超高層建筑群施工對鄰近地鐵隧道變形的影響分析

王遠

摘 要：超高層建筑施工期間，因基坑開挖卸荷與上部結構加載導致原有應力場持續發生改變，引發鄰近地鐵隧道的沉降變形和軟土地層長期沉降，對軌道交通等城市基礎設施的穩定性和結構安全產生較大影響。本文選取鄰近上海地鐵隧道的典型超高層建筑群區域，利用長時序現場監測數據展開分析。結果表明：超高層建筑施工對鄰近隧道的沉降具有一定影響；建筑荷載增加，隧道出現相對沉降；隧道的沉降量主要取決于深部土層的樁土應力傳遞以及附加變形。

關鍵詞：軟土地區；高層荷載；應力傳遞；現場監測；隧道變形

中圖分類號：P642.26；P258 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0049-06

近幾年來，國內外特大型城市高層建筑和軌道交通的建設步伐逐步加快，高層建筑鄰近隧道的情況不可避免。英國的工程師早在20 世紀50 年代就意識到新建的高層建筑基礎與既有隧道之間的互相影響問題[1]。高層建筑在基坑開挖階段、基礎施工階段、建筑結構構筑階段以及后期的正常使用階段，每個階段都會對緊鄰隧道產生相互影響。

超高層建筑荷載通過樁基應力傳遞引起地基應力場的改變，從而引發鄰近隧道的附加沉降和軟土地層長期沉降，對隧道等城市基礎設施的穩定性和結構安全產生較大的影響，隨之而來的城市安全問題不可預知，此為國內外學者關注的焦點問題[2-4]。目前針對高層建筑施工期間在上部荷載作用下對既有隧道的影響，學者多采用理論分析、模型試驗、案例分析以及有限元分析等多種方法，對該問題進行了研究[5-8]。

雖然目前計算理論很多，有限元計算軟件功能也非常強大，但還是不能非常準確地進行實際工程的預測。因此，實際工程的現場監測可為理論研究提供可靠的參考數據。本文選取上海典型的超高層建筑群鄰近地鐵隧道的區域，利用長時序現場監測數據展開分析，以期對地面沉降綜合防治提供借鑒。

1 案例工程概況

擬選取研究區域的核心建筑上海中心大廈工程于2008 年11 月正式開工，主樓底板混凝土澆筑工作于2010年3 月完成，2013 年8 月實現主體結構封頂，并于2014年底基本完成土建竣工，2015 年年中投入運營。所在場地地基土在150 m 深度范圍內的土層主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，土層及試樁剖面詳見圖1[9]，土層巖性及特征詳見表1。主樓基坑開挖深度31 m，工程樁樁頂位于砂質粉土層，樁端持力層為粉砂層，有效樁長均位于砂質土層內。地下水靜止水位埋深在1.00～1.70 m，粉砂承壓含水層的水頭埋深12.3～14.2 m。

現場監測區選取在上海中心大廈鄰近的地鐵隧道區間（圖2），該地鐵于1995 年12 月開工建設，1999 年9月建成并試通車。因高層建筑施工易引起鄰近隧道結構的變形，從而影響隧道結構及地鐵行車安全，故對該隧道區間開展監測工作。根據實時變形數據，及時分析判斷高層建筑施工對地鐵隧道的影響情況，以便及時采取有效措施，達到控制結構變形，保護地鐵運營期間安全的目的。

鄰近上海中心大廈的高層建筑還有金茂大廈與環球金融中心。其中：金茂大廈于1994 年5 月動工，1997 年8 月結構封頂；環球金融中心于2005 年11 月全面開工，2007 年9 月結構封頂。上海中心大廈（632 m）采用了直徑為1 m、樁端埋深88 m 的大直徑超長灌注樁，有別于金茂大廈（420 m）、環球金融中心（492 m），另兩棟超高層建筑所采用的鋼管樁[10]（見表2）。

2 監測技術設計

按照相關規范要求，布設監測專用高程控制網[11-12]。高程控制網以精密水準閉合路線形式布設，分為地面高程控制網和隧道高程控制網兩部分，地面高程控制網由基巖標或深標點、水準點以及監測項目附近的工作基點共同構成，點數不少于3 個，隧道高程控制網工作基點選擇在堅固穩定的3 倍開挖深度以外的區域進行埋設，如設置在車站站臺上，點數不少于3 個，以確保所布設的高程控制網滿足沉降監測的要求。定期進行地面與隧道上下聯測，以保證監測數據的可靠性和準確性。

3 監測結果分析

3.1 長歷時沉降分析

地鐵區間的隧道沉降監測始于1999 年11 月，本節分析以該時刻隧道的測量高程為初始值。圖3 為上海中心大廈建設和運營期間的隧道沉降歷時曲線圖。

從圖3（a）靠近3 幢超高層建筑的地鐵上行線隧道監測數據可以看出，隧道總體呈現出逐步回彈的趨勢，整個隧道區間的變形表現的較為一致，其中陸家嘴綠地處的隧道累積沉降最大，上海中心大廈處的隧道累積沉降最小，其他位置累積沉降較為接近。整體來看，在上海中心大廈土建工程竣工后，隧道整體回彈速率有減小的趨勢。圖3（b）下行線隧道的整體沉降（回彈）趨勢與上行線較為近似。

為了更清晰地表現出分析區間隧道的差異沉降情況，繪制了以陸家嘴站出站處為起始點、東昌路站進站處為終點的區間斷面累積沉降圖（圖4）。從上行線曲線（圖4（a））可以看出，自地鐵線建成運營以來，陸家嘴站的累積沉降量相對較大，且在金茂大廈與環球金融中心之間出現了明顯的沉降漏斗，表明超高層建筑群對隧道沉降會產生一定的影響。從圖4（b）可以看出，遠離上海中心大廈的下行線隧道沉降漏斗的位置有所東移，可能與高層荷載附加應力的傳遞導致隧道結構處應力重分布有關。

