近年来，随着我国交通事业的飞速发展，隧道邻近高层建筑施工的现象屡见不鲜，给设计和施工带来新挑战 ^[1,2,3]。当隧道邻近高层建筑并采用明挖法施工时，相当于对原来稳定的土体进行卸载，破坏原有稳定状态，对周边土体及建筑物产生倾向荷载消失方向的位移。土体发生位移后引发楼体沉降、侧斜变形和自身隆沉变形等危害，给建筑物的安全使用及隧道修建带来难题 ^[4,5]。

　　 目前，对隧道邻近高层建筑已有许多研究。李云屹等 ^[6]通过离心模型试验与数值模拟方法研究地下洞室开挖对地表建筑的影响，探讨建筑物的位置、高度和宽度与附近土体变形量间的关系。郑翔等 ^[7]针对施工过程中记录的详细监测数据进行统计与拟合，分析研究软土地区明挖隧道施工对周边既有建筑的影响。王静 ^[8]通过数值模拟分析对周边环境影响最小的施工方法。朱逢斌等 ^[9]通过构建隧道-土体-建筑物共同作用的三维有限元模型，对盾构隧道开挖引起的建筑物楼面扭曲变形及框架柱轴力进行系统的敏感性因素分析。陈瑜嘉等 ^[10]利用有限元极限法研究隧道埋深与施工邻近既有建筑施工过程的破坏机制。

　　 综上所述，对新建隧道邻近高层建筑的研究已取得一些成果，但均未对隧道基坑的关键工况进行详细分析。本文依托新苔井山隧道右线明挖段邻近小区高层建筑工程，分析明挖顺作法施工对邻近既有小区高层框架结构的影响。整个分析过程考虑土体、地下结构、施工方法及既有建筑的耦合作用。运用有限元软件FLAC3D进行数值模拟计算，并对比计算结果与监测数据，判断数值模拟的准确性，根据模型应力场与应变场分析施工过程发生位移的规律，对变形内在机理进行总结。

　　 新苔井山隧道右线明挖段里程SLDK1+530.000—SLDK1+870.000邻近登云佳园小区，与该小区北侧2栋18层高框架结构相距约10m。隧道基坑采用明挖顺作法施工。选取该段与小区距离最近的里程进行分析，所选长度为108m。建筑与隧道关系如图1所示。

　　 明挖过程围护结构采用800钻孔灌注桩加内撑(1道钢筋混凝土支撑和3道钢支撑)，钢筋混凝土支撑截面尺寸为1 000mm×1 000mm。3道钢支撑直径均为609mm，厚16mm，使用前施加预应力。基坑顶部外缘采用1∶2的坡率放坡开挖，基坑宽8.0m，开挖深12m。钢筋混凝土支撑间距9m，每道钢支撑间距3.0m。该段基坑典型断面如图2所示。

　　 根据现场提供的《新建福州至平潭铁路新苔井山隧道明挖段施工监测》，本次主要监测周边地表沉降、建筑物沉降、基坑底部隆起、地下连续墙水平位移等，分析位移产生原因。基坑监测如图3所示。

　　 根据圣维南原理，左右、上下各取开挖尺寸的3～5倍距离。最终模型尺寸长130m，高48m，宽108m。模型网格划分为123 139个单元，151 370个节点。FLAC3D赋予参数后的建筑模型如图4,5所示。

　　 参考地质勘察报告，影响范围内共4层土体，各土体名称及参数如表1所示，明挖过程建模所取材料主要为钻孔灌注桩、钢筋混凝土支撑及钢支撑，参数如表2所示，既有小区高层建筑主要参数如表3所示。

　　 接触面单元在取值过程中，通过查询FLAC3D的Manual文件，建议参数取值如下:取周围土层对应值的0.8倍，法向刚度(k_n)和切向刚度(k_s)取周围最硬土体等效刚度的10倍，最终接触面单元参数取值如表4所示，计算如下:

