隧道下穿文保建筑施工環境響應預測與分析

孫銀娟， 劉波

（1.江蘇省地質礦產勘查局第一地質大隊，南京 210041；2.東南大學土木工程學院，南京 211189）

0 引言

近些年，隨著交通事業的蓬勃發展，地下隧道臨近或穿越既有建筑物施工的案例大量涌現。隧道施工不可避免地會對周圍巖土體產生擾動，進而引起地表建筑物不均勻沉降及上部結構附加變形，甚至導致建筑物開裂、破壞、倒塌。當地表結構為文物保護建筑時，則對隧道施工環境效應提出了更加嚴格的要求，需要在施工前進行準確的預測并提出保護措施。

相關學者針對隧道穿越地表建筑這一問題進行了相關研究，得到了一些有益的結論。例如張振等[1]采用顯式動力分析軟件LS-DYNA研究了硬巖地區地鐵隧道爆破開挖對地表建筑的影響，得出了爆破震動在巖層中的傳播規律和動態響應，針對采用的減震措施，評價了減震效果。張登雨等[2]、吳昌將等[3]以上海軟弱地層中地鐵11號線側穿徐匯天主教堂工程為例，采用數值計算和現場實測的方法研究了盾構掘進施工對教堂的影響，評價了新型的MJS工法樁的加固效果。朱正國等[4]依托榮烏高速黃土嶺淺埋偏壓連拱隧道下穿古長城工程，采用數值模擬方法分析了施工過程中隧道受力和變形，選出了最合理施工方案，提出了隧道下穿古城墻施工時沉降及爆破振速控制標準。朱利明等[5，6]以南京地鐵4號線側穿鼓樓為背景，通過ANSYS有限元模擬與現場監測驗證，分析了不同工況下爆破振動對南京鼓樓的影響，從降低振動角度給出了爆破藥量和進尺建議值。賴金星等[7]以西安地鐵4號線側穿西安大雁塔文保建筑為背景，采用有限元分析軟件MIDAS建模研究了盾構施工對大雁塔的影響，定量評價了隔離樁對減小施工環境響應的控制效果。王文斌等[8]、張承客等[9]采用數值模擬方法研究了有、無隔離樁條件下西安地鐵2號線側穿鐘樓盾構施工引起的環境響應，驗證了隔離樁的有效性。馬蒙等[10，11]研究了西安地鐵2號線和6號線隧道運營期內列車振動對臨近鐘樓的影響，評價了浮置板軌道和隔離樁兩種減震措施的有效性。這些研究成果極大提高了隧道穿越文保建筑施工的理論和技術水平。然而，上述案例中，文保建筑一般坐落于水平人工填土、雜填土或軟黏土地基中，且隧道多采用鉆爆法施工，目前關于隧道下穿濕陷性黃土邊坡上文保建筑的案例還比較少見。

文中以蘭州白塔山雙線隧道下穿濕陷性黃土邊坡上文保建筑為工程背景，采用數值模擬方法研究隧道施工順序、施工階段對文保建筑沉降、水平位移、傾斜等影響規律，從降低對文保建筑影響角度出發給出優化施工方案和變形控制措施，以期為保障文保建筑安全提供技術參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

圖1 白塔山隧道工程

為提升蘭州白塔山片區商業、旅游及休閑功能，緩解北濱河路黃河鐵橋（中山橋）東西兩側交通瓶頸，擬建造南、北兩條隧道從白塔山景區下部穿過。白塔山上現存的古建筑群為甘肅省省級文物保護單位，該建筑群始建于元代，經明、清兩代修葺擴建，最終形成了現存的規模和布局。建筑群根據白塔山地形分為一臺、二臺、三臺和山脊頂端的白塔寺4組，共16座單體建筑或獨立院落。

根據相關法律規定，涉及文物保護單位保護范圍和建設控制地帶的建設項目，必須保證文物保護單位的安全、不得破壞文物保護單位的歷史風貌、不得建設污染文物保護單位及其環境的設施等，以確保白塔山建筑群本體安全和環境風貌和諧。

1.2 工程地質條件

施工區地貌單元屬黃河北岸侵蝕-剝蝕堆積的黃土丘陵地貌，分布有黃河北岸Ⅲ～Ⅳ級階地，地勢西北高東南低，自西北向東南逐漸傾斜，沿線地面最高與最低海拔相對高差129.7m。文保建筑群根據白塔山的山體呈多級臺階狀分布于各級平臺之上，呈現錯臺分布。

