浅埋偏压连拱隧道穿越古建筑施工控制研究

研究结论:(1)左右洞用侧壁导坑法进行开挖较CRD法以及CRD+CD法而言可有效降低地表沉降与拱顶沉降量，对施工而言最安全;(2)三种施工方法所形成的围岩应力数值不大，均处于安全状态;(3)三种施工工序下，导洞上方地表沉降与隧道拱顶沉降基本相同，但两侧导洞同时开挖可加快施工进度;(4)两侧导洞同时开挖时，中墙承受的应力最小;(5)为保证古长城不被破坏，最终沉降控制标准定为20 mm，爆破振速安全阈值为2 cm/s;(6)本研究成果可为浅埋偏压连拱隧道的施工提供一定借鉴。

关键词:隧道工程;超浅埋;施工技术;地表沉降;数值模拟

浅埋隧道上覆土体较薄，开挖后无法形成完整压力拱，同时受地形影响，常存在偏压荷载［1］。浅埋隧道下穿建筑时极易对上覆结构造成不利影响，严重时还有可能引发安全事故［2］。

陈贵红［3］运用ANSYS有限元软件，模拟Ⅴ级围岩偏压连拱隧道两侧主洞的不同施工工序;朱苦竹等［4］以某偏压连拱隧道为背景，采用有限元模拟了深埋侧和浅埋侧隧洞先行两种工况，得到浅埋侧隧洞先行可以降低偏压效应的不利影响，对工程安全更有保障。在隧道下穿既有建筑物方向，张登雨等［5］以上海地铁侧穿古建筑为工程背景，得出有建筑物的地表沉降比没有建筑物的一侧大，并且建筑物荷载越大，地表沉降越大。朱正国等［6］利用数值模拟和公式回归拟合分析的方法，得到沉降槽宽度系数与埋深的关系，考虑铁路不同等级，推导出隧道下穿既有线的地表沉降控制标准式。张向东等［7］通过现场土样三轴剪切试验结合数值模拟，对不同埋深的隧道下穿公路进行分析，得到路基沉降规律，发现增大隧道埋深可以减小沉降。

本文依托荣乌高速黄土岭浅埋偏压连拱隧道下穿古长城工程，采用数值模拟对施工过程中隧道受力和变形进行分析，选出最合理施工方案，并提出隧道下穿古城墙施工时沉降及爆破振速控制标准。研究成果可为偏压连拱隧道下穿既有建筑相关工程提供一定的理论指导，具有重要的工程应用价值。

2．2．1地表沉降

不同施工方法地表沉降如表3所示。由表3可知:左洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD＜CRD+CD，侧壁导坑法相较于CRD法沉降值下降了48．4%，较CRD+CD法下降了57．9%;对于中导洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD＜CRD+CD，侧壁导坑法较CRD法沉降值下降了45．8%，较CRD+CD法下降了63．9%;对于右洞上方的地表沉降量，侧壁导坑＜CRD+CD＜CRD，侧壁导坑法较CRD+CD与CRD工法沉降值分别下降了32．7%和88．5%。综合考虑，左右洞用侧壁导坑法来进行开挖时可有效降低地表沉降量，对施工而言最安全。

对于左洞拱顶，CRD+CD法沉降最大，最终沉降量达到33．38 mm;侧壁导坑法沉降最小，沉降量为19．88 mm。对于右洞拱顶，CRD法沉降最大，沉降量为8．79 mm;侧壁导坑法沉降最小，沉降量为3．99 mm。从控制拱顶沉降的方面来说，采用侧壁导坑法施工较为有利。

2．2．3洞周围岩应力

不同工法下洞周围岩最大主应力云图如图2所示(以侧壁导坑法为例)。通过数值模拟结果可知:CRD+CD法施工的最大主应力为0．467 MPa，CRD法施工的最大主应力为0．163 MPa，侧壁导坑法的最大主应力为0．567 MPa。三种工法下围岩应力的值都不大，均处于安全状态。

不同开挖顺序地表沉降如图4所示。由图4可知，无论是左侧(深埋侧)导洞先开挖，还是右侧(浅埋侧)导洞先开挖，或是两侧导洞同时开挖，导洞上方地表沉降基本相同。

3．2．2拱顶沉降

不同开挖顺序下拱顶沉降如图5所示。由图5可以看出:无论采用哪一侧导洞先行的方案，对于隧道左右拱顶沉降值影响都不大。但是当两侧导洞同时施工时，施工速度较其余两种开挖方法快，加快施工进度。

