彭婵媛 王海龙* 张朋天 张清利

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.北旺集团有限公司，河北 承德 067000)

0 引 言

随着我国经济建设和城市化进程的不断发展，越来越多的城市建筑正在紧锣密鼓的修建，大多数城市建筑在地铁线路周围施工，对地铁隧道的安全运营造成不同程度的影响.建筑物的施工会产生复杂的卸荷和加载作用，改变邻近隧道周围土体的应力场和位移场，导致隧道产生变形，如果隧道变形超过安全限值，结构发生破坏，将会威胁地铁的正常运营与安全[1].因此，研究建筑荷载施加过程对既有隧道的沉降变形影响是非常有必要的.

姜兆华[2]采用理论分析、模型试验和数值模拟等方法针对基坑开挖时邻近隧道的力学响应规律进行了较为深入的研究，得到了隧道弯矩、土压力及内径的变化规律，并且提出了求解隧道水平与竖向的纵向位移和内力的计算方法.张波[3]研究了城市隧道台阶法施工时地表及近地表上层建筑物的相互作用，以及车辆以不同速度行驶时，开挖隧道断面与地层表面的变形.分析隧道、地表及建筑物间的相互作用机理，进而在隧道施工与受影响因素之间建立联系.康寅[4]分析了隧道覆岩在外荷载作用下的“活化”机理和隧道覆岩稳定性判别方法，结合隧道自身特性，优化《岩土工程手册》中小窑采空区地基稳定性判别公式，得出判断建筑物荷载下隧道覆岩稳定性的公式.王臣[5]分析了基坑开挖对隧道的影响，结果表明伴随着基坑的开挖，隧道发生了向建筑基坑一侧的位移且越靠近基坑一侧的水平位移越大；同时也展开了新建高层建筑加载对邻近已有隧道的研究，在建筑加载这一施工阶段，隧道位移场的影响主要以隧道沉降为主，隧道的水平位移变化相对较小.戴宏伟等[6]采用有限差分方法，通过改变隧道埋深、隧道孔径以及不同的地层参数对隧道的位移变形和内力进行了分析.研究结果表明：新建建筑物的施工加载对隧道的影响较大.

本文运用有限差分软件，建立三维数值模型，得到在不同建筑荷载、建筑荷载距隧道中心线的不同水平距离以及不同埋深下，隧道拱顶、地表以及地层的沉降规律.

1 数值模型建立

本文以石家庄某地铁工程为背景，地上交通较为便捷，通行量较大.地铁沿线局部旧建筑物未拆除，地下管线较为复杂.项目沿线地层主要由第四世纪冲洪积相堆积组成，沉积韵律明显，层位较稳定.根据钻探揭露及室内土工试验结果可划分为10个大的工程地质单元层.岩土计算参数取值见表1.

表1 地层分布参数表

图1 模型网格单元划分图

本文运用有限差分三维软件FLAC3D进行数值模拟计算.根据隧道开挖的影响范围，查阅大量的资料文献，选取的模型大小为100m(长)×100m(宽)×50m(高)，为了建模较为便捷，将十层不同的地层，采用加权平均的计算方法将地层简化为一层.模型中的岩土材料类型选用摩尔-库伦屈服准则和弹塑性材料本构关系，隧道混凝土注浆和衬砌采用线弹性本构模型，由于在本文地质资料中，地下水文地质情况较为简单，因此忽略地下水对模型的影响.模型的边界条件是在Z=13m处模拟地表，所以不施加边界条件，为自由约束；在Z=-37m、X=50m、X=-50m、Y=0m、Y=100m处为固定边界.隧道拱顶距地表埋深距离为10m，隧道直径为6m，衬砌管片厚0.3m，注浆层厚0.2m.模型网格单元划分图如图1所示，隧道拱顶测点布置如图2所示.

图2 隧道拱顶测点布置图

1.1 建筑荷载的计算

新建建筑荷载通过基础传递给地基，使天然土层原有的应力状态发生变化，表现为在地基压力作用下，产生的附加应力和竖向、横向变形，即在隧道、围岩以及地表产生位移沉降.根据类似的项目工程，结合《建筑结构荷载规范》确定，每一平方米的建筑物重量约为1000kg，本文模拟的单层建筑面积为1000m2(20m×50m)，经计算得出单层建筑荷载为104KN.本文的基础设定为筏板基础，并且不考虑地下室，故在模拟时直接将建筑物等效为均布荷载施加到地表上，进而分析隧道拱顶、地层及地表的沉降位移规律.

1.2 数值模拟工况

本文主要以不同建筑荷载(不同层数的建筑物)、建筑荷载距隧道中心线的不同水平距离L(如图3所示)以及隧道在不同埋深三种因素下进行模拟.

图3 建筑荷载距隧道中心线示意图

①在建筑荷载距隧道中心线距离相等以及埋深一致的条件下，逐级施加建筑荷载.施加建筑荷载等级如表2.

表2 施加荷载等级

②在建筑荷载为3.1×105KN以及隧道埋深为10m的条件下，建筑荷载距隧道中心线的不同距离L(8m、13m、18m、23m)下，分别监测隧道拱顶沉降、地层沉降和地表沉降数值规律.

③在建筑荷载为3.1×105KN和建筑荷载距隧道中心线的水平距离为13m的条件下，分别监测隧道埋深为10m、15m、20m、25m时，隧道拱顶沉降、地层沉降和地表沉降数值规律.

2 数值模拟结果分析

数值模拟的计算结果，常常在较多监测点的条件下，才能够体现出在不同工况下隧道拱顶、地层及地表沉降变形规律的更多细节.在本文中，竖向位移正值表示隧道隆起，负值表示隧道沉降，主要以分析沉降为主.