山體上部為馬蘭黃土，中部為卵礫石，下部為前寒武系變質巖。由于上部黃土土質疏松，在地表水的侵蝕、沖蝕作用下形成了黃土梁、峁、溝壑等地貌，地形破碎。

1.3 隧道簡介

隧道大致呈東西走向，為分離式雙線隧道，北線隧道起訖里程NK0+479.5～NK1+626.975，長1147.475m，南線隧道起訖里程SK0+526.198～SK1+587.799，長1061.601m，單線總長約2209m。隧道為雙向六車道，采用拱形內輪廓形式，三車道主線斷面為三心圓型式，如圖2所示。全線隧道采用懸臂掘進機進行開挖。

圖2 隧道斷面尺寸（單位：mm）

隧道洞身采用復合式襯砌結構，初期支護采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網和鋼架等支護形式單獨或組合使用，二次襯砌采用模筑（鋼筋）混凝土結構。

1.4 文保建筑

評估的文保建筑為百花亭。百花亭位于白塔山東麓，建筑面積107m2，雙層歇山頂，南北朝向，平面略呈方形，1層柱網3層，中間四柱用通柱。檐柱南北明間做門道，其余各間欄桿圍合，檐下各間施平升科單拱2攢。金柱次間砌墻，北側開門，內置通往2層的樓梯；2層出平座，平座下端砌花墻與1層屋面相接，上方欄桿圍合。百花亭體量較大，結構造型巧妙，保存較為完好，對研究蘭州地方園林建筑具有一定的價值，如圖3所示。

圖3 文保建筑-百花亭實景

2 文保建筑三維激光掃描測繪

為準確獲取文保建筑結構形式及尺寸，為后續三維數值建模提供支撐，對百花亭進行三維激光掃描測繪。測繪工作包括：對圖根控制測量、外業掃描、內業數據處理三部分。掃描采用LeicaP40掃描儀，測角精度8，測距精度1.2mm+10ppm。經內業數據處理后得到了建筑三維激光掃描點云。

3 隧道下穿文保建筑數值模擬

3.1 模型建立

根據地形地貌、地層巖性、隧道設計施工方案以及百花亭建筑信息等，建立隧道下穿施工對百花亭影響的三維有限元數值計算模型，如圖4所示。模型X方向取60m，Y方向取150m，Z方向取80m，該尺寸基本可以消除邊界效應的影響。網格采用四面體網格，且在隧道、百花亭周圍進行局部加密，以提高研究對象的計算精度。巖土體采用實體單元模擬，根據地質勘察結果，劃分為黃土、卵石、強風化片麻巖和中風化片麻巖4層，百花亭基礎坐落于馬蘭黃土地層上，隧道施工位于強風化片麻巖地層中，其中南線隧道位于百花亭正下方。

圖5為南線隧道和北線隧道有限元模型。其中，隧道襯砌采用板單元模擬，錨桿采用植入式桁架單元模擬。為了研究隧道動態施工過程對百花亭的影響，建模時沿隧道走向將隧道劃分為60個施工步，每個施工步開挖進尺1m。

圖5 隧道三維有限元模型

3.2 模擬參數

模擬中，巖土體本構模型采用基于理想彈塑性準則的摩爾庫倫模型（MC模型），MC模型有5個參數，即控制彈性行為的2個參數：彈性模量E、泊松比v，控制塑性行為的3個參數：有效粘聚力c、有效內摩擦角φ、剪脹角ψ，具體參數見表1。

表1 巖土體MC模型參數

模擬中，隧道襯砌、錨桿、百花亭構件材料采用線彈性本構模型。線彈性本構模型有2個控制參數：彈性模量E、泊松比v，各參數通過設計文件和相關資料獲得見表2。

表2 隧道和文保建筑線彈性模型參數

3.3 模擬工況

為了研究隧道施工順序對文保建筑的影響，給出優化施工順序，制定了3種模擬工況。工況1：南、北線隧道同時施工；工況2：先施工南線后施工北線隧道；工況3：先施工北線后施工南線隧道。

同時，為了研究隧道施工過程對百花亭的影響，沿隧道施工方向分別設置如下幾個關鍵階段。階段1：隧道施工至百花亭下邊界前1倍建筑寬度（14m）處；階段2：施工至百花亭下邊界；階段3：施工至百花亭上邊界；階段4：施工至百花亭上邊界后1倍建筑寬度（14m）處，如圖6所示。

