论文部分内容阅读
摘要：长株潭城际铁路滨江新城站至开福寺站暗挖区间WDK8+570~WDK625段下穿观沙岭人防工程，该人防工程设有抗浮锚杆，隧道洞顶距锚杆底部约1.9m，需要部分破除抗浮锚杆，为此需对人防工程因部分锚杆破除的安全进行研究。在抗浮锚杆与土体结构力学作用机理分析的基础上，建立平面应变模型，应用FLAC2D进行计算分析，对隧道施工过程中破除抗浮锚杆对既有结构物的影响进行研究。从隧道和既有结构两个方面，得出了以下结论：1) 加强施工管理，严格按照规范施工，支护刚度足以保证隧道安全，可有效避免隧道大变形及塌方，确保隧道稳定性；2) 隧道开挖对人防工程结构有一定影响，应力进行重分布并引起结构变形，但内力在结构的承载范围之内，变形也在可接受范围内，能保证既有结构安全。
关键词：暗挖隧道；穿越既有结构物；抗浮锚杆；围岩变形
Abstract: Underground Tunnel of Binjiang metro station to the Kaifu Temple Station of Changzhutan Inter-city Railway underpassing the Guanshaling civil air defense project in WDK8+570~625, the civil air defense engineering is builded with anti-floating anchors, which need to be breaked because distance between anchor tunnel top and rockbolts is only about 1.9m. Safety of the civil air defense project due to breaking of the anti floating anchor must be researched. On anti floating anchor and soil structure on the basis of the analysis of mechanical mechanism, establishment of plane strain model, the application of FLAC2D are analyzed, the process of tunnel construction of anti floating anchor to break the existing structure to study the effects of. From the tunnel and the existing structure in two aspects, the author draws the following conclusions:1) strengthening construction management, in strict accordance with the norms of construction, supporting stiffness sufficient to ensure the safety of tunnel, which can effectively avoid the tunnel deformation and collapse, ensure the stability of tunnel;2) tunnel excavation on civil air defense engineering and have a certain influence, stress. Distribution and structural distortion caused by, but the internal force in the structure bearing range, the deformation in the acceptable range, can guarantee the security of existing structures.
Key words: Underground tunnel；Through existing structures；Anti-floating anchors; Deformation
中图分类号：TU47文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
0 引言
随着国民经济的发展和城市之间联系更加密切，国内城市轨道交通发展也越来越迅速，工程建设遇到的困难越来越大。在轨道交通建设过程中，隧道穿越既有建、构筑物的情况越来越多，为此,在确保工程本身安全的同时，必须对原有建、构筑物进行保护。
目前，国内外很多学者以隧道下穿既有建、构筑物工程实例为依托，对隧道施工引起地层位移、及其对建筑物影响进行了较为深入研究[1][2][3]，并开发了评价软件[4]。李立介绍了隔断法、注浆加固法、桩基托换法等方法在地铁区间隧道穿越建筑物基础时的应用及施工技术措施[5];潘明亮用数值模拟分析隧道开挖及桩基托换施工对上部建筑物的影响[6]; 仇文革[7]、黄龙湘[8]就地下工程接近建筑物施工原理与对策、建筑物损坏风险评估等进行了研究。
本文以长株潭城际铁路下穿观沙岭人防工程暗挖段为依托,结合数值方法及具体工程实践，分析因隧道开挖而部分破除抗浮锚杆对既有结构的影响，可为类似工程设计及施工提供参考。
1 工程概况
新建长株潭城际铁路是长株潭城市群城际铁路网的核心部分，地处长沙、株洲、湘潭城市群中心地带，线路自长沙站往北在德雅路附近下穿，折向西沿开福寺路，穿城区、湘江，至于新建雷锋大道站；往南穿越长沙市区、株洲市区，途径长沙汽车南站、暮云、白马垄、既有株洲北站、既有京广株洲站，止于既有京广七斗冲站；在暮云站接轨往西，途径荷塘等 [9]。长株潭城际铁路线路平面布置见图1。
图1 长株潭城际铁路平面示意图