圖5 為上海中心大廈建設與運營期間鄰近線隧道沉降速率的歷時曲線。選定地鐵區間的隧道沉降速率整體上較為一致，平均回彈速率大于沉降速率。初步分析出現回彈的原因可能由于基坑的開挖卸荷后，坑底回彈帶動了周邊土體出現向上的位移變化。其中，上海中心大廈鄰近的上行線隧道段在上海中心大廈基坑底板澆筑完成前出現了一定程度的沉降速率加快現象，由此可見隧道結構變形的主要因素可能就是基坑的開挖卸荷以及基坑開挖降水地下水位降低的影響。

3.2 施工期沉降分析

上海中心大廈鄰近的金茂大廈和環球金融中心分別于1997 年8 月和2007 年9 月結構封頂，其建設和運營對隧道產生的影響不可忽視。為在數據中盡量剔除上海中心大廈主樓荷載施加前研究區域建（構）筑物群施工對隧道的影響，本節以上海中心大廈底板澆筑完成前的2009年11 月隧道高程測量數據為基準進行分析。

由圖6（a）可以看出，上海中心大廈鄰近的地鐵上行線隧道累積沉降（回彈）量在整個區間段為最大（最小），而陸家嘴綠地鄰近的隧道累積沉降（回彈）量最小（最大），這與圖3 所表現的規律截然相反，表明上海中心大廈的建設對鄰近隧道的沉降產生了一定的影響。圖6（b）下行線的變形規律相較上行線而言并不突出，可能由于其處于遠離上海中心大廈的一側，深部土層的樁土應力傳遞有所衰減，且一定程度上受益于隧道結構與其埋置土層的相互作用影響。

從圖7 隧道區間斷面的累積沉降圖來看，上海中心大廈附近出現的隧道沉降漏斗特征較為明顯，下行區間一側隧道沉降漏斗的位置也出現了一定的東移現象，但相較于圖4 其沉降漏斗區域更加靠近于上海中心大廈處。

圖6 和圖7 也表現出該區間隧道總體上由于周邊地質環境變化的影響處于不斷回彈的趨勢，同時可以看出，陸家嘴綠地鄰近的隧道區域為回彈量的峰值處。

3.3 隧道相對沉降分析

由于隧道區間是一個整體，某一段的隧道變形會引發周邊隧道的聯動效應[13]，為了最大限度剔除隧道整體回彈的影響，選取受回彈影響最顯著、且相對遠離高層建筑群的陸家嘴綠地處為參考點，來分析隧道區間相對沉降。

以陸家嘴綠地處的隧道沉降為參考點，繪制以2009年11 月高程數據為基準的隧道沉降歷時曲線圖（圖8）。

由圖8（a）可以看出，上行線整體均處于相對沉降的區間，其中上海中心大廈鄰近的上行線隧道累積沉降量在整個區間段為最大，這與3.2 節的分析相一致。圖8（a）還表明，2012 年5 月至2014 年3 月上部結構施工期間，隨著建筑結構傳遞至樁基荷載的增加，上海中心大廈鄰近的隧道出現了微量的相對沉降現象。圖8（b）中浦發大廈鄰近的下行線出現了較大的相對沉降，可能與其附近的工程建設活動相關。

圖9（a）斷面累積沉降圖可以更加清晰的看出上海中心大廈鄰近隧道的相對沉降漏斗，而其相對沉降速率則趨于減小。下行線的沉降曲線圖表明，遠離超高層建筑一側的隧道亦會受到樁基荷載傳遞的影響，但影響效果弱化明顯，差異變形量約3 mm，仍需要進一步的研究論證。

4 區域性地面沉降監測成果分析

區域性地面沉降監測主要圍繞三大建筑（上海中心大廈、金茂大廈、上海環球金融中心）布設沉降監測點，分為A、B、C 三個剖面，本節以2005 年底測得的高程值為基準進行分析。

圖10 為2006—2021 年三個剖面的累計沉降量變化曲線圖，從圖中可以看出，受高層建筑建設施工的影響，三個剖面的地面沉降變化趨勢基本一致，表面高層建筑在建設期和使用期對區域性的地面沉降產生顯著的影響，從整體上看，在上海中心大廈土建工程竣工后，區域性的地面沉降逐漸趨于平緩態勢[14]，沉降變化較小。

5 結論

本文開展了上海中心大廈對鄰近隧道變形影響的研究，得到了以下主要結論：

（1）伴隨著高層建筑的基坑開挖和降水施工，易引起周邊地面及鄰近隧道的沉降變化；

（2）超高層建筑的建設對緊鄰建筑一側隧道的沉降產生了一定的影響，遠離建筑一側的隧道變形量相對較小，差異變形約3 mm；

（3）隧道的變形與作用于樁基礎上的荷載呈線性關系，隨著高層建筑主體結構的施工，建筑荷載的增大，隧道的變形影響也逐步增大，在鄰近高層建筑區域內的隧道變形明顯大于高層建筑區域以外，說明建筑加載是造成隧道沉降的主要因素之一；

（4）隧道的沉降量主要取決于結構下臥土層的變形量，超高層建筑荷載對鄰近隧道的影響主要是荷載在深部土層的樁土應力傳遞和附加變形；

（5）通過分析近距離高層建筑施工對隧道變形的影響，并總結了近高層建筑區域性地面沉降變化，得出隧道變形規律與區域地面沉降趨勢之間具有很好的相似性，其變形規律是基本相同的。

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