高層建筑建設(shè)對鄰近軌道隧道安全影響機理研究

熊桂開，譚雙全，朱 波

（1.重慶市勘測院，重慶市 400020；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶市 400020）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國的城鎮(zhèn)化水平不斷提高，但交通擁堵正成為制約城市發(fā)展的重大問題，因城市軌道交通具有安全、便捷、舒適、載客量大等優(yōu)點，能有效改善城市公共交通環(huán)境，所以大力發(fā)展軌道公共交通成了我們解決城市交通問題的有效手段。目前大中型城市的軌道交通建設(shè)正進(jìn)入高速發(fā)展時期，軌道交通引領(lǐng)城市發(fā)展，在已建軌道交通周邊開展工程建設(shè)活動也逐漸增多，新建建構(gòu)筑物將會對既有運營軌道交通隧道安全造成一定的影響，所以工程師需掌握這種影響的機理，科學(xué)合理地評估新建建構(gòu)筑物對既有隧道結(jié)構(gòu)和軌道線路安全運營等方面的影響[1,2,3,4]。

本次研究根據(jù)擬建高層建筑與鄰近既有軌道交通隧道的位置關(guān)系，采用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行數(shù)值模擬分析與監(jiān)控量測相結(jié)合的方法研究了隧道結(jié)構(gòu)在基坑開挖和高層建筑建設(shè)完成后產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形等影響機理[5]，對指導(dǎo)高層建筑的設(shè)計施工與確保交通軌道結(jié)構(gòu)安全提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 新建高層建筑設(shè)計概況

新建建筑為分為辦公塔樓和商業(yè)裙房，項目位于重慶某商圈區(qū)域。辦公塔樓結(jié)構(gòu)形式為框架核心筒結(jié)構(gòu)，地下5層，地上33層；商業(yè)裙樓結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)地下5層，地上4層商業(yè)，塔樓范圍內(nèi)除核心筒采用筏板基礎(chǔ)外，其余結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，選用中等風(fēng)化泥巖作為基礎(chǔ)持力層。

本建筑辦公塔樓和商業(yè)裙房位于軌道交通三號線的東側(cè)，其中辦公室1號樓（塔樓）及部分商業(yè)裙樓和地下車庫位于軌道50 m保護(hù)線內(nèi)，建筑1號塔樓結(jié)構(gòu)與軌道交通三號線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為20.85～22.25 m，地下室結(jié)構(gòu)與軌道交通三號線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為16.26～17.37 m；附屬地下室基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距軌道交通三號線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為14.35～15.88 m。建筑基坑開挖后，臨近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)側(cè)將形成高邊坡，邊坡采用肋板式錨桿擋墻進(jìn)行支護(hù)，高度為22.5 m。兩者之間的平面關(guān)系見圖1，立面關(guān)系見圖2。

1.2 軌道交通區(qū)間隧道設(shè)計施工概況

本段軌道交通區(qū)間隧道為暗挖隧道，隧道總體走向332°，與構(gòu)造線呈大角度斜交，為雙洞單線。區(qū)間隧道圍巖為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，局部上層分布有薄～中層砂巖或夾有砂巖透鏡體。中風(fēng)化圍巖厚13.79～21.58 m，為洞跨的2.81～4.11倍。圍巖中主要發(fā)育兩組裂隙，呈塊狀結(jié)構(gòu)，砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強度10.5 MPa，縱波波速2 726～2 989 m/s。中風(fēng)化圍巖厚度為圍巖垂直壓力計算高度的3.74～5.85倍，屬深埋隧道。本段區(qū)間隧道巖體完整性好，隧道總體成洞條件較好，圍巖級別為Ⅳ級。隧道采用礦山法施工，襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，襯砌斷面見圖3。隧道初期支護(hù)以鋼格柵拱、鋼筋網(wǎng)片、C20噴射混凝土、錨桿等為主要支護(hù)手段，隧道二次襯砌采用C30防水鋼筋混凝土。

圖1 建筑與軌道三號線平面位置圖（單位：m）

圖2 建筑與軌道三號線立面位置關(guān)系圖（單位：m）

圖3 襯砌斷面圖（單位：m）

2 風(fēng)險源識別與定性分析

根據(jù)新建項目與軌道交通結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，可知擬建項目實施對軌道交通三號線影響風(fēng)險源有：