Fig.1 Changzhutan inter-city railway plane schemes
湘江隧道开福寺~滨江新城站区间矿山段下穿观沙岭绿化广场人防工程，该人防工程为框架结构，地上1层，地下3层，抗浮锚杆深约6~13m。该处隧道洞顶与锚杆底部距离约1.9m。隧道穿越的主要地层为：（9）4-3弱风化砂质板岩，覆盖层从上至下主要为（1）素填土、（5）1-2硬塑粉质黏土、（9）4-1全风化砂质板岩、（9）4-2强风化砂质板岩、（9）4-3弱风化砂质板岩（厚度约9m），穿越观沙岭隧道空间位置及其穿越地段地质情况如图2，其岩体物理力学指标如表1。
(a) 平面示意图
(b) 立面图
(c) 纵剖面图
图2 隧道与观沙岭广场位置关系图
Fig.2 The location between tunnel and Guanshaling square
表1 巖土物理力学指标表
湘江隧道穿越观沙岭人防工程段结构初期支护为27cm厚C25喷射混凝土+HW175型钢架，纵向间距1m+φ8钢筋网，间距20×20cm+φ22砂浆锚杆，L=3.5m，边墙设置间距1.2m×1m，梅花型布置，辅助施工措施为拱部120°范围设置L=3.5m，环向间距0.4m，纵向间距2m的φ42超前注浆小导管，如图3，采用三台阶临时仰拱法开挖[9]。
图3湘江隧道穿越观沙岭人防工程段支护结构设计图
Fig. 3Supporting structure design of the section which through Guanshaling square of Xiangjiang tunnel
为减小隧道开挖及因隧道开挖而部分破除抗浮锚杆对观沙岭人防工程的影响，确保隧道施工及人防工程的安全，对该段进行如下特殊处理：
(1) 隧道开挖范围内的抗浮锚杆在弯折后焊接在预处理好的初支钢架套圈上，以此来补充承载力的丧失，焊接前对锚杆施加预拉力85kN。
(2) 加密WDK8+570~625区间段初支钢架，纵向间距变为0.5m。
(3) 隧道直穿建筑物下方时，加强施工控制与管理以控制地层位移和建筑物沉降量，并采取信息化施工的手段，根据监控量测情况启用跟踪注浆。
设计中仅从定性角度考虑隧道开挖对观沙岭人防工程的影响，提出采取一定的施工措施以减小隧道开挖对既有结构的影响，若需对隧道下穿该广场的影响进行进一步精确分析，应在力学机理分析的基础上，采用数值手段进行计算分析。
2 隧道穿越观沙岭人防工程数值模拟
2.1 数值模型建立
选取WDK8+604典型断面进行分析，采用平面应变模型，为保证模型边界不受隧道开挖的影响，沿模型X方向取150m，Y方向取75m，地表为自由地表。 运用FLAC2D进行计算分析。土体采用实体单元模拟，初期支护采用衬砌单元模拟，锚管采用锚杆模拟（Rockbolt），超前小导管加固区采用提高物理参数进行模拟，上述模拟以及约束边界情况如图4所示，网格划分情况如图5所示。土体本构关系取理想摩尔库伦模型。
图4 计算模型尺寸与边界条件
Fig. 4Size and boundary conditions of calculation model
2.2 计算参数选取
隧道、人防工程及周边岩体计算参数根据文献[9]，并结合长沙类似工程及相应规范進行选取，采用非完全耦合计算方法来考虑地下水的影响，其具体数值如表2~3。
表2 各地层主要物理参数
对于人防地下工程，采用等效框架梁简化计算模型。等代框架法就是一种框架的分析方法。将整个板柱体系沿纵、横柱列方向简化为具有“框架梁”和“框架柱”的纵、横向框架。其中“框架梁”的高度取板厚，宽度在竖向荷载作用下取板跨中心线间的距离，在水平荷载作用下取板跨中心线间距离的一半。这是因为在竖向荷载作用下，主要靠板带的弯曲把荷载及变形传给柱，使两者形成等代框架；而在水平荷载作用下，主要是由柱把水平荷载传给板带，柱的抗弯刚度比板带的小，所以板带的宽度取得小。因为“框架梁”的宽度远远大于柱的 宽度，所以板上会有一部分荷载产生的弯矩直接通过板传给柱，而大部分的荷载是通过使柱两侧的板受扭的方式传给柱的，再使柱受弯曲。所以等代框架法中的“框架柱”应该包括柱及柱两侧同柱宽的板带在内的等代柱，其刚度应考虑柱的抗弯刚度和柱两侧板的抗扭刚度后的等代刚度。“框架柱”的计算高度：对于楼层，取层高减去柱帽的高度；对于底层，取基础顶面至底层楼板面的高度减去柱帽的高度。抗浮锚杆采用桩单元进行模拟[10] [11]。
(1) 等效梁
等效梁截面宽度取板跨中心线间距8100mm；梁截面高度取板厚500mm；梁跨为8100mm，梁截面惯性矩为：
(2) 等代柱
柱截面尺寸：350mm×350mm，底层柱高为3.6m，第二层柱高4.0m，顶层柱高4.5m，柱截面惯性矩为：
隧道初期支护中的钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土：
式中：E为折算后混凝土的弹性模量；EO为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面积；Eg为钢材的弹性模量；Sc为混凝土的截面积。
表3 观沙岭人防工程主要计算参数
Table 3 Mainly calculation parameters of Guanshaling square
材料名称 计算参数
人防工程等效梁 area =4.05 m2I=8.43×10-2m4E=3×104Mpa
γ=24KN/m3space=8.1m
人防工程等效柱 area =0.1225 m2, I=1.25×10-3m4, E=3×104MPa, γ=24KN/m3, space=8.1m
J3型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=5.76 m2I=2.7648 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =9.6m