　　 对基坑边坡两侧周围3m处施加面荷载20kPa，将整个施工过程定义为不同阶段，如表5所示。

　　 数值模拟施工过程按上述定义阶段进行，根据位移云图可得如下结论。

　　 1)土体未开挖前数值较小，均≤1mm，围护结构周围产生位移1.13mm，对周围环境影响较小，处于合理变形范围内。

　　 2)围护结构完成后，开挖第1层土及施作钢筋混凝土支撑，基坑两侧土体开始向基坑方向偏移，最大位移发生在基坑底部。

　　 3)基坑两侧向中间部位隆起值先逐渐增大再减小，整体变化过程呈M状。

　　 4)随着开挖深度增加，基坑底部隆起值逐渐增大，从第1层土体开挖后的1.54mm增大到第5层土开挖后的12.68mm。

　　 5)最后1层土体开挖后施作垫层，有效控制基坑底部隆起，底板施作后，基坑底部隆起降低为1.23mm。

　　 6)随着基坑开挖深度的增加，建筑产生的位移相应增大，逐渐从0.5mm增加到4.65mm。

　　 7)建筑地表处产生4.65mm位移，楼顶端处产生16.4mm位移。

　　 根据基坑围护结构位移场变化形式，基坑围护结构主要变形可分为4种形式 ^[11]，如图6所示。

　　 左右两侧围护结构水平方向应力规律一致，因此取一侧墙体进行分析，此时所取围护结构水平方向应力与位移云图如图7所示。

　　 由图7a可知，基坑最底端以上部分，在左侧地下连续墙混凝土及钢支撑对应节点处，水平应力较大，其他支撑结构未与墙体接触处水平应力相对较小。由图7b可知，围护结构为复合型变形，刚开挖第1层土后，围护结构上部位移变形最大，随基坑开挖深度不断增加，围护结构下部朝基坑内部的变形增大并超过顶部变形。

　　 选取支护结构顶部水平方向位移实际监测结果进行分析，顶部位移时程曲线如图8所示。

　　 由监测结果可知，随基坑开挖的深入，围护结构顶部水平位移呈持续增大状态，是一个动态变化过程，整体变形形式朝基坑内部方向偏移，最大值23.32mm，未超过预警值30mm，处于安全范围内。

　　 整理分析基坑两侧围护结构从顶部至最底端的计算结果，如图9所示。

　　 由图9可知，开挖第1层土体并施作钢筋混凝土支撑后，两侧围护结构均发生变形，且靠近建筑侧围护结构最大水平位移0.557mm，无建筑侧最大水平位移为0.418mm;随着第2层土体的开挖及第1道钢支撑的完成，围护结构持续偏移，最大位移位置逐步向下偏移，大致位于开挖土体与顶部土体中间位置，同样靠近建筑侧水平位移大，最大位移为3.83mm;当第3层土体开挖完并施作第2道钢支撑后，两侧围护结构最大水平位移位置继续向下偏移，整体变形为复合型，两侧最大位移值为6.53mm，依旧出现在近建筑侧;第4层土体开挖完成后，最大水平位移值为8.441mm;最后1层土体开挖完成并施作底板后，水平位移达最大值8.91mm，位于围护结构中部。开挖土体越多，两侧土体向开挖方向移动趋势越大，对围护结构造成压力越大，因此，开挖深度越大，围护结构水平位移越大，且已施工的支撑及基坑底部未开挖土体对围护结构的稳定有一定约束，导致最大位移点随开挖深度逐渐下移。

　　 整个施工过程中，围护结构沉降是一个动态变化过程，整理计算结果，分别对不同步骤完成后最终的围护桩沉降值进行总结，如图10a所示。随施工过程的进行，桩顶位移处于变化过程，大体呈增大趋势。现场监测数据如图10b所示。

　　 由图11可知，数值模拟数据与现场监测数据整体变化趋势相同，随施工进行，围护桩整体均向下偏移，现场监测最大沉降值为6.65mm，数值模拟计算结果为6.233mm，二者相差6.3%，处于合理范围内，说明数值模拟结果可靠。围护结构沉降最大值处于现场允许值内，处于安全范围。

　　 已有学者通过对现场监测数据进行拟合及数值模拟分析，总结出地表沉降主要有3种形式:正态函数形式、三角形形式和抛物线形式 ^[12]。

　　 基坑周围土体位移矢量图如图11所示。由位移矢量图可知，基坑开挖土体变形属于正态函数沉降形式，底板施工完成后基坑底部及围护结构中间部位位移最大，整体位移趋势朝地层损失部位移动。围护结构变形从上至下先增大后减小，变形为抛物线形式，底部隆起方向竖直朝上。基坑两侧周围土体随施工过程均发生沉降，小区地表沉降计算值如图12a所示。由计算结果可以看出，施工过程中，小区地表土体呈动态变化，整个过程有向下沉降及向上移动的状态，总体趋势为不断沉降。小区地表沉降同样由于基坑开挖导致应力释放，使周边结构及土体都有向应力释放区域移动的趋势，从而产生位移和沉降。沉降最大点的监测时程曲线如图12b所示。

　　 由图12可以看出数值计算结果与现场监测数据整体相似且数值相差不大，随开挖进行，整体趋势皆向下沉降，表现为一个动态变化过程，最大沉降值为施工结束时的-7.31mm，数值模拟结果待底板施工完毕时最终沉降量为6.15mm，二者相差15.8%，处于合理变化范围内。现场沉降预警值为20mm，变形处于合理范围。在基坑无建筑侧，土体变形计算结果如图13a所示，现场监测数据如图13b所示。