圖6 隧道施工過程4個階段示意圖

4 模擬結果分析

4.1 隧道施工順序對文保建筑變形的影響

圖7為不同工況條件下隧道施工結束時百花亭沉降云圖?？梢?，垂直隧道軸線方向，從左向右百花亭基礎及結構沉降逐漸降低。分析原因可能是因為百花亭左側山體地勢較低，面對臨空面、所受約束較小，因此左側沉降較大。沿隧道軸線方向，百花亭基礎及結構沉降分布較為均勻。

圖7 不同工況條件下百花亭沉降云圖

工況1時，百花亭最大沉降7.66mm；工況2時，最大沉降7.78mm；工況3時，最大沉降7.46mm?？梢?，隧道施工順序對百花亭沉降的影響不大。分析原因可能是因為隧道埋置于巖性較好的片麻巖中，且北線隧道距離百花亭較遠，因此百花亭響應主要受南線隧道控制。綜合隧道施工影響效果和施工進度，認為南、北線隧道同時施工是可行的。

圖8為不同工況條件下隧道施工結束時百花亭水平位移云圖?？梢?，亭身產生了朝向地形較低的臨空面方向的水平位移，且頂面水平位移略大于基礎水平位移，使亭身產生向臨空面一側的傾斜。

圖8 不同工況條件下百花亭水平位移云圖

工況1時，頂面最大水平位移約10.04mm，基礎最小水平位移約4.24mm，兩者相對位移5.8mm，由于百花亭高約10m，因此傾斜率為5.8×10-4；工況2時，頂面最大水平位移約為10.14mm，基礎最小水平位移約4.31mm，兩者相對位移5.83mm，傾斜率為5.83×10-4；工況3時，頂面最大水平位移約為9.85mm，基礎最小水平位移約4.22mm，兩者相對位移5.63mm，傾斜率為5.63×10-4。與前述結論一致，隧道施工順序對百花亭水平位移和傾斜的影響不大。

4.2 隧道施工階段對文保建筑變形的影響

由以上分析可知，隧道施工順序對百花亭變形的影響很小。因此，下面以工況1：南、北線隧道同時施工為例，研究隧道穿越施工過程對百花亭變形的影響。

圖9為隧道不同施工階段時百花亭沉降云圖?？梢?，隨著隧道向前施工，百花亭沉降范圍和大小也隨之不斷增大。階段1時百花亭最大沉降1.30mm，占總沉降的16.97%；階段2時，百花亭最大沉降3.85mm，約占總沉降的50.26%，較第1階段增長了33.29%；階段3時，百花亭最大沉降6.24mm，約占總沉降的81.46%，較第2階段增長了31.2%；階段4時，百花亭最大沉降6.72mm，約占總沉降的87.73%，較第3階段增長了6.27%。從階段1～階段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邊界各1倍建筑寬度范圍內的隧道施工所引起，隧道在此范圍外施工引起的建筑沉降占總沉降的比例很小。

圖9 不同施工階段百花亭沉降云圖

圖10為隧道不同施工階段時百花亭水平位移云圖?？梢?，階段1時百花亭傾斜5.04×10-4，約占總傾斜的86.9%；階段2時，百花亭傾斜5.28×10-4，約占總傾斜的91.03%，較第1階段增長了4.13%；階段3時，百花亭傾斜5.91×10-4，約占總傾斜的101.90%，較第2階段增長了10.87%；階段4時，百花亭傾斜5.9×10-4，與第3階段一致。從階段1～階段4，百花亭傾斜僅增加了15%。由此可知，盡管隧道施工對百花亭傾斜的影響在隧道穿越階段增長較快，但從總量上講隧道施工對其影響不大。由于百花亭地處白塔山山坡臺階上，模擬過程中邊坡產生向臨空面的滑移，因此百花亭水平位移和傾斜主要受邊坡位移控制而受隧道施工影響較小。因此，建議減少因地面花木噴灌而引起的黃土地基濕陷、滑塌，必要時采取邊坡支擋、加固措施。

5 結語

（1）隧道施工順序對百花亭沉降、水平位移、傾斜的影響不大，綜合隧道施工影響效果和施工進度，認為南、北線隧道同時施工是可行的。

（2）百花亭沉降受隧道下穿施工影響較大，主要由距百花亭上下邊界各1倍建筑寬度范圍內的隧道施工所引起，隧道在此范圍外施工引起的建筑沉降占總沉降的比例很小。

（3）百花亭水平位移和傾斜受隧道下穿施工影響很小，主要受白塔山山體邊坡位移控制，建議減小因地面花木噴灌引起的地基濕陷、滑塌，必要時采取邊坡支擋、加固措施。