J2型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=9 m2I=6.75 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =9.6m
J1型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=5.76 m2I=2.7648 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =12m
锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=11.56 m2I=11.14 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =13.6m
初期支护 E=29GPa, γ=22KN/m3, μ＝0.20
临时支护 L＝3.5m，E=2.1e11Pa, kbond=1.5e10N/m, sbond=8e5 N/m，
Φ＝22mm, space＝1m
2.3 模拟步骤
湘江隧道采用三台阶临时仰拱法开挖，对隧道开挖进行全过程模拟：
(1) 重力作用下，弹性模型下计算平衡；
(2) 施做人防工程建筑物，计算平衡；
(3) 施做超前预支护，计算平衡；开挖左洞上台阶，应力释放40%，计算平衡；施作对应位置初支，施作临时仰拱闭合成环，应力完全释放，计算平衡；按照此计算步骤依次进行左洞中台阶、下台阶、右洞上、中、下台阶的开挖及支护计算。
3 模拟结果分析
为讨论隧道通过时破除抗浮锚杆是否对已有人防工程产生较大影响，从两方面进行分析：一、讨论隧道围岩及支护的稳定性；二、分析隧道开挖引起观沙岭人防工程的内力与变形(不均匀沉降)，讨论内力及变形是否满足稳定要求。
3.1 隧道稳定性分析
隧道稳定性主要从围岩变形及支护受力两个方面进行简要分析。
(1) 围岩变形分析
图5为隧道围岩竖向位移云图，可知已有的开挖方法及支护参数下，隧道围岩变形较小，最大沉降量为5mm，隧道底部出现7.5mm的隆起现象，在存在地下水浮力的情况下这种现象是正常的。
图5 隧道围岩竖向位移云图
Fig. 5 Vertical displacement of tunnel surrounding rock
图6 隧道围岩水平位移云图
Fig. 6 Horizontal displacement of tunnel surrounding rock
图6中所示的围岩水平位移可知，隧道的水平位移很小，收敛值约4mm左右，围岩扰动很小。下图7为围岩变形矢量图，图中可知隧道右洞开挖引起上部地层沉降，下部围岩隆起，而左洞开挖引起地层的整体隆起，隧道正上方隆起量相对其它位置要小，隧道底部隆起相对较大。但是总体上来讲地层变形量很小，最大位移矢量值为8mm。
图7 隧道围岩位移矢量图
Fig. 7 Displacement vector of surrounding rock
围岩变形规律可知，隧道稳定性能得以保证，隧道施工中不会出现围岩的大变形。
(2) 支护受力分析
隧道在地形及地層条件复杂、采用三台阶临时仰拱法开挖情况下，初支受力复杂，图8为隧道初期支护的弯矩图。隧道边墙底与底板相接处不圆顺，存在应力集中，因此该处出现较大的弯矩，弯矩最大值达84.2 kN·m。但除应力集中位置之外，其余位置初支弯矩均较小，在10～20 kN·m左右。因此，应格外重视边墙与底板连接处的施工质量。
图8 隧道初期支护弯矩图
Fig. 8 Bending moment of tunnel primary support
对初支安全系数进行检算得最小安全系数为3.35。理论计算所得支护受力分析可知，初支受力总体上较小，支护参数能保证结构稳定，不会引起支护失稳。
综上可知隧道围岩变形较小，支护结构受力不大，能够保证隧道基本稳定，对人防工程不会产生太大影响。
3.2 人防工程受力与变形分析
(1)人防工程受力分析
隧道开挖对结构内力的影响，应将隧道开挖后的内力图减去初始内力，下图9为人防工程结构初始平衡时的弯矩图，图10为隧道开挖完成后的弯矩图。
图9 人防结构初始弯矩图
Fig. 9 Initial bending moment of structure
图10 隧道开挖后人防结构弯矩图
Fig. 10 Bend moment of structure after tunnel is excavated
图中可知，隧道开挖后结构弯矩规律基本不变，隧道开挖后结构中产生了34 kN·m左右的弯矩，说明人防结构内力不大。对比其余内力可知，约产生轴力35kN，剪力43kN，产生最大应变值约为0.3 με，需要指出，上述所计算的力为等效梁上的合力，转化为平面应变情况下为单位宽度上的力，因此对其评价时应除以等效梁的宽度，由此可知，隧道开挖引起结构内力及应变都较小。
(2) 人防工程变形分析
图11为隧道开挖前人防结构自重平衡时各节点位移矢量，箭头方向表示位移方向。图12为隧道开挖后，人防结构的位移矢量，两种工况之差，可分析隧道开挖对人防结构的影响。
图11 结构初始位移矢量图
Fig. 11 Initial displacement vector of structure
图12结构计算后位移矢量图
Fig. 12 Displacement vector of structure after tunnel is excavated
图中可知，隧道开挖前后，人防结构变形规律基本不变，位移增长不明显，最大矢量增长约 0.7mm，位置位于顶板处，说明顶板出现了轻微的隆起，离隧道越远处结构位移越小。
为评价隧道开挖对人防结构的影响，重点对隧道开挖前后底板变形进行分析，底板与隧道位置如图13所示，底板变形规律见图14所示。
图13 分析底板示意图
Fig. 13 Floor analysis diagram
图14 底板变形图
Fig. 14 Floor deformation figure
