運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道臨近建筑拆除影響性分析研究

呂媛媛，于旭東，羅士瑾

（1.杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310024；2.舟山市新城公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 舟山 316021；3.舟山市鐵路建設(shè)中心，浙江 舟山 316021）

伴隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展和區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，地鐵已成為城市現(xiàn)代化交通的主流符號(hào)。城市地鐵的修建往往面臨穿越城市密集建筑群的挑戰(zhàn)，如何評(píng)價(jià)臨近建筑施工對(duì)城市地鐵的影響程度，保證臨近建筑施工過程中盾構(gòu)隧道的安全，已然成為區(qū)域交通建設(shè)中不可避免的難題。

針對(duì)此類問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)近接盾構(gòu)隧道工程進(jìn)行了大量的研究。何川[1]等針對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，引入橫向和縱向不等的剛度折減系數(shù)，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道重疊下穿施工所引起的上方已建隧道變形及內(nèi)力的影響進(jìn)行了深入研究。崔光耀[2]等研究了超大矩形頂管盾構(gòu)隧道近接下穿高鐵段的不同施工加固方案的效果，提出了人工挖孔樁+D 型鋼便梁的加固方案。魏綱[3]等結(jié)合理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到鄰近并平行于盾構(gòu)隧道的基坑側(cè)壁的卸荷效應(yīng)對(duì)旁邊隧道的影響最大的結(jié)論。劉佳佳[4]等以地鐵上方廠房拆除項(xiàng)目為依托，分析了不同廠房拆除項(xiàng)目對(duì)周邊土體、盾構(gòu)隧道變形及內(nèi)力的影響。

現(xiàn)階段的研究多集中于基坑開挖或臨近隧道施工對(duì)既有隧道的影響，針對(duì)臨近建筑拆除對(duì)盾構(gòu)隧道的影響研究較少。本文結(jié)合武漢軌道交通2 號(hào)線臨近建筑拆除項(xiàng)目，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究建筑拆除對(duì)既有運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道的影響，保證盾構(gòu)隧道的安全服役。

1 工程概況

1.1 軌道交通項(xiàng)目概況

武漢軌道交通2 號(hào)線一期工程是武漢市第一條以地下線為主的軌道交通線路，也是線網(wǎng)規(guī)劃中客流量最大的軌道交通骨干線路。本項(xiàng)目研究區(qū)段采用盾構(gòu)法施工，管片結(jié)構(gòu)外徑6.0m，襯砌厚度0.30m，環(huán)寬1.5m，管片結(jié)構(gòu)采用C50 高強(qiáng)度防水混凝土預(yù)制。

1.2 擬拆工程項(xiàng)目概況

省建行學(xué)校宿舍樓拆除項(xiàng)目位于武漢市武昌區(qū)和平大道與中山路交叉口處，項(xiàng)目占地面積約6020m2，總建筑面積約為9465m2，為省建行棄用建筑。該項(xiàng)目用地西臨和平大道，南臨中山路。

1.3 軌道交通與擬拆工程相對(duì)位置

區(qū)間的控制紅線部分穿越省建行學(xué)校宿舍樓地塊里程范圍，穿越長(zhǎng)約37m，右線隧道在里程DK15+520處穿越省建行學(xué)校宿舍樓地塊，與所拆宿舍樓最近水平距離約為5.81m，研究區(qū)段內(nèi)隧道底板底埋深在9.8～12.6m 之間，軌道交通研究區(qū)段與擬建工程平面相對(duì)位置如圖1 所示。

圖1 軌道交通與擬拆工程平面相對(duì)位置

省建行學(xué)校建筑所在地塊部分位于軌道交通控制線以內(nèi)，其中B 棟住宅房屋緊鄰區(qū)間隧道，B 棟建筑離區(qū)間隧道外輪廓線水平凈距約為5.81m。

圖2 擬拆工程與地鐵隧道剖面相對(duì)位置

房屋建筑拆除引起的卸載會(huì)引起隧道周邊已趨于穩(wěn)定的地層應(yīng)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，嚴(yán)重時(shí)可能影響結(jié)構(gòu)正常使用和運(yùn)營(yíng)行車安全。基于上述分析，本文針對(duì)武漢軌道交通2 號(hào)線一期工程臨近擬拆工程實(shí)例，結(jié)合數(shù)值模擬方法分析宿舍樓拆除項(xiàng)目對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道的影響規(guī)律。

2 有限元模型和計(jì)算工況

基于盾構(gòu)隧道與擬拆工程空間幾何關(guān)系，利用有限元軟件建立了宿舍樓、樁基、承重柱、隧道及圍巖三維模型，分析擬拆工程不同拆除順序下盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律。