（1）基坑開挖深度約為26.9～28.9 m，深度大且開挖面積大，開挖卸載可能會造成隧道周邊圍巖不規(guī)律變形，圍巖變形將導(dǎo)致軌道隧道結(jié)構(gòu)變位或形變，若變形超過正常值，則影響軌道結(jié)構(gòu)的正常使用；

（2）裙樓塔樓修建完成后，建筑荷載對原始地面形成加載，可能會引起既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，需要重新核算在新荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)安全是否能夠得到保證；

（3）基坑邊坡開挖后在未形成有效支護(hù)結(jié)構(gòu)以前，邊坡巖體處于不穩(wěn)當(dāng)狀態(tài)，若邊坡垮塌失穩(wěn)，將會影響軌道結(jié)構(gòu)的整體安全。

根據(jù)項目勘察資料及軌道設(shè)計資料，軌道結(jié)構(gòu)周邊圍巖級別為Ⅳ級，隧道為深埋隧道，礦山法施工，建筑基坑為明挖施工，軌道隧道最大毛洞跨徑為W=8.81 m，擬建項目基坑距軌道結(jié)構(gòu)水平凈距為L=14.35 m，1.5 W＜L＜2.5 W，基坑與軌道隧道接近程度為較接近。擬建項目靠軌道側(cè)基坑開挖深度h=23 m，L＜0.7 h，軌道隧道位于基坑強烈影響區(qū)內(nèi)，按照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202－2013）[6]對外部作業(yè)影響等級的劃分，擬建高層建筑對軌道隧道結(jié)構(gòu)的影響等級劃分見表1。

表1 擬建項目外部作業(yè)影響等級判定

3 計算模型及參數(shù)

3.1 有限元模型及假定

本次研究采用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行模擬分析，采用SHELL63三維殼體單元模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)，采用SOLID45三維實體單元模擬圍巖。三維有限元模型沿基坑橫向取142 m，沿區(qū)軌道隧道縱向取187 m，從地表向下取79 m。計算模型地表面為自由面，側(cè)面自由度約束側(cè)向X、Z方向，底面自由度約束豎直Y方向，整體有限元算模型見圖4，擬建建筑與軌道隧道結(jié)構(gòu)有限元模型見圖5。

圖4 整體有限元模型

圖5 擬建建筑與軌道隧道結(jié)有限元模型

3.2 計算方法及參數(shù)

數(shù)值模擬計算分析中巖土體的計算參數(shù)根據(jù)擬建高層建筑與軌道交通工程勘察報告的數(shù)據(jù)進(jìn)行取值，采用Drucker－Prager準(zhǔn)則作為巖土體的彈性屈服準(zhǔn)則。此外，考慮到以下特殊情況對巖土參數(shù)進(jìn)行換算：

（1）因《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中的Drucker-Prager準(zhǔn)則與ANSYS軟件與有一定差異，所以換算后的c、φ值則是根據(jù)二者屈服準(zhǔn)則表達(dá)式中α、β分別相等的原則進(jìn)行計算[7,8]；

（2）由于軌道區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，考慮圍巖有一定損傷，故假定區(qū)間隧道外邊界2.0 m為松動圈分布范圍。松動圈范圍的巖體參數(shù)均按砂質(zhì)泥巖彈性模量的0.8倍計算[9,10]；

（3）根據(jù)設(shè)計單位提供的擬建項目資料，計算時將擬建項目的建筑荷載換算為建筑容重，取值750 kg/m3。

本次數(shù)值模擬計算分析相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 計算材料相關(guān)參數(shù)

4 模擬計算分析

4.1 軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202－2013)[6]，公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTGD 70—2004）[8]，本次研究分析的軌道結(jié)構(gòu)安全的控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2 模擬工況

本次數(shù)值計算采用4種工況對既有軌道交通隧道及新建建筑建設(shè)過程進(jìn)行模擬分析，計算工況見表4。

表4 計算工況表

4.3 計算結(jié)果分析

（1）位移分析

由于基坑開挖卸荷，引起區(qū)間隧道產(chǎn)生豎向的上揚變形與水平橫向變形，最大上揚位移值為1.96 mm，最大水平橫向變形為-2.8 mm（方向指向基坑方向）；高層建筑建成后，在結(jié)構(gòu)荷載作用下會使區(qū)間隧道產(chǎn)生下沉變形和水平橫向變形恢復(fù)，最大下沉值為1.3 mm，最大水平橫向變形為-0.8 mm。由表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量值可知，因上行線隧道靠近建筑物基坑側(cè)，其受基坑開挖及建筑修建的影響要大于下行線隧道，表中計算數(shù)值與真實情況一致。