隧道开挖部分破坏抗浮锚杆之后，引起底板的隆起，隆起最大值达9 mm，位于隧道左洞的正上方稍微偏左位置，右洞的开挖引起附近底板稍微的沉降，沉降值约为1.2mm，在16m范围内出现了约10.2mm的差异沉降，坡度为0.06%，属于美观破坏，构不成功能破坏。
上文从结构的受力与变形两个方面分析了隧道开挖及因隧道开挖而部分破坏抗浮锚杆后，可知隧道开挖对人防工程的影响相对较小，不会对结构产生大的影响。
4 现场实施效果
观山岭人防工程段从2011年9月10日开始施工，通过40天的施工，顺利通过该段，未发生安全质量事故。从一开始就对洞顶沉降及底板隆起情况进行监测，监测结果如图15、16.。
图中数据已经在施工中验证，沉降确实在5mm左右，隧底隆起为7mm。与数值计算符合较好。
图15 沉降观测曲线图
Fig. 15 Settlement observation curve
图16 隆起观测曲线图
Fig. 16 Uplift observation curve
5结论与讨论
(1) 针对湘江隧道区间矿山段下穿观沙岭人防工程实际条件，建立数值模型，从隧道和结构本身两个方面，分析了隧道开挖对人防工程的影响，隧道开挖对人防工程结构产生附加内力并发生变形，但在容许范围内。
（2）施工过程中严格控制开挖进尺，及时施作支护结构，保证支护结构的施工质量，保障锁脚锚管的打设角度及深度，控制围岩变形量，可以保证隧道稳定性。
(3) 实际未发生安全质量事故。从一开始就对洞顶沉降及底板隆起情况进行监测，监测结果如图15、16。观沙岭人防工程结构安全没有受到损害，隧道暗挖获得成功。
【参考文献】
[1] 王建宇,隧道工程的技术进步[M].北京:中国铁道出版社,2004（WANG Jianyu. Tunnel Engineering Technical Progress[M]. Beijing: China Railway Press, 2002）
[2] 阳军生，刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社，2002（YANG Junsheng, LIU Baochen . Ground Surface Movements and Deformations due to Tunneling in Urban Areas[M].Beijing: China Railway Press, 2002）
[3] 卿伟宸,廖红建,钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报.2005, 6(1):960～963. (QING Weichen, LIAO Hongjian, QIAN Chunyu.The effect construction on the settlements of adjacent building and earth surfaces of underground tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,, 2005, 6(1): 720-723(in Chinese)
[4] 阳军生，李建生，傅金阳.隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发.地下空间与工程学报.2011.7(1): 168-173 (YANG Junsheng, LI Jiansheng,FU Jinyang. Assessment System of the Effects of Tunneling on Adjacent Structures. Chinese Journal of Underground Space and Engineering.2011.7(1): 168-173 (in Chinese))
[5] 李立. 地铁区间隧道穿越建筑物基础的保护方案探讨.隧道建设.2008, 28(6):960～963. (LI Li. Discussion on Protection Methods for Building/Structure Foundations Underneath Which Metro Tunnels Pass[J].Tunnel Construction.2008, 28(6):720-723(in Chinese))
[6] 潘明亮. 建筑物地下室底板下软弱土层中浅埋暗挖隧道施工技术.隧道建设. 2011, 31(2):240-245(PAN Mingliang. Construction Technology for Shallow buried Mining Tunnel in Soft Soil Strata below Bottom Floor of Basement[J].Tunnel Construction.2011, 31(2):240-245(in Chinese))
[7]仇文革.地下工程接近施工力学原理与对策的研究[D].成都:西南交通大学. 2003. (QIU Wenge. The Study on Mechanics Principle and Countermeasure of Approaching Excavation in Underground Works [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003.)
[8] 黃龙湘.隧道施工引起邻近建筑物损坏风险评估与控制[D].长沙:中南大学.2011. (HUANG Longxiang. The Risk Evaluation and Control of Building Damage due to Tunneling [D]. Changsha: Central South University, 2011.)
[9]中铁第四勘察设计院集团有限公司. 新建铁路长株潭城际铁路湘江隧道施工图设计.武汉,2010.
