低温建筑技术 １０８ Ｌ０Ｗ Ｉ’ＥＭＰＥＲ Ａ１１ＩＲＥ ＡＲＣＨｎＥＣＴＵＲＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 第３９卷第３期 ２０１７年３月 ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１７．０３．０３２ 城市隧道下穿建筑物施工方案研究 王仕军 （昆明理工大学建筑工程学院。 昆明６５０５００） 【摘要】以杭州市某大厦及其下部隧道工程为例，对该工程的施工顺序提出了两种施工方案，即先开挖隧 道，后建大厦或先建大厦，后开挖隧道。通过地质勘查确定了该区域的岩土体参数，应用有限元软件模拟了两种 方案对隧道拱顶沉降值的影响，发现方案二的沉降值仅为方案一的三分之一。其塑性变形区位于直墙外侧及其 底部，需要对该位置进行加固以控制隧洞的纵向塑性变形。 【关键词】地表建筑；城市隧道；沉降值；塑性变形 【中图分类号】ＴＵ９４ 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】１００１—６８６４（２０１７）０３—０１０８—０３ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＣｏＮＳＴＲＵＣＴＩｏＮ ＳＣＨＥＭ ｏＦ ＵＲＢＡＮ ＴＵＮＮＥＬ ＵＮＤＥＲ ＢＵＩＬＤ ＧＳ ＷＡＮＧ Ｓｈｉｊｕｎ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉ．ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５０５００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｗｈｉｃｈ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｐｒ０ｊｅｃｔ ｉｎ Ｈａｎｇ— ｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ，ｗｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ：ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｆｉｒｓｔ ｏｒ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｆｓｔ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｅｒｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙ．Ｔｈｅ ｉｎ— ｌｆｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｅ ｔｔｗｏ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｕｌｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｔｒ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｏｎｌｙ １／３ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ．Ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｗａｓ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｏｆ ｈｅ ｓｔｔｒａｉｇｈｔ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ，ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｓｒｅｎｇｔｔｈｅｎｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｔｔｕｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ；ｕｒｂａｎ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ；ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 随着城市轨道交通的发展，城市地下空间的开发 和利用也在不断加强。