　　 由图13可知，无建筑侧随施工进行，地表先沉降再隆起，最大隆起数值模拟结果为3.64mm，现场监测最大值为4.23mm，两者相差较小，且计算结果与现场监测变形趋势相同，处于合理范围。

　　 目前常采用的基坑底部隆起计算方法大致分4种:分层叠加法、有限元法、试验模拟法及经验法 ^[13]。常采用的基坑隆起估算式为:

　　 式中:δ为基坑隆起高度(cm);γ为土体平均重度(kN/m³);H为基坑开挖深度(m);c为土体黏聚力(kPa);φ为土体内摩擦角(°);D为支护结构入土深度(m);P为地面超载(kPa)。

　　 本次对基坑底部隆起值采用数值模拟计算法，不同开挖深度基坑底部隆起如图14所示。

　　 从第1层土体开挖到最终完成，每次开挖基坑底部隆起规律一致。底部垫层施工完成后，基坑底部隆起值明显减小，说明底板对抵抗基坑底部隆起具有明显抑制作用。选取第1层土体开挖至最终底板施工完成工况，整理对应工况基坑底部隆起值(见图15)。

　　 由图15可知，开挖第1层土时，基坑底部隆起值不大，最大值为1.8mm;开挖第2层土后，基坑底部隆起值开始增大，呈现M形规律，且最大隆起值为9.7mm;当施作完第2道钢支撑后，由于土体开挖，底部隆起值不断增大，最大隆起值为12.04mm;随施工过程的进行，施工完第3道钢支撑后，基坑底部隆起值仍处于增大状态，最大值为12.68mm;直至最后1层土体开挖完，施作底板，基坑底部隆起最大值降低为1.29mm，说明底板对隆起有良好的抑制作用。

　　 底板施工完成后位移如图16所示。由图16可知，底板施工后，底部位移值明显减小，最大值为1.29mm。底板竖向位移呈蝴蝶结状，从底板左侧至基坑中部，位移先增大再减小，左右两侧变化规律相同，且位移变化随纵向深度具有一定规律性。

　　 数值模拟中认为建筑物与土体间在开挖前处于稳定状态，建筑物在自重情况下发生不均匀沉降，如图17所示，图中下方11号表示自重下的地面监测值，上方12表示12号楼在自重下的楼顶监测值。

　　 由图17可知，建筑物沉降最大差值分别为2.4,1.97mm,2栋建筑沉降规律一致，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，沉降差值处于合理范围内，因此建筑物所取参数合理。且从图中可知，柱处沉降较大，柱与柱间沉降较小，呈抛物线形式，邻近基坑与远离基坑处沉降较大，且邻近基坑处沉降最大。

　　 建筑基础沉降如图18所示，由图18可知，整个楼体位移不均匀，靠近隧道基坑开挖侧的建筑基础沉降较大，远离基坑侧的基础沉降相对较小，建筑基础最大沉降值为-5.39mm，与最小沉降的沉降差为4.31mm。整个建筑物下部位移较小，随建筑物高度增加，位移逐步增大。楼体沉降曲线如图19所示。

　　 由图19可知，2栋楼体数值模拟和现场监测沉降规律大体一致，随施工进行，楼体沉降逐渐增大。根据数值模拟计算值，楼体最大沉降值为4.65mm，现场监测最大沉降为4.74mm，二者相差1.9%，处于合理范围内。

　　 1)新苔井山隧道明挖施工过程中，围护结构属复合型变形，且桩顶位移随土体开挖呈持续增长状态，最大水平位移为23.32mm，未超过预警值30mm，处于安全范围内。开挖深度越大，围护结构水平位移越大。最大位移点随开挖深度逐渐下移，大致处于未开挖土体与顶部中心位置处。

　　 2)小区地表沉降随施工过程整体呈持续向下变形状态，是一个动态变化过程。在无建筑侧土体的沉降中，变形符合正态函数沉降形式。

　　 3)小区建筑沉降值与开挖施工距离相关，距基坑越近，建筑沉降值越大，距离越远则越小;随建筑高度的增加，变形越大。建筑基础最大沉降值为-5.39mm，与最小沉降的沉降差为4.31mm。

　　 4)基坑底部隆起值随施工过程的进行逐渐增大，最大值达12.68mm，且底板施工对隆起有很好的抑制作用，施工完成后，隆起值降为1.29mm。整体变形从最左侧至最右侧呈M形。

　　 5)根据整体位移矢量图，周边土体的整体变形趋势均向应力缺失方向，可以清楚地看出位移产生的原因。