[10] Itasca Consulting Group, Inc. FLAC2D, Fast Lagrangian Analysis of Continua, user’s manual. USA：Itasca Consulting Group, Inc., 2005
[11]陆士良,汤雷,杨新安,等.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社,1998.(LU Shiliang, TANG Lei, YANG XinAa, etc. Anchor of force and anchorage technology[M]. Beijing: Coal Industry Press, 1998.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：暗挖隧道；穿越既有结构物；抗浮锚杆；围岩变形
Abstract: Underground Tunnel of Binjiang metro station to the Kaifu Temple Station of Changzhutan Inter-city Railway underpassing the Guanshaling civil air defense project in WDK8+570~625, the civil air defense engineering is builded with anti-floating anchors, which need to be breaked because distance between anchor tunnel top and rockbolts is only about 1.9m. Safety of the civil air defense project due to breaking of the anti floating anchor must be researched. On anti floating anchor and soil structure on the basis of the analysis of mechanical mechanism, establishment of plane strain model, the application of FLAC2D are analyzed, the process of tunnel construction of anti floating anchor to break the existing structure to study the effects of. From the tunnel and the existing structure in two aspects, the author draws the following conclusions:1) strengthening construction management, in strict accordance with the norms of construction, supporting stiffness sufficient to ensure the safety of tunnel, which can effectively avoid the tunnel deformation and collapse, ensure the stability of tunnel;2) tunnel excavation on civil air defense engineering and have a certain influence, stress. Distribution and structural distortion caused by, but the internal force in the structure bearing range, the deformation in the acceptable range, can guarantee the security of existing structures.
Key words: Underground tunnel；Through existing structures；Anti-floating anchors; Deformation
中图分类号：TU47文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
0 引言
随着国民经济的发展和城市之间联系更加密切，国内城市轨道交通发展也越来越迅速，工程建设遇到的困难越来越大。在轨道交通建设过程中，隧道穿越既有建、构筑物的情况越来越多，为此,在确保工程本身安全的同时，必须对原有建、构筑物进行保护。
目前，国内外很多学者以隧道下穿既有建、构筑物工程实例为依托，对隧道施工引起地层位移、及其对建筑物影响进行了较为深入研究[1][2][3]，并开发了评价软件[4]。李立介绍了隔断法、注浆加固法、桩基托换法等方法在地铁区间隧道穿越建筑物基础时的应用及施工技术措施[5];潘明亮用数值模拟分析隧道开挖及桩基托换施工对上部建筑物的影响[6]; 仇文革[7]、黄龙湘[8]就地下工程接近建筑物施工原理与对策、建筑物损坏风险评估等进行了研究。
本文以长株潭城际铁路下穿观沙岭人防工程暗挖段为依托,结合数值方法及具体工程实践，分析因隧道开挖而部分破除抗浮锚杆对既有结构的影响，可为类似工程设计及施工提供参考。
1 工程概况
新建长株潭城际铁路是长株潭城市群城际铁路网的核心部分，地处长沙、株洲、湘潭城市群中心地带，线路自长沙站往北在德雅路附近下穿，折向西沿开福寺路，穿城区、湘江，至于新建雷锋大道站；往南穿越长沙市区、株洲市区，途径长沙汽车南站、暮云、白马垄、既有株洲北站、既有京广株洲站，止于既有京广七斗冲站；在暮云站接轨往西，途径荷塘等 [9]。长株潭城际铁路线路平面布置见图1。
图1 长株潭城际铁路平面示意图
Fig.1 Changzhutan inter-city railway plane schemes
