地鐵隧道與鄰近建筑物施工相互影響的數值分析

龍 彪

(南昌市政公用城軌咨詢管理有限公司,330038,南昌//高級工程師)

1 工程概況

南昌縣某辦公樓改擴建工程位于南昌縣蓮塘大道和銀良北路交口西南側，為地面7層、地下1層的框架結構，采用樁基礎；該建筑物對差異沉降敏感，相鄰樁基的允許沉降差為建筑物長度的2‰，整體傾斜允許值為3 mm。場區地面整平標高約為24.50 m。

南昌地鐵3號線延伸線區間隧道采用盾構法施工[1]，其外徑為6 m、內徑為5.4 m；隧道外側距離南昌縣該辦公樓樁基礎約2 m。兩者位置關系如圖1所示。

圖1 南昌地鐵3號線延伸線與某辦公樓改擴建工程橫剖面示意圖

根據兩項目實施順序，待南昌縣該辦公樓改擴建工程完成后，地鐵3號線結合后續建設規劃，再進行延伸線施工。因此，南昌縣該辦公樓設計方案，必須考慮今后地鐵3號線盾構隧道施工對其產生的影響。

2 工程及水文地質

2.1 工程地質

場地地層屬第四系全新統人工堆積層(Q4ml)和沖積層(Q4al)，下伏基巖為第三系新余群(Exn)地層。按地層時代、地質成因類型及工程地質性質分為8個工程地質層，各地層巖土主要參數詳見表1。

2.2 水文地質

場地內地下水主要為第四系人工填土中的上層滯水及第四系砂土層中孔隙潛水。

表1 巖土層主要參數

上層滯水：主要賦存于淺部人工填土層中，水量較貧乏，主要受大氣降水補給，蒸發為主要排泄方式。

孔隙潛水：主要賦存于全新統沖積(Q4al)砂土層中，勘察期間測得場區穩定水位埋深為2.80～6.35 m，穩定水位高程為20.16～20.64 m。場地內地下水主要受贛江水體控制，地下水主要接受贛江地表水體的補給，受人為開采影響小。平水季節及枯水季節，地下水向贛江排泄；汛期贛江水位上漲，江水返補給地下水。常水位年變幅為1.0～3.0 m。

3 數值模擬分析

3.1 計算荷載

采用Plaxis軟件進行數值分析[2]，模擬中由于Plaxis軟件較難真實模擬該辦公樓，因此采用回填覆土壓重的方式模擬該樓的樓面荷載(包括恒載與活載)。荷載計算方法如下：框架結構為11～14 kN/m2，框架-剪力墻結構為12～15 kN/m2，剪力墻結構為14～17 kN/m2；框架-核心筒結構為13～15 kN/m2。當建筑物較高時(大于20層)可取上限，較低時可取下限，地下室每層可按20 kN/m2估算。按最不利情形，建筑物的荷載W=125 kN/m2(7層樓和1層地下室)，回填覆土為114.075 kN/m2，因此需在樁基礎上增加11 kN/m2的分布荷載。

3.2 計算工況

為分析不同樁長時地鐵盾構推進對該辦公樓建筑的影響，采用三維有限元分析兩種不同的工況。

工況一：該辦公樓樁底按正常設計，樁底位于粗砂層，且樁底標高位于隧道頂,如圖1所示。

工況二：將辦公樓靠近地鐵側樁底深入中風化泥質粉砂層，且樁底標高低于隧道底,如圖2所示。

圖2 工況二下區間隧道與建筑物樁基橫剖面示意圖

3.3 計算結果

3.3.1 工況一計算結果

當隧道開挖完成后，土體附加水平位移為13 mm左右，出現在隧道左斜上方位置，樁基與隧道之間的附加水平位移約6 mm,如圖3所示。

圖3 工況一下區間隧道施工完后土體水平位移

當隧道開挖完成后，土體附加豎向沉降位移增量為18 mm，出現在隧道上方位置，樁基與隧道之間的附加豎向位移約10 mm,如圖4所示。

從圖5中可以看到，基礎梁在地鐵隧道開挖完成后，最大豎向位移為9.6 mm。最大變形的樁基在地鐵隧道開挖完成后，最大豎向位移為9.5 mm。考慮已建辦公樓荷載影響，地鐵3號線盾構隧道完成后，工況一狀況下隧道結構內力如圖6～8所示。

圖4 工況一下區間隧道施工完后土體豎向位移

圖5 工況一下區間隧道施工完成后基礎梁豎向位移

圖6 工況一下隧道軸力

圖7 工況一下隧道剪力

圖8 工況一下隧道彎矩

3.3.2 工況二計算結果

當隧道開挖完成后，土體附加水平位移為11 mm左右，出現在隧道右斜上方位置，樁基與隧道之間的附加水平位移約4 mm,如圖9所示。

當隧道開挖完成后，土體附加豎向沉降位移增量在14 mm，出現在隧道上方位置，樁基與隧道之間的附加豎向位移約6 mm,如圖10所示。

從圖11中可以看到，基礎梁在地鐵開挖完成后，最大豎向位移為1.8 mm。

從圖12中可以看到，樁基在地鐵隧道開挖完成后，最大豎向位移為1.7 mm。

圖9 工況二下區間隧道施工完后土體水平位移

圖10 工況二下區間隧道施工完后土體豎向位移

圖11 工況二下基礎梁豎向位移

圖12 工況二下樁基最大豎向位移

考慮已建辦公樓荷載影響，地鐵3號線盾構隧道完成后，工況二狀況下隧道結構內力如圖13～15所示。

圖13 工況二下隧道軸力

從圖14中可以看到，隧道在開挖完成后，承受最大軸力-3 050 kN，最大剪力315.6 kN，最大彎矩37.5 kN·m。

圖14 工況二下隧道剪力

圖15 工況二下隧道彎矩

4 結語

通過增加靠近區間隧道的建筑物樁長，在隧道開挖完后，土體的最大附加豎向位移明顯減小，同時建筑物基礎位移受隧道開挖影響也減少。先行建設的建筑物基礎梁最大豎向位移由9.5 mm變為1.8 mm，樁基最大豎向位移由9.5 mm變為1.8 mm。這是由于增加靠近區間隧道側的樁長，使建筑物上部荷載直接通過樁基轉遞至中風化巖石，建筑物不會有超載作用于區間隧道上，故區間隧道的受力大幅度減少。

通過比較計算分析可知，加長靠近地鐵線路建筑物樁基后再施工地鐵線路這一方案能夠獲得更小的地層位移、隧道內力、基礎梁位移和樁基位移。

考慮后期地鐵建設，對先期建設的建筑物基礎深度進行適當優化，是十分必要的。