2.1 不同建筑荷载作用下沉降规律分析

建筑荷载为一个偏压荷载，施加在隧道顶右侧，具体荷载施加大小以及施加范围见表2.不同建筑荷载下隧道拱顶、地表沉降以及隧道上部地层规律如下图所示.

图4 隧道拱顶沉降变形规律图 图5 地表沉降变形规律图

由图4可以看到，在不同建筑荷载下，沉降曲线均大致呈对称分布，犹如“悬链”形，隧道拱顶的最大沉降量均发生在沿隧道长度中心位置，而在建筑荷载作用范围以外，隧道拱顶沉降量逐渐减小.随着建筑荷载的逐渐增大，隧道拱顶的沉降量也越来越大.图中还可以看出，隧道长度在100m外还会继续产生微小的沉降.另外，由于建筑荷载的施加是等差增加，每增大一级荷载，隧道中心处拱顶沉降量约增加2.46mm，增加量较为稳定.

从图5中可以看出，伴随着建筑荷载不断增加，地表沉降量越来越大.图中显示，建筑荷载距隧道中心线11m处，沉降量开始急剧增大，趋势较为明显.

图6 隧道拱顶上部地层沉降规律图

当建筑荷载为3.1×105KN时，建筑荷载施加范围内的地表最大沉降量约为50.98mm.

由图6可知，隧道拱顶上部地层的沉降曲线趋势较为平稳，近似一条水平线，随着建筑荷载不断增大，地层沉降量逐渐增大，当建筑荷载为3.1×105KN时，地层的最大沉降量约为12.01mm.

2.2 建筑荷载距隧道中心线不同距离下沉降规律分析

改变建筑荷载距隧道中心线的距离，模拟当距离分别为8m、13m、18m、23m时，隧道拱顶、地表及地层的沉降规律，具体分析如下.

图7 隧道拱顶沉降变形规律图 图8 地表沉降变形规律图

图9 隧道拱顶上部地层沉降规律图

从图7中可以看出，当建筑荷载距隧道中心线越近时，隧道的拱顶沉降量呈现整体增大趋势，沉降规律较为明显，“V”字形对称分布；当建筑荷载距隧道中心线越远时，沉降量越小，趋势越来越平缓，沉降量会随着水平距离的增大，影响越来越小，渐渐趋于平稳.

由图8可知，建筑荷载距隧道中心线的距离越大，地表沉降量呈减小的趋势.从每一条曲线的形状来看，在接近施加建筑荷载的部位，沉降量会有一个加速增长的过程，沉降量增长迅猛，增长的幅度较大.

从图9中可以看出，在建筑荷载距隧道中心线的不同距离下，每条曲线近似为一条直线，整体趋势平稳，距离隧道中心线越远，隧道上部地层的沉降量越小，并且沉降量随着水平间距的增大，增长值越来越小.

2.3 不同埋深下沉降规律分析

改变隧道的埋置深度，分析隧道埋深在10m、15m、20m、25m时，隧道拱顶、地表以及地层的沉降规律，具体分析如下.

图10 隧道拱顶沉降变形规律图 图11 地表沉降变形规律图

图12 隧道拱顶上部地层沉降规律图

由图10可以看出，隧道长度在0～20m和80～100m范围内，隧道拱顶的沉降量随着深度的增加而增大.当隧道长度在20～80m范围内时，隧道埋置深度越大，隧道拱顶位置的沉降量越来越小.在本文模拟的隧道长度范围内，隧道的拱顶沉降曲线基本呈对称分布.

如图11所示，不难看出，地表的沉降量，随着埋置深度的增大而减小，并且埋深越大，曲线的基本走势越趋于平稳，不会产生较大的涨落起伏.

如图12所示，地层沉降量随着埋深增大的曲线规律与前面所述两种地层沉降规律曲线略有不同.不同深度的沉降量曲线都呈先增大后减小，渐渐趋于平稳的趋势.总体来说，隧道拱顶上部地层的沉降量随着隧道埋置深度的增大而减小.

表3 隧道变形控制标准(CJJ/T202-2013)

3 结 论

本文主要针对建筑荷载对既有隧道产生的沉降进行数值模拟分析.主要从不同建筑荷载、建筑荷载距隧道中心线的不同距离以及不同隧道埋深三种影响因素进行了分析研究，得出以下结论：

(1)在不同建筑荷载下，隧道拱顶、地表以及地层的沉降量都随着建筑荷载的增大而增大.当施加3.1×105KN的荷载时，在建筑荷载施加位置，地表的沉降量最大，达到50.98mm.

(2)当施加建筑荷载为3.1×105KN、隧道埋深为10m时，随着建筑荷载距隧道中心线的距离的增大，隧道拱顶、地表及地层的沉降量越来越小.

(3)当建筑荷载为3.1×105KN及建筑荷载距隧道中心线水平距离为13m的条件下，隧道拱顶、地表及地层的沉降量随隧道埋深的增大而减小.

(4)综合分析上述三种不同因素下隧道沉降影响规律，结合《隧道变形控制标准》(CJJ/T202-2013)见表3.当建筑荷载最大为3.1×105KN，建筑荷载距隧道的水平距离为13m时，隧道拱顶的沉降量为12.94mm<20mm，满足隧道变形的控制标准；当隧道埋深为10m，建筑荷载距隧道中心线的距离为8m时，隧道拱顶的沉降量为22.15mm>20mm，不满足隧道变形的控制标准，对隧道结构的安全性产生影响.因此，在建筑荷载距隧道中心线8m时，不能建立建筑荷载为3.1×105KN的建筑物；当建筑荷载为3.1×105KN，建筑荷载距隧道的水平距离为13m时，隧道在不同埋深下的拱顶沉降量满足隧道变形的控制标准.