湘江隧道开福寺~滨江新城站区间矿山段下穿观沙岭绿化广场人防工程，该人防工程为框架结构，地上1层，地下3层，抗浮锚杆深约6~13m。该处隧道洞顶与锚杆底部距离约1.9m。隧道穿越的主要地层为：（9）4-3弱风化砂质板岩，覆盖层从上至下主要为（1）素填土、（5）1-2硬塑粉质黏土、（9）4-1全风化砂质板岩、（9）4-2强风化砂质板岩、（9）4-3弱风化砂质板岩（厚度约9m），穿越观沙岭隧道空间位置及其穿越地段地质情况如图2，其岩体物理力学指标如表1。
(a) 平面示意图
(b) 立面图
(c) 纵剖面图
图2 隧道与观沙岭广场位置关系图
Fig.2 The location between tunnel and Guanshaling square
表1 巖土物理力学指标表
湘江隧道穿越观沙岭人防工程段结构初期支护为27cm厚C25喷射混凝土+HW175型钢架，纵向间距1m+φ8钢筋网，间距20×20cm+φ22砂浆锚杆，L=3.5m，边墙设置间距1.2m×1m，梅花型布置，辅助施工措施为拱部120°范围设置L=3.5m，环向间距0.4m，纵向间距2m的φ42超前注浆小导管，如图3，采用三台阶临时仰拱法开挖[9]。
图3湘江隧道穿越观沙岭人防工程段支护结构设计图
Fig. 3Supporting structure design of the section which through Guanshaling square of Xiangjiang tunnel
为减小隧道开挖及因隧道开挖而部分破除抗浮锚杆对观沙岭人防工程的影响，确保隧道施工及人防工程的安全，对该段进行如下特殊处理：
(1) 隧道开挖范围内的抗浮锚杆在弯折后焊接在预处理好的初支钢架套圈上，以此来补充承载力的丧失，焊接前对锚杆施加预拉力85kN。
(2) 加密WDK8+570~625区间段初支钢架，纵向间距变为0.5m。
(3) 隧道直穿建筑物下方时，加强施工控制与管理以控制地层位移和建筑物沉降量，并采取信息化施工的手段，根据监控量测情况启用跟踪注浆。
设计中仅从定性角度考虑隧道开挖对观沙岭人防工程的影响，提出采取一定的施工措施以减小隧道开挖对既有结构的影响，若需对隧道下穿该广场的影响进行进一步精确分析，应在力学机理分析的基础上，采用数值手段进行计算分析。
2 隧道穿越观沙岭人防工程数值模拟
2.1 数值模型建立
选取WDK8+604典型断面进行分析，采用平面应变模型，为保证模型边界不受隧道开挖的影响，沿模型X方向取150m，Y方向取75m，地表为自由地表。 运用FLAC2D进行计算分析。土体采用实体单元模拟，初期支护采用衬砌单元模拟，锚管采用锚杆模拟（Rockbolt），超前小导管加固区采用提高物理参数进行模拟，上述模拟以及约束边界情况如图4所示，网格划分情况如图5所示。土体本构关系取理想摩尔库伦模型。
图4 计算模型尺寸与边界条件
Fig. 4Size and boundary conditions of calculation model
2.2 计算参数选取
隧道、人防工程及周边岩体计算参数根据文献[9]，并结合长沙类似工程及相应规范進行选取，采用非完全耦合计算方法来考虑地下水的影响，其具体数值如表2~3。
表2 各地层主要物理参数
对于人防地下工程，采用等效框架梁简化计算模型。等代框架法就是一种框架的分析方法。将整个板柱体系沿纵、横柱列方向简化为具有“框架梁”和“框架柱”的纵、横向框架。其中“框架梁”的高度取板厚，宽度在竖向荷载作用下取板跨中心线间的距离，在水平荷载作用下取板跨中心线间距离的一半。这是因为在竖向荷载作用下，主要靠板带的弯曲把荷载及变形传给柱，使两者形成等代框架；而在水平荷载作用下，主要是由柱把水平荷载传给板带，柱的抗弯刚度比板带的小，所以板带的宽度取得小。因为“框架梁”的宽度远远大于柱的 宽度，所以板上会有一部分荷载产生的弯矩直接通过板传给柱，而大部分的荷载是通过使柱两侧的板受扭的方式传给柱的，再使柱受弯曲。所以等代框架法中的“框架柱”应该包括柱及柱两侧同柱宽的板带在内的等代柱，其刚度应考虑柱的抗弯刚度和柱两侧板的抗扭刚度后的等代刚度。“框架柱”的计算高度：对于楼层，取层高减去柱帽的高度；对于底层，取基础顶面至底层楼板面的高度减去柱帽的高度。抗浮锚杆采用桩单元进行模拟[10] [11]。
(1) 等效梁
等效梁截面宽度取板跨中心线间距8100mm；梁截面高度取板厚500mm；梁跨为8100mm，梁截面惯性矩为：
(2) 等代柱
柱截面尺寸：350mm×350mm，底层柱高为3.6m，第二层柱高4.0m，顶层柱高4.5m，柱截面惯性矩为：
隧道初期支护中的钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土：
式中：E为折算后混凝土的弹性模量；EO为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面积；Eg为钢材的弹性模量；Sc为混凝土的截面积。
表3 观沙岭人防工程主要计算参数
Table 3 Mainly calculation parameters of Guanshaling square
材料名称 计算参数
人防工程等效梁 area =4.05 m2I=8.43×10-2m4E=3×104Mpa
γ=24KN/m3space=8.1m
人防工程等效柱 area =0.1225 m2, I=1.25×10-3m4, E=3×104MPa, γ=24KN/m3, space=8.1m
J3型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=5.76 m2I=2.7648 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =9.6m
J2型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=9 m2I=6.75 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =9.6m
