隧道下穿文保建筑施工环境响应预测与分析

时间：2024-12-27

孙银娟，刘波

（1.江苏省地质矿产勘查局第一地质大队，南京 210041；2.东南大学土木工程学院，南京 211189）

0 引言

近些年，随着交通事业的蓬勃发展，地下隧道临近或穿越既有建筑物施工的案例大量涌现。隧道施工不可避免地会对周围岩土体产生扰动，进而引起地表建筑物不均匀沉降及上部结构附加变形，甚至导致建筑物开裂、破坏、倒塌。当地表结构为文物保护建筑时，则对隧道施工环境效应提出了更加严格的要求，需要在施工前进行准确的预测并提出保护措施。

相关学者针对隧道穿越地表建筑这一问题进行了相关研究，得到了一些有益的结论。例如张振等[1]采用显式动力分析软件LS-DYNA研究了硬岩地区地铁隧道爆破开挖对地表建筑的影响，得出了爆破震动在岩层中的传播规律和动态响应，针对采用的减震措施，评价了减震效果。张登雨等[2]、吴昌将等[3]以上海软弱地层中地铁11号线侧穿徐汇天主教堂工程为例，采用数值计算和现场实测的方法研究了盾构掘进施工对教堂的影响，评价了新型的MJS工法桩的加固效果。朱正国等[4]依托荣乌高速黄土岭浅埋偏压连拱隧道下穿古长城工程，采用数值模拟方法分析了施工过程中隧道受力和变形，选出了最合理施工方案，提出了隧道下穿古城墙施工时沉降及爆破振速控制标准。朱利明等[5，6]以南京地铁4号线侧穿鼓楼为背景，通过ANSYS有限元模拟与现场监测验证，分析了不同工况下爆破振动对南京鼓楼的影响，从降低振动角度给出了爆破药量和进尺建议值。赖金星等[7]以西安地铁4号线侧穿西安大雁塔文保建筑为背景，采用有限元分析软件MIDAS建模研究了盾构施工对大雁塔的影响，定量评价了隔离桩对减小施工环境响应的控制效果。王文斌等[8]、张承客等[9]采用数值模拟方法研究了有、无隔离桩条件下西安地铁2号线侧穿钟楼盾构施工引起的环境响应，验证了隔离桩的有效性。马蒙等[10，11]研究了西安地铁2号线和6号线隧道运营期内列车振动对临近钟楼的影响，评价了浮置板轨道和隔离桩两种减震措施的有效性。这些研究成果极大提高了隧道穿越文保建筑施工的理论和技术水平。然而，上述案例中，文保建筑一般坐落于水平人工填土、杂填土或软黏土地基中，且隧道多采用钻爆法施工，目前关于隧道下穿湿陷性黄土边坡上文保建筑的案例还比较少见。

文中以兰州白塔山双线隧道下穿湿陷性黄土边坡上文保建筑为工程背景，采用数值模拟方法研究隧道施工顺序、施工阶段对文保建筑沉降、水平位移、倾斜等影响规律，从降低对文保建筑影响角度出发给出优化施工方案和变形控制措施，以期为保障文保建筑安全提供技术参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

图1 白塔山隧道工程

为提升兰州白塔山片区商业、旅游及休闲功能，缓解北滨河路黄河铁桥（中山桥）东西两侧交通瓶颈，拟建造南、北两条隧道从白塔山景区下部穿过。白塔山上现存的古建筑群为甘肃省省级文物保护单位，该建筑群始建于元代，经明、清两代修葺扩建，最终形成了现存的规模和布局。建筑群根据白塔山地形分为一台、二台、三台和山脊顶端的白塔寺4组，共16座单体建筑或独立院落。

根据相关法律规定，涉及文物保护单位保护范围和建设控制地带的建设项目，必须保证文物保护单位的安全、不得破坏文物保护单位的历史风貌、不得建设污染文物保护单位及其环境的设施等，以确保白塔山建筑群本体安全和环境风貌和谐。

1.2 工程地质条件

施工区地貌单元属黄河北岸侵蚀-剥蚀堆积的黄土丘陵地貌，分布有黄河北岸Ⅲ～Ⅳ级阶地，地势西北高东南低，自西北向东南逐渐倾斜，沿线地面最高与最低海拔相对高差129.7m。文保建筑群根据白塔山的山体呈多级台阶状分布于各级平台之上，呈现错台分布。

