米、16米、20米、24米。框架结构距离竖井边缘的距离为16米，此处由竖井开挖引起的地表最大沉降值为2.2mm，横向最大差异沉降为2.05mm;由横通道、区间隧道开挖引起的地表最大沉降值为1.5mm，横向最大差异沉降为1.26mm。框架结构的纵深长度约为8米，对比距离竖井边缘16米、24米处的最大地表沉降值，可知竖井开挖引起的纵向最大差异沉降为1.4mm，由横通道、区间隧道开挖引起的纵向最大差异沉降为1.0mm。通过以上分析可得以下结论:(1)无论是竖井还是横通道、区间隧道开挖，所引起的地表沉降趋势相同，地表沉降曲线类似于正太曲线;(2)竖井离建筑结构较近，开挖引起的最大地表沉降及差异沉降较横通道、区间隧道要大;(3)随着到竖井边缘距离的增加，地表沉降值逐渐减小，当达到3-4倍竖井内径时，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5结语

随着我国基础设施建设迅猛发展，城市隧道的建设将有效减緩城市拥堵问题，但隧道的开挖也将会对临近建筑结构产生破坏影响。本文以北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间的竖井、横通道及区间隧道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近建筑结构内力及变形的影响。计算结果分析表明:(1)由梁、柱内力变化可知，地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响;(2)地下开挖会引起地面凹陷，表沉降曲线类似于正太曲线;(3)随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

参考文献

[1]熊远勋,李绍聪,李小刚,杨兴伟,冉华,李金磊.隧道开挖引起上覆岩体移动变形分析及控制措施研究[J].公路与汽运,2020(04):153-156+163.

[2]刘汉龙,钟海怡,顾鑫,向钰周,仉文岗.平行隧道开挖引起场地沉降的透明土模型试验研究（英文）[J/OL].土木与环境工程学报(中英文):1-11[2020-07-29].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1218.TU.20200718.1031.002.html.

[3]赵雅博,王云平.隧道开挖对上覆建筑结构内力的影响分析[J].大连大学学报,2019,40(06):52-56.

[4]冯山群.地铁区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形影响的分析研究[J].中国高新技术企业,2014(04):116-120.