J1型抗浮锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=5.76 m2I=2.7648 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =12m
锚杆 spacing =8.1me=3×104 Mpaarea=11.56 m2I=11.14 m4 cs_sstiff =1×106 N/m/m
cs_scoh= 1×1010 N/mperimeter =13.6m
初期支护 E=29GPa, γ=22KN/m3, μ＝0.20
临时支护 L＝3.5m，E=2.1e11Pa, kbond=1.5e10N/m, sbond=8e5 N/m，
Φ＝22mm, space＝1m
2.3 模拟步骤
湘江隧道采用三台阶临时仰拱法开挖，对隧道开挖进行全过程模拟：
(1) 重力作用下，弹性模型下计算平衡；
(2) 施做人防工程建筑物，计算平衡；
(3) 施做超前预支护，计算平衡；开挖左洞上台阶，应力释放40%，计算平衡；施作对应位置初支，施作临时仰拱闭合成环，应力完全释放，计算平衡；按照此计算步骤依次进行左洞中台阶、下台阶、右洞上、中、下台阶的开挖及支护计算。
3 模拟结果分析
为讨论隧道通过时破除抗浮锚杆是否对已有人防工程产生较大影响，从两方面进行分析：一、讨论隧道围岩及支护的稳定性；二、分析隧道开挖引起观沙岭人防工程的内力与变形(不均匀沉降)，讨论内力及变形是否满足稳定要求。
3.1 隧道稳定性分析
隧道稳定性主要从围岩变形及支护受力两个方面进行简要分析。
(1) 围岩变形分析
图5为隧道围岩竖向位移云图，可知已有的开挖方法及支护参数下，隧道围岩变形较小，最大沉降量为5mm，隧道底部出现7.5mm的隆起现象，在存在地下水浮力的情况下这种现象是正常的。
图5 隧道围岩竖向位移云图
Fig. 5 Vertical displacement of tunnel surrounding rock
图6 隧道围岩水平位移云图
Fig. 6 Horizontal displacement of tunnel surrounding rock
图6中所示的围岩水平位移可知，隧道的水平位移很小，收敛值约4mm左右，围岩扰动很小。下图7为围岩变形矢量图，图中可知隧道右洞开挖引起上部地层沉降，下部围岩隆起，而左洞开挖引起地层的整体隆起，隧道正上方隆起量相对其它位置要小，隧道底部隆起相对较大。但是总体上来讲地层变形量很小，最大位移矢量值为8mm。
图7 隧道围岩位移矢量图
Fig. 7 Displacement vector of surrounding rock
围岩变形规律可知，隧道稳定性能得以保证，隧道施工中不会出现围岩的大变形。
(2) 支护受力分析
隧道在地形及地層条件复杂、采用三台阶临时仰拱法开挖情况下，初支受力复杂，图8为隧道初期支护的弯矩图。隧道边墙底与底板相接处不圆顺，存在应力集中，因此该处出现较大的弯矩，弯矩最大值达84.2 kN·m。但除应力集中位置之外，其余位置初支弯矩均较小，在10～20 kN·m左右。因此，应格外重视边墙与底板连接处的施工质量。
图8 隧道初期支护弯矩图
Fig. 8 Bending moment of tunnel primary support
对初支安全系数进行检算得最小安全系数为3.35。理论计算所得支护受力分析可知，初支受力总体上较小，支护参数能保证结构稳定，不会引起支护失稳。
综上可知隧道围岩变形较小，支护结构受力不大，能够保证隧道基本稳定，对人防工程不会产生太大影响。
3.2 人防工程受力与变形分析
(1)人防工程受力分析
隧道开挖对结构内力的影响，应将隧道开挖后的内力图减去初始内力，下图9为人防工程结构初始平衡时的弯矩图，图10为隧道开挖完成后的弯矩图。
图9 人防结构初始弯矩图
Fig. 9 Initial bending moment of structure
图10 隧道开挖后人防结构弯矩图
Fig. 10 Bend moment of structure after tunnel is excavated
图中可知，隧道开挖后结构弯矩规律基本不变，隧道开挖后结构中产生了34 kN·m左右的弯矩，说明人防结构内力不大。对比其余内力可知，约产生轴力35kN，剪力43kN，产生最大应变值约为0.3 με，需要指出，上述所计算的力为等效梁上的合力，转化为平面应变情况下为单位宽度上的力，因此对其评价时应除以等效梁的宽度，由此可知，隧道开挖引起结构内力及应变都较小。
(2) 人防工程变形分析
图11为隧道开挖前人防结构自重平衡时各节点位移矢量，箭头方向表示位移方向。图12为隧道开挖后，人防结构的位移矢量，两种工况之差，可分析隧道开挖对人防结构的影响。
图11 结构初始位移矢量图
Fig. 11 Initial displacement vector of structure
图12结构计算后位移矢量图
Fig. 12 Displacement vector of structure after tunnel is excavated
图中可知，隧道开挖前后，人防结构变形规律基本不变，位移增长不明显，最大矢量增长约 0.7mm，位置位于顶板处，说明顶板出现了轻微的隆起，离隧道越远处结构位移越小。
为评价隧道开挖对人防结构的影响，重点对隧道开挖前后底板变形进行分析，底板与隧道位置如图13所示，底板变形规律见图14所示。
图13 分析底板示意图
Fig. 13 Floor analysis diagram
图14 底板变形图
Fig. 14 Floor deformation figure
隧道开挖部分破坏抗浮锚杆之后，引起底板的隆起，隆起最大值达9 mm，位于隧道左洞的正上方稍微偏左位置，右洞的开挖引起附近底板稍微的沉降，沉降值约为1.2mm，在16m范围内出现了约10.2mm的差异沉降，坡度为0.06%，属于美观破坏，构不成功能破坏。
上文从结构的受力与变形两个方面分析了隧道开挖及因隧道开挖而部分破坏抗浮锚杆后，可知隧道开挖对人防工程的影响相对较小，不会对结构产生大的影响。
4 现场实施效果
观山岭人防工程段从2011年9月10日开始施工，通过40天的施工，顺利通过该段，未发生安全质量事故。从一开始就对洞顶沉降及底板隆起情况进行监测，监测结果如图15、16.。