山体上部为马兰黄土，中部为卵砾石，下部为前寒武系变质岩。由于上部黄土土质疏松，在地表水的侵蚀、冲蚀作用下形成了黄土梁、峁、沟壑等地貌，地形破碎。

1.3 隧道简介

隧道大致呈东西走向，为分离式双线隧道，北线隧道起讫里程NK0+479.5～NK1+626.975，长1147.475m，南线隧道起讫里程SK0+526.198～SK1+587.799，长1061.601m，单线总长约2209m。隧道为双向六车道，采用拱形内轮廓形式，三车道主线断面为三心圆型式，如图2所示。全线隧道采用悬臂掘进机进行开挖。

图2 隧道断面尺寸（单位：mm）

隧道洞身采用复合式衬砌结构，初期支护采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，二次衬砌采用模筑（钢筋）混凝土结构。

1.4 文保建筑

评估的文保建筑为百花亭。百花亭位于白塔山东麓，建筑面积107m2，双层歇山顶，南北朝向，平面略呈方形，1层柱网3层，中间四柱用通柱。檐柱南北明间做门道，其余各间栏杆围合，檐下各间施平升科单拱2攒。金柱次间砌墙，北侧开门，内置通往2层的楼梯；2层出平座，平座下端砌花墙与1层屋面相接，上方栏杆围合。百花亭体量较大，结构造型巧妙，保存较为完好，对研究兰州地方园林建筑具有一定的价值，如图3所示。

图3 文保建筑-百花亭实景

2 文保建筑三维激光扫描测绘

为准确获取文保建筑结构形式及尺寸，为后续三维数值建模提供支撑，对百花亭进行三维激光扫描测绘。测绘工作包括：对图根控制测量、外业扫描、内业数据处理三部分。扫描采用LeicaP40扫描仪，测角精度8，测距精度1.2mm+10ppm。经内业数据处理后得到了建筑三维激光扫描点云。

3 隧道下穿文保建筑数值模拟

3.1 模型建立

根据地形地貌、地层岩性、隧道设计施工方案以及百花亭建筑信息等，建立隧道下穿施工对百花亭影响的三维有限元数值计算模型，如图4所示。模型X方向取60m，Y方向取150m，Z方向取80m，该尺寸基本可以消除边界效应的影响。网格采用四面体网格，且在隧道、百花亭周围进行局部加密，以提高研究对象的计算精度。岩土体采用实体单元模拟，根据地质勘察结果，划分为黄土、卵石、强风化片麻岩和中风化片麻岩4层，百花亭基础坐落于马兰黄土地层上，隧道施工位于强风化片麻岩地层中，其中南线隧道位于百花亭正下方。

图5为南线隧道和北线隧道有限元模型。其中，隧道衬砌采用板单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟。为了研究隧道动态施工过程对百花亭的影响，建模时沿隧道走向将隧道划分为60个施工步，每个施工步开挖进尺1m。

图5 隧道三维有限元模型

3.2 模拟参数

模拟中，岩土体本构模型采用基于理想弹塑性准则的摩尔库伦模型（MC模型），MC模型有5个参数，即控制弹性行为的2个参数：弹性模量E、泊松比v，控制塑性行为的3个参数：有效粘聚力c、有效内摩擦角φ、剪胀角ψ，具体参数见表1。

表1 岩土体MC模型参数

模拟中，隧道衬砌、锚杆、百花亭构件材料采用线弹性本构模型。线弹性本构模型有2个控制参数：弹性模量E、泊松比v，各参数通过设计文件和相关资料获得见表2。

表2 隧道和文保建筑线弹性模型参数

3.3 模拟工况

为了研究隧道施工顺序对文保建筑的影响，给出优化施工顺序，制定了3种模拟工况。工况1：南、北线隧道同时施工；工况2：先施工南线后施工北线隧道；工况3：先施工北线后施工南线隧道。

同时，为了研究隧道施工过程对百花亭的影响，沿隧道施工方向分别设置如下几个关键阶段。阶段1：隧道施工至百花亭下边界前1倍建筑宽度（14m）处；阶段2：施工至百花亭下边界；阶段3：施工至百花亭上边界；阶段4：施工至百花亭上边界后1倍建筑宽度（14m）处，如图6所示。