表5 各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量

（3）襯砌內(nèi)力分析

為準(zhǔn)確掌握基坑開挖及擬建建筑修建后受影響較大的上行線隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩與軸力，本次研究同步采用二維有限元方法進(jìn)行計算分析。計算范圍內(nèi)土體、圍巖以及建筑使用PLANE42單元模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)使用BEAM3單元模擬。有限元計算模型底面約束豎向自由度，側(cè)面約束水平自由度，地表為自由面。各工況下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力見表6。

由表6計算結(jié)果推算隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫為0.12 mm,最不利位置安全系數(shù)為2.1，均滿足表3軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 各工況下襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

5 安全監(jiān)控與量測

在高層建筑施工過程中，通過制定合理的監(jiān)控量測方案對軌道交通三號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)測，以充分了解該區(qū)間隧道凈空收斂變形的工程實況，通過分析該數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律，進(jìn)一步分析軌道交通隧道隨高層建筑的修建與時間過程變化的工作狀態(tài)，做到信息化施工，動態(tài)設(shè)計以確保隧道結(jié)構(gòu)安全運營。監(jiān)測點總體布置見圖6。根據(jù)目前已經(jīng)掌握的高層建筑施工建設(shè)情況，本時間段僅示出建筑基坑開挖過程中受影響最大的軌道上行線DM04-3、軌道下行線DM05-4代表性測點所測隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平橫向位移累計變化曲線見圖7、圖8。

圖6 監(jiān)控點總體布置圖

從DM04-3測點豎向位移累計變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開挖施工，測點位移從0逐漸變化至2 mm，在基坑開挖完成后，變形基本趨向穩(wěn)定，與有限元計算分析結(jié)果（表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量）基本一致；從DM05-4測點水平位移累計變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開挖施工，測點位移從0逐漸變化至4.2 mm，在基坑開挖完成后，變形基本趨向穩(wěn)定，與有限元計算分析結(jié)果（表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量）基本一致，驗證了有限元模擬計算分析的正確性，監(jiān)測結(jié)果也表明軌道交通隧道結(jié)構(gòu)在此時此類工況下處于安全狀態(tài)。

圖7 DM04-3測點豎向位移累計變化曲線

圖8 DM05-4測點水平位移累計變化曲線

6 結(jié)論

（1）新建高層建筑基坑開挖將引起軌道交通區(qū)間隧道周邊圍巖卸荷，巖體發(fā)生回彈，隧道結(jié)構(gòu)將發(fā)生上揚變形，最大上揚位移值為1.96 mm，最大橫向位移值為2.8 mm，在卸荷作用下，隧道襯砌的彎矩與軸力會變小，對隧道結(jié)構(gòu)受力有利，但建筑建成后，在結(jié)構(gòu)、回填層等荷載作用下會使區(qū)間隧道產(chǎn)生下沉變形和水平橫向變形恢復(fù)至接近原始狀態(tài)后繼續(xù)發(fā)生位移，最大下沉值變?yōu)?.3 mm，最大水平橫向位移值變?yōu)闉?.8 mm，均小于10 mm位移控制指標(biāo)[6]，研究結(jié)果表明項目實施期間對軌道交通線路正常運營影響程度較小。

（2）數(shù)值計算研究成果表明高層建筑施工及建成后隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位最小安全系數(shù)2.1，大于2.0，最大裂縫寬度0.12 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范[6,8,11]要求，因此其對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響較小。

（3）采用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值計算分析相結(jié)合的方法研究了新建高層建筑對鄰近軌道交通隧道的安全影響機理，有限元數(shù)值模擬分析得出的結(jié)論與現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)基本一致。在下一步研究中，可進(jìn)一步對實際監(jiān)控數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)差別深入分析判別，不斷修正巖土工程相關(guān)計算參數(shù)及有限元模型，進(jìn)一步充實理論計算分析類似工程的內(nèi)涵。