地下工程有时需要修建在高 １５ｍ处需要进行隧道开挖，隧道洞口直径及墙高均为 ｌＯｒｅ，拱高５ｍ，具体见图１。 ２工程地质与水文地质条件 层建筑物之下，这将会造成建筑物的沉降，同时高层 建筑物的施工也会对在其下部的地下工程造成很大 影响。所以如何平衡二者之间的关系，是科研设计人 员研究的重点 。杭州市规划局计划在杭州市体育 场路与青龙街交界处西侧的一片空白场地上修建一 座３０层的商用大厦，同时在其地下１５ｍ处修建地铁。 根据勘察设计研究院提供的工程勘察报告显示， 该地区的地层由上至下主要为杂填土、有机质填土、 素填土、中等风化蚀变安山玢岩等。勘测时在地表下 １４．４６～１５．３３ｍ处发现有一层地下水（属潜水），水质 分析报告显示该地下水对钢筋混凝土结构中的混凝 土和钢筋均无腐蚀性。 由于地面工程的工程量较大，兼并考虑地下隧道 的建设，这无疑增加了施工难度。现场地质条件较为 本文以该工程为例，根据实际情况提出了两种施工方 案，即先开挖隧道，后建大厦或先建大厦，后开挖隧 道。并结合现场勘查所得的岩土体参数，应用有限元 软件对上述两种方案进行了模拟，在选择合适方案的 同时提出了一些建议。 １ 工程概况 复杂，需要考虑先挖隧道还是先修建地面建筑。现将 其分为两种方案进行数值模拟。方案一：先开挖隧 道，后建大厦，分析隧道开挖后，修建地面建筑物时造 成的隧道拱顶的下沉位移和塑性变形；方案二：先建 大厦，后开挖隧道，计算隧道开挖过程中隧道拱顶的 下沉位移和塑性变形。 杭州市某大厦拟建于杭州市体育场路与青龙街 交界处西侧。总建筑面积约为４１５２５．４８ｍ ，场地地势 基本平坦，绝对标高７．９５０ｍ。建筑物为３０层，荷载直 接作用在地基上，约为２．５×１０ ｋｇ／ｍ每层。大厦底部 ３计算前处理 第３期 ７５０ ｋＮ－ｍ 王仕军：城市隧道下穿建筑物施工方案研究 １Ｏ９ 到方案一网格，见图２。在隧道左右边界设置 方向 Ｉ Ｉ Ｉ Ｊ Ｉ Ｊ Ｉｎ 一 ３０ ． 位移约束，底部设置ｙ方向位移约束。在ｙ方向先施 加重力作用（图３），再依次施加外荷载。应用大应变 分析及Ｎｅｗｔｏｎ—Ｓｉｍｐｓｏｎ准则，在后处理中读入相关 ＿ ｌ ａ Ｉ一 Ｉ １０１５Ｉ５１ ｌＱ 数据和图形进行分析，结果见图４～图６。 ４０ ４０ 一 ０ Ｆ醛囊 ≤誊警 簇ｉ 潞 ； 獬 筝 兰兰 ｒ ４０ ．１ｎＩ １ Ｉ １０ ４０ 口 图１－ｒ程截面及边界图（单位：ｍ） ３．１ 理论分析 应用有效节点法（公式１），计算各个单元的应力 和位移。开挖后求解初始应力场方程（公式２），得到 总的位移和应力公式（３）、公式（４） 。 【 】（ ）＝［ 】 ｛ ）＝０ 【Ｋ２】｛８ｏ）＝一［Ｆ】 ｛ ）＝｛ ）＋｛△６） ｛ ｝＝｛ 。）＋｛△ ） 图２方案一网格 （１） （２） （３） （４） 方案一：计算隧道开挖后拱顶在自重条件下的沉 降值，再将修建地面建筑物产生的荷载分三步施加在 隧道上端的地表面，计算出沉降值。由自重和外荷载 引起的沉降值之和为拱顶的总沉降值。 方案二：先计算由于修建地表建筑物造成的在其 下方１５ｍ处的沉降值，再将隧道范围内设置为生死单 元计算该情况下的沉降值。由总的沉降值减去多进 行的一次自重作用下的沉降值（自重沉降值计算了两 次）得到所求沉降值。 ３．２计算模型 将两种方案都视为连续性介质进行考虑，由圣维 南原理可知，荷载对隧道的影响仅在隧道直径范围的 １．５～２倍尺寸范围内 。因此对隧道左侧、右侧及下 侧施加约束，左右限制纵向（ 方向）位移，下侧限制 横向（１，方向）位移。选用ＰＬＡＮＦＡ２单元进行平面应 力分析，每个单元节点的自由度数为２。材料选用各 向同性材料，其弹性模量Ｅ＝１．５×１０ ＭＰａ，泊松比 ＝图３ 自重作用下ｙ向位移 图４第一次加载ｙ『句位移 ０．２７；在Ｄ—Ｐ非线性材料中输入内聚力ｃ＝ ２．７２ＭＰａ，内摩擦角 ＝３５。；密度Ｐ＝２５００ｋｇ／ｍ 。采 用四边形四节点等参单元，网格划分为极端细化网 格，在隧道边缘处进行加密。 ４计算分析 ４．１方案一：先开挖隧道，后建大厦 为了更好的体现地面建筑施工过程对隧道产生 的影响，将荷载分三次进行加载，每次２５０ｋＮ／ｍ（１０ 层）。采用影射形式进行划分，面积单元边设为２，得 图５第二次加载ｙ向位移 ｌ１０ 低温建筑技术 第３９卷 图６第三次加载ｙ向位移 图９加载作用下ｙ向位移 模拟得到的拱顶位移为０．