王欣欣，胡小勇

(西安职业技术学院 建筑工程系，陕西 西安 710077)

0 前 言

随着城市发展进步，各类地下工程尤其是地铁工程已经进入大规模建设时期。城市地铁建设常伴随穿越高层建筑群与软弱围岩施工现状，高层建筑基础承载力较大，临近高层建筑群地下开挖洞口伴随的沉降问题必须严正以待，力求最大限度的减少沉降量[1]。传统隧道开挖引起的高层建筑物损伤研究方法分为两种[2]：其一为实际检测法，在项目施工同时进行监测，此法说服力较高，但是难以提前预测，一旦发生事故将造成不可挽回的损失；其二为考虑结构设计法，此法缺乏实际情况的考虑，说服力不高。青岛城市地层较为软弱，属于山城，地表起伏不平，地表之下为软弱围岩，又面临众多高层建筑，地铁洞口开挖施工难度巨大。本项目依托青岛在建地铁二号线，采用midas GTS软件进行模拟施工，计算了高层建筑群附近的隧道洞口围岩应力、初支应力以及二衬应力。

1 施工力学数值模拟

近年来隧道领域各种数值模拟方法得到逐步推广，其中有限元法、离散元法和有限差分法在实际应用中取得了良好的成果，在复杂结构与复杂边界条件问题中，数值模拟已经成为重要的研究施工的辅助手段。本文采用有限元法研究隧道施工过程造成的周围围岩以及支护应力变化等施工力学问题，首先对地层变形及应力传播问题研究，进而建立数值模拟模型，最后进行结果分析。

1.1 地层变形及传播规律

在穿越高层建筑群隧道施工过程中，隧道开挖前存在初始应力场，隧道开挖后地层释放应力场，形成二次应力场，支护施工完毕后形成三次应力场。与普通隧道施工不同，穿越高层建筑群必须考虑高层建筑对地基产生的应力重分布影响，施工过程中产生的微小不均匀沉降都可能导致重大事故发生[3]。隧道开挖后应力重分布局限于一定范围内，越邻近高层施工，隧道自身及周边建筑应力重分布将越发剧烈，地层产生沉降，包括应力与应变传递，见图1。

隧道开挖过程中，地层变形诱发地表沉降，地层变形具有空间三维性，地表沉降三维效果如图2所示。隧道施工引起地表移动对高层建筑物影响因素诸多[4-5]，除地层特征外，与建筑物基础结构形式以及自重有关，隧道开挖对高层建筑物损伤主要有以下两种形式[6-8]：其一为沉降对建筑物的影响；其二为地表曲率对建筑物影响。地表沉降分为均匀沉降与不均匀沉降，一般均匀沉降不会对高层建筑物产生损伤。不均匀沉降导致地表倾斜，尤其针对高层建筑，微小的倾斜即可使建筑物重心偏离基地形心，对地基产生极大倾覆力矩[9-10]。地表倾斜改变建筑结构内部承载力平衡状态，使倾斜下部墙体受到偏心力作用产生水平剪力，导致剪切裂缝产生。曲率对建筑物影响较大，分为正曲率变形区与负曲率变形区，地表由平面变成曲面导致荷载与基础初始平衡状态遭破坏[11]。

图1 上覆地层运动模式

图2 地表沉降三维简图

1.2 力学模型建立

隧道挖掘实际上是一个三维动态过程，围岩受力及隧道支护随施工推进而不断变化，这就需要采取数值模拟的办法来记录这一不断变化的过程。本文选取建设银行青岛分行办公楼与行政楼前后断面30 m区域建立三维有限元模型，在midas GTS软件中构件几何模型，并依据地层变形传播规律进行模型后处理，建立模型尺寸为120 m×60 m×65 m(长度×宽度×深度)，办公楼高度取值为25.2 m，行政楼比办公楼低4.8 m。模型前后施加水平约束，底部施加竖向约束，顶部为自由面加建筑物荷载(图3)。

图3 midas GTS整体计算模型

由于模型较大单元繁多，对三维弹塑性数值计算量大，故对数值模拟中的围岩及支护结构做如下处理：围岩采用三维实体单元，考虑为三维各向同性材料，采用Mohr-coulomb屈服准则；隧道初期支护、二衬采用壳单元，锚杆采用植入桁架单元，三者按照实际工程尺寸取值，初支20 cm，二衬50 cm，锚杆3.5 m，型钢拱架按抗压等效原则考虑：

E=E0+Sg×Eg/Sc

(1)