图中数据已经在施工中验证，沉降确实在5mm左右，隧底隆起为7mm。与数值计算符合较好。
图15 沉降观测曲线图
Fig. 15 Settlement observation curve
图16 隆起观测曲线图
Fig. 16 Uplift observation curve
5结论与讨论
(1) 针对湘江隧道区间矿山段下穿观沙岭人防工程实际条件，建立数值模型，从隧道和结构本身两个方面，分析了隧道开挖对人防工程的影响，隧道开挖对人防工程结构产生附加内力并发生变形，但在容许范围内。
（2）施工过程中严格控制开挖进尺，及时施作支护结构，保证支护结构的施工质量，保障锁脚锚管的打设角度及深度，控制围岩变形量，可以保证隧道稳定性。
(3) 实际未发生安全质量事故。从一开始就对洞顶沉降及底板隆起情况进行监测，监测结果如图15、16。观沙岭人防工程结构安全没有受到损害，隧道暗挖获得成功。
【参考文献】
[1] 王建宇,隧道工程的技术进步[M].北京:中国铁道出版社,2004（WANG Jianyu. Tunnel Engineering Technical Progress[M]. Beijing: China Railway Press, 2002）
[2] 阳军生，刘宝琛. 城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社，2002（YANG Junsheng, LIU Baochen . Ground Surface Movements and Deformations due to Tunneling in Urban Areas[M].Beijing: China Railway Press, 2002）
[3] 卿伟宸,廖红建,钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报.2005, 6(1):960～963. (QING Weichen, LIAO Hongjian, QIAN Chunyu.The effect construction on the settlements of adjacent building and earth surfaces of underground tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,, 2005, 6(1): 720-723(in Chinese)
[4] 阳军生，李建生，傅金阳.隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发.地下空间与工程学报.2011.7(1): 168-173 (YANG Junsheng, LI Jiansheng,FU Jinyang. Assessment System of the Effects of Tunneling on Adjacent Structures. Chinese Journal of Underground Space and Engineering.2011.7(1): 168-173 (in Chinese))
[5] 李立. 地铁区间隧道穿越建筑物基础的保护方案探讨.隧道建设.2008, 28(6):960～963. (LI Li. Discussion on Protection Methods for Building/Structure Foundations Underneath Which Metro Tunnels Pass[J].Tunnel Construction.2008, 28(6):720-723(in Chinese))
[6] 潘明亮. 建筑物地下室底板下软弱土层中浅埋暗挖隧道施工技术.隧道建设. 2011, 31(2):240-245(PAN Mingliang. Construction Technology for Shallow buried Mining Tunnel in Soft Soil Strata below Bottom Floor of Basement[J].Tunnel Construction.2011, 31(2):240-245(in Chinese))
[7]仇文革.地下工程接近施工力学原理与对策的研究[D].成都:西南交通大学. 2003. (QIU Wenge. The Study on Mechanics Principle and Countermeasure of Approaching Excavation in Underground Works [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003.)
[8] 黃龙湘.隧道施工引起邻近建筑物损坏风险评估与控制[D].长沙:中南大学.2011. (HUANG Longxiang. The Risk Evaluation and Control of Building Damage due to Tunneling [D]. Changsha: Central South University, 2011.)
[9]中铁第四勘察设计院集团有限公司. 新建铁路长株潭城际铁路湘江隧道施工图设计.武汉,2010.
[10] Itasca Consulting Group, Inc. FLAC2D, Fast Lagrangian Analysis of Continua, user’s manual. USA：Itasca Consulting Group, Inc., 2005
[11]陆士良,汤雷,杨新安,等.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社,1998.(LU Shiliang, TANG Lei, YANG XinAa, etc. Anchor of force and anchorage technology[M]. Beijing: Coal Industry Press, 1998.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。