０８５—０．０３５＝０．０５３ｍ， ｙ方向最大位移分别为０．０３５、０．０５３、０．０７１和０．０８５ （含初始沉降值）。 ４．２方案二：先建大厦，后开挖隧道 将隧道左侧和右侧的面积单元边设为２，其余为 １，得到方案二网格，见图７。模型左右边界约束 方 向位移，底部约束ｙ方向位移。首先在初始模型上施 加自重应力，见图８，然后一次性施加全部外荷载，见 图９。然后再进行隧道开挖，得到隧道开挖后，，向位 移图，见图ｌ０。经过计算得到拱顶位移为０．０８９— 图ｌＯ开挖后ｙ向位移 ０．０７２：０．Ｏ１７ｍ，Ｙ向最大位移为０．０７２ｍ和０．０８９ｍ （含初始沉降值）。 图１１塑性区显示 图７方案二网格 两种方案的塑性变形方式相同，如图１ｌ所示。在 施工过程中，隧洞的塑性区出现在直墙外侧及其底部 附近，应该在直墙内侧及直墙底部设置工字钢进行加 固 。从应力分布图中可以看出隧道附近的应力值 偏小，究其原因可能是拱顶上部的岩土体材料ｃ值偏 大，不易屈服。但二者在拱顶处的位移相差近３倍，这 是由于先修建地面建筑时上部荷载对围岩产生的压 力增加了围岩的抗压强度，致使方案二中的沉降值小 于方案一中的沉降值 ’ 。两种方案得到的沉降值介 于０．０１７～０．０５３ｍ之间，沉降量较小，无需考虑建筑 图８自重作用下ｙ向位移 物的自身沉降。 ５结语 （下转第ｌ１３页） ４．３塑性变形分析 第３期 郑海泽：顺层岩质滑坡参数取值分析 ｌｌ３ 图４剖面２恢复原地形稳定性计算简图（泥化夹层控制） 行数值模拟分析，根据计算结果，可知该坡体稳定性 系数为０．９６２５，安全系数在０．９５～１．Ｏ０之间。采用反 算参数指标进行滑坡计算及设计较符合实际情况。 表２ 剖面２抗剪强度指标敏感性分析 经验，确定顺层岩质滑坡滑裂带的参数，选取典型剖 面对室内试验参数及反算参数进行数值模拟，来验证 参数的合理性。分析可知，滑坡参数采用滑坡滑体轮 廓恢复至原地形进行反算参数较为合理，室内试验及 地区经验为参照。为设计抢险方案提供较合理的数 据支持，为项目节省治理费用。 参考文献 ［１］ＤＢ５０／１４３—２００３，地质灾害防治工程勘察规范［ｓ］ ［２］ＧＢ５０３３０—２０１３，建筑边坡工程技术规范［ｓ］． ［３］ＤＢＪ５０—０４３—２００５，工程地质勘察规范［Ｓ］． ［４］ＤＺ／Ｔ０２１８—２００６，滑坡防治工程勘查规范［ｓ］． ［收稿日期］２０１６—１Ｉ一２８ 【作者简介］郑海泽（１９８２一），男，重庆人，硕士，注册岩土工 程师，从事岩土工程勘察及设计工作。 ５结语 本次采用室内试验、敏感性分析计算及重庆地区 （上接第１ １０页） 董燕，王安立，张刚，等．隧道施工对上覆建筑物基础变形的 影响［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１４，１０（１）：１４４—１４９． 张生．岩石隧道下穿建筑物施工变形控制研究［Ｄ］．重庆：重 庆大学，２０１３． 施成华，彭立敏，刘宝琛．浅埋隧道施工引起的纵向地层移 本文以扬州市某大厦及其地下隧道工程为研究 对象，对其施工顺序进行了研究。提出了两种施工方 案，即先开挖隧道，后建大厦或先建大厦，后开挖隧 道。并应用有限元软件对上述两种方案进行了模拟， 认为方案二提出的先修建地面建筑，后开挖隧道较为 动与变形［Ｊ］．中国铁道科学，２００３，２４（４）：８７—９１． 吕志涛，张生，邓怡虎，等．围岩蠕变对隧道下穿建筑物施工变形 的影响［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１４，１０（６）：１３８０—１３８６． 康骥鸣，许江，陈萍．高层建筑物下隧道围岩应力的分析 ［Ｊ］．重庆大学学报：自然科学版，２００５，２８（７）：１０２—１０５． 张顶立，李鹏飞，侯艳娟，等．浅埋大断面软岩隧道施工影响 下建筑物安全性控制的试验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００９．２８（１）：９５—１０２． 合理。这是由于建筑物施加的外部荷载提高了隧洞 周围围岩的抗压强度，使隧道开挖后拱顶的沉降值减 少。同时为了控制塑性区的变形，应该在直墙内侧及 底部设置工字钢进行加固。 参考文献 ［收稿日期］２０１６—１１一ｌ】 ［１］郭海满，刘成禹，杨建成．等。浅埋隧道上覆建筑的稳定性研 究［Ｊ］．铁道工程学报，２００９，（７）：８４—８８． ［作者简介］王仕军（１９８７一），男，昆明人，硕士研究生，研究 方向：工程管理。