2.1 有限元模型

本次數(shù)值模型采用有限元分析軟件MIDAS/GTS 進(jìn)行計(jì)算。土體采用四面體實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用摩爾－庫(kù)倫模型。地質(zhì)分層情況依據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的資料，按照土體特性劃分地層。樁基、承重柱、條形基礎(chǔ)等采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型設(shè)為彈性模型。計(jì)算模型采用接觸單元模擬土體與樁基之間的相互作用，樁基的承載采用樁端單元進(jìn)行模擬。樓板及盾構(gòu)管片采用2D板單元模擬，本構(gòu)模型設(shè)為彈性模型，樓板范圍按照房屋建筑面積確定，盾構(gòu)管片通過析取網(wǎng)格得到。整體數(shù)值計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型整體示意圖

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與擬拆工程的相對(duì)位置關(guān)系如圖4 所示。數(shù)值模擬過程中不考慮立柱、樁基等豎向支承體系的影響，同時(shí)對(duì)兩側(cè)垂直邊界施加水平向約束，底部水平邊界施加垂直向約束，對(duì)樁基施加旋轉(zhuǎn)約束。

圖4 盾構(gòu)隧道與擬拆工程相對(duì)位置關(guān)系

2.2 計(jì)算工況及參數(shù)選取

地鐵區(qū)間隧道為雙線盾構(gòu)隧道，管片外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m，兩條隧道線間距15.0～15.6m。省建行學(xué)校宿舍樓其中B 棟房屋與隧道外輪廓線最近距離為5.81m，C 棟離地鐵區(qū)間隧道較遠(yuǎn)，其產(chǎn)生的卸載作用影響較小。由于拆除C 棟宿舍樓對(duì)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響較小，其位置臨近道路交通口，故應(yīng)先拆除C 棟宿舍樓。綜合考慮施工便利程度和安全性，確定了如下表1 中的三種工況。

表1 數(shù)值模擬工況

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

擬拆工程項(xiàng)目廠房采用不同的拆除順序會(huì)對(duì)土層及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形產(chǎn)生不同程度的影響，根據(jù)上述工況計(jì)算得到不同拆除方案下的盾構(gòu)隧道位移云圖和內(nèi)力云圖。并基于不同工況下盾構(gòu)隧道的位移及受力特征分析擬拆項(xiàng)目對(duì)運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道的影響程度。

3.1 盾構(gòu)隧道位移分析

圖5 表示三種工況下的盾構(gòu)隧道豎向位移云圖。上部房屋建筑拆除過程中，由于卸荷作用，隧道管片有向施工地塊位移的趨勢(shì)，卸荷后隧道管片豎向位移表現(xiàn)為隆起，方向向上。三種工況下的豎向位移最大值分別為1.60mm、1.85mm 和1.65mm。

圖5 三種工況下盾構(gòu)隧道豎向位移云圖

由位移結(jié)果可知，工況二中隧道位移值最大，為最不利工況。對(duì)比工況一、二可知，在拆除離區(qū)間隧道最近的B 棟宿舍樓時(shí)，其周圍存在的相應(yīng)荷載對(duì)盾構(gòu)結(jié)構(gòu)有一定的反壓作用，故工況一的位移值較小。對(duì)比工況一、三可知，當(dāng)荷載超過一定界限時(shí)，區(qū)間隧道的位移值又有增大的趨勢(shì)。因此最佳拆除方案為按照C、B、A 的拆除工序，且場(chǎng)地內(nèi)的施工荷載不能超過20kPa。

3.2 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

此次計(jì)算將盾構(gòu)管片視為勻質(zhì)圓環(huán)，但考慮環(huán)向接頭的存在，整體的彎曲剛性降低，折減系數(shù)取0.75。且考慮錯(cuò)縫拼裝后整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩的重分配，彎矩增大系數(shù)ξ ＝0.3。由上述分析可知工況2 為最不利工況，提取得到工況2 下工況二區(qū)間隧道在宿舍拆除前后X 方向結(jié)構(gòu)內(nèi)力值如圖6 所示。

房屋拆除之后，X 方向彎矩最大值增大0.5%，由圖6 可見宿舍樓拆除前后隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化較小，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。

圖6 房屋拆除前后隧道結(jié)構(gòu)彎矩云圖

4 結(jié)論

本文采用有限元軟件MIDAS/GTS 對(duì)運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道臨近建筑拆除影響性進(jìn)行相關(guān)分析，考慮了建筑廠房不同拆除順序?qū)\(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道的應(yīng)力及位移影響規(guī)律，得到了以下主要結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，擬拆工程的拆除順序會(huì)對(duì)臨近盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不同程度的影響。擬拆工程的最佳拆除順序?yàn)橄炔鸪鼵 棟，然后拆除B 棟，后拆除A 棟，拆除過程應(yīng)分層、分段有序施工。為了避免一次性卸載過大，應(yīng)該隨拆隨清，且場(chǎng)地內(nèi)的施工荷載不能超過20kPa。

（2）考慮最不利工況下房屋拆除前后盾構(gòu)隧道內(nèi)力結(jié)果可知，房屋拆除之后，X 方向彎矩最大值增大0.5%。擬拆工程的作業(yè)不會(huì)影響盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全及正常使用。