双连拱隧道施工时，中墙会承受较大应力且其受力特征较复杂，故需对其进行单独分析。

通过数值模拟结果可知:两侧导洞同时施工时，中墙的最大主应力为0．196 MPa;当浅埋侧导洞先行时，中墙的最大主应力为0．497 MPa;当深埋侧导洞先行时，中墙的最大主应力为0．484 MPa。由此可知，两侧导洞同时开挖时，中墙承受的应力最小。

综上所述，左右导洞的施工顺序对于地表与拱顶沉降的控制效果差别不大，而当两侧导洞同时施工时，中墙主应力较其他两种方案要小，故建议采用两侧导洞同时施工。

数值计算的取样分析共7个点:A为深埋侧隧道的左上方地表;B为深埋侧拱顶正上方地表点;C为深埋侧隧道右上方地表点;D为中导洞正上方地表点;E为中导洞右上方地表点;F为浅埋侧隧道左上方地表点;G为浅埋侧隧道正上方地表点。

同理，根据各监测点沉降值和局部倾斜值可知:当地表沉降为20 mm时，城墙基础最大沉降值在右侧隧道的上方，同样浅埋侧古长城基础的沉降较大，其中沉降最大值为19．24 mm。相邻监测点最大的沉降差为6．03 mm，局部倾斜最大处在点F与点G之间，其值为0．78/1 000，小于1/1 000的规范值，因此古城墙处于安全状态。当地表沉降为25 mm时，城墙基础最大沉降值在右侧隧道轴线的上方，最大值为24．88 mm。相邻监测点最大的沉降差为7．27 mm，局部倾斜最大处在点F与点G之间，其值为1．11/1 000，大于1/1 000的规范值，此时古城墙处于危险的状态。

综上所述，长城各监测点的沉降值随古长城最大沉降值的增大而增大且相邻监测点的沉降差值也会随总体沉降的增大而增大，同时局部倾斜值也随之增加。当古长城的最大沉降值达到20 mm时，长城的局部倾斜值接近1/1 000;而最大沉降值达到25 mm时，局部倾斜值大于1/1 000，此时古长城可能会破坏。因此为保证古长城不受破坏，地表沉降应控制在20 mm以内安全。

取升压时间为10 ms，卸载时间为100 ms，总计算时间为250 ms。三角形荷载峰值压力Pmax可由冲击波破坏理论确定，冲击波的初始波峰压力即为爆轰波作用在岩石上的最初压力。对于某一个装药炮孔，炮孔壁受到的初始波峰压力按式(1)计算。

古长城基础不同时刻下振速云图如图8所示(以40 ms振速云图为例)。

古长城爆破过程中主应力云图如图9所示(以20 ms主应力云图为例)。

通过不同时刻的相应振速和应力，由回归分析结果得古长城爆破时的振速安全阈值计算模型为

V=(σ+0．088)/0．136         (2)

查阅相关资料得到古长城基础的抗拉强度为0．18 MPa，将极限拉应力带入式(2)可知在保证古长城不被破坏的条件下，爆破振速安全阈值为2 cm/s。

(1)当采用侧壁导坑法时，地表的最大沉降量14．99 mm;左、右洞拱顶沉降量分别为19．88 mm和3．99 mm，均较CRD+CD法、CRD法小。无论采用何种工法，洞周最大主应力均处于安全状态，故建议采用侧壁导坑法施工。

(2)对比分析两侧导洞同时施工、浅埋侧先施工和深埋侧先施工，得到当两侧导洞同时施工时，左、右洞地表沉降值分别为14．99 mm和3．91 mm，左、右洞拱顶沉降值分别为21．33 mm和3．93 mm，均较其他两方案无明显变化但其中隔墙最大主应力为0．196 MPa，明显小于其他两方案，故综合考虑施工进度，建议采用两侧导洞同时施工。

(3)当采用侧壁导坑法且两侧导洞同时施工时，古长城基础相邻监测点的沉降差值会随基础沉降值的增大而增大，当基础的最终沉降值达到20 mm时，古长城基础的局部倾斜值接近1/1 000，为保护古长城不受破坏，沉降宜控制在20 mm以内;结合长城基础抗拉强度与振速关系，为保证长城整体安全，爆破振速安全阈值为2 cm/s。