在公式(1)中E表示折算后混凝土弹性模量；Sc表示混凝土截面面积；Sg表示钢拱架截面积；E0表示原混凝土弹性模量；Eg表示钢材弹性模量。

房屋基础部分尺寸大小取值与实际相同，采用三维实体单元；上部结构简化为框架结构，梁与板、梁与柱、柱与基础均采用绑定约束，基础与围岩采用嵌入约束。荷载取值按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，恒载取值为建筑物自重10 kN/m2，民用建筑楼面均布活荷载取值为2.5 kN/m2；隔墙自重取4 kN/m2，活荷载与隔墙重组合设计值取S=1.35×4+1.4×2.5=8.9 kN/m2。

1.3 参数选取

根据岩土勘察报告及相关设计规范，认为土层较薄，将土层与下部岩体综合考虑，适当降低岩体物理参数以接近实际。考虑隧道开挖接近高层建筑物群实际情况，模型计算参数选取见表1，材料截面特性见表2。

2 围岩应力分析

根据工程实际，模拟施工开挖方式为采取1.5 m一个进尺，从大桩号向小桩号上下台阶法推进，具体施工布序如下：右洞上台阶开挖1.5 m；上台阶开挖50 m后下台阶开挖1.5 m；右洞二衬施作；右洞二衬施作完毕后开挖左洞，施工步序与右洞相同。采用midas GTS软件进行模拟施工。

表1 模型计算参数

表2 模型材料截面特性

2.1 支护结构力学分析

根据midas GTS软件计算结果得到右洞开挖完成时初支最大压应力与拉应力云图见下图4。

由图4可知右洞初支完毕后右洞最大拉应力为1.88 MPa，最大压应力为5.97 MPa，压应力集中于右洞左侧拱肩拱脚部位，左洞开挖时右洞受扰动最大拉应力为1.88 MPa。左洞开挖过程中，最大拉应力位置逐步改变至中夹岩侧拱肩部位，左洞受到最大拉应力为2.31 MPa。左洞开挖完毕后最大压应力住处各排基础下拱腰与拱脚部位，第二排基础拱脚压应力最大为4.71 MPa。整体来看支护结构内力较大，内力分布与围岩内力一致，C20喷射混凝土极限拉应力为2.1 MPa，极限压应力为21 MPa，左洞部分拉应力超过混凝土极限拉应力，因此开挖过程中需加密钢拱架或提高混凝土标号以保障支护结构稳定性。

图4 右洞初支最大压应力(左)与左洞初支最大拉应力(右)云图

2.2 二衬应力分析

二衬施作是保障隧道支护结构稳定性的重要施工工艺，通过midas GTS软件计算得到二衬施作最大压应力与拉应力情况见下图5。

由图5可看出二衬整体受到拉、压应力较小，主要表现为受压，右洞二衬施作后最大拉应力为0.028 MPa，最大压应力为0.11 MPa，拉应力整体很小，不再考虑，压应力最大区域为拱腰及拱脚区域，左洞二衬施作完毕后最大拉应力为0.74 MPa，最大压应力为2.05 MPa，拉、压应力提升幅度不小，最大压应力集中于右洞拱脚部位。左右洞口二衬最大拉应力远小于C30混凝土极限拉、压强度(2.2 MPa与28.1 MPa)，论证了右洞开挖后必须在二衬施作完成后进行左洞开挖，右洞二衬分担了部分左洞开挖导致的应力增长，保证了结构稳定性。

3 结 论

本文首先分析了施工地层变形及传播规律，然后根据midas GTS软件建立了软弱岩体隧道施工力学模型，通过软弱围岩应力分析，得出以下几点结论。

1) 模拟施工首先进行右洞开挖，掌子面距断面7.3 m(隧道底部宽度)处，拱顶沉降值与周边收敛值趋于稳定，此时沉降值为1.33 mm，周边收敛值为2.46 mm；右洞下台阶开挖后拱顶沉降值为1.15 mm，右洞周边收敛值为5.74 mm，增幅达到133%，可知洞口左右两侧受力不均，产生应力重分布。

2) 对初支结构应力得到右洞初支完毕后最大压应力为5.97 MPa，集中于右洞左侧拱肩及拱脚部位；左洞开挖完毕后左洞受到最大拉应力为2.31 MPa，C20喷射混凝土极限拉应力为2.1 MPa，在实际工程中需加密钢拱架保障初支结构稳定性。

图5 右洞二衬最大压应力(左)与左洞二衬最大压应力云图

3) 对二衬应力分析可知二衬整体主要表现为受压，最大压应力为2.05 MPa，远远小于C30混凝土极限压应力，计算结果证明了施工步序合理性，右洞二衬分担了部分左洞开挖导致的应力增长。