图6 隧道施工过程4个阶段示意图

4 模拟结果分析

4.1 隧道施工顺序对文保建筑变形的影响

图7为不同工况条件下隧道施工结束时百花亭沉降云图。可见，垂直隧道轴线方向，从左向右百花亭基础及结构沉降逐渐降低。分析原因可能是因为百花亭左侧山体地势较低，面对临空面、所受约束较小，因此左侧沉降较大。沿隧道轴线方向，百花亭基础及结构沉降分布较为均匀。

图7 不同工况条件下百花亭沉降云图

工况1时，百花亭最大沉降7.66mm；工况2时，最大沉降7.78mm；工况3时，最大沉降7.46mm。可见，隧道施工顺序对百花亭沉降的影响不大。分析原因可能是因为隧道埋置于岩性较好的片麻岩中，且北线隧道距离百花亭较远，因此百花亭响应主要受南线隧道控制。综合隧道施工影响效果和施工进度，认为南、北线隧道同时施工是可行的。

图8为不同工况条件下隧道施工结束时百花亭水平位移云图。可见，亭身产生了朝向地形较低的临空面方向的水平位移，且顶面水平位移略大于基础水平位移，使亭身产生向临空面一侧的倾斜。

图8 不同工况条件下百花亭水平位移云图

工况1时，顶面最大水平位移约10.04mm，基础最小水平位移约4.24mm，两者相对位移5.8mm，由于百花亭高约10m，因此倾斜率为5.8×10-4；工况2时，顶面最大水平位移约为10.14mm，基础最小水平位移约4.31mm，两者相对位移5.83mm，倾斜率为5.83×10-4；工况3时，顶面最大水平位移约为9.85mm，基础最小水平位移约4.22mm，两者相对位移5.63mm，倾斜率为5.63×10-4。与前述结论一致，隧道施工顺序对百花亭水平位移和倾斜的影响不大。

4.2 隧道施工阶段对文保建筑变形的影响

由以上分析可知，隧道施工顺序对百花亭变形的影响很小。因此，下面以工况1：南、北线隧道同时施工为例，研究隧道穿越施工过程对百花亭变形的影响。

图9为隧道不同施工阶段时百花亭沉降云图。可见，随着隧道向前施工，百花亭沉降范围和大小也随之不断增大。阶段1时百花亭最大沉降1.30mm，占总沉降的16.97%；阶段2时，百花亭最大沉降3.85mm，约占总沉降的50.26%，较第1阶段增长了33.29%；阶段3时，百花亭最大沉降6.24mm，约占总沉降的81.46%，较第2阶段增长了31.2%；阶段4时，百花亭最大沉降6.72mm，约占总沉降的87.73%，较第3阶段增长了6.27%。从阶段1～阶段4，百花亭沉降增加了70.76%。由此可知，百花亭沉降主要由距百花亭上下边界各1倍建筑宽度范围内的隧道施工所引起，隧道在此范围外施工引起的建筑沉降占总沉降的比例很小。

图9 不同施工阶段百花亭沉降云图

图10为隧道不同施工阶段时百花亭水平位移云图。可见，阶段1时百花亭倾斜5.04×10-4，约占总倾斜的86.9%；阶段2时，百花亭倾斜5.28×10-4，约占总倾斜的91.03%，较第1阶段增长了4.13%；阶段3时，百花亭倾斜5.91×10-4，约占总倾斜的101.90%，较第2阶段增长了10.87%；阶段4时，百花亭倾斜5.9×10-4，与第3阶段一致。从阶段1～阶段4，百花亭倾斜仅增加了15%。由此可知，尽管隧道施工对百花亭倾斜的影响在隧道穿越阶段增长较快，但从总量上讲隧道施工对其影响不大。由于百花亭地处白塔山山坡台阶上，模拟过程中边坡产生向临空面的滑移，因此百花亭水平位移和倾斜主要受边坡位移控制而受隧道施工影响较小。因此，建议减少因地面花木喷灌而引起的黄土地基湿陷、滑塌，必要时采取边坡支挡、加固措施。