既有鐵路隧道與上部建筑物相互作用及穩定性分析

周瑩，杜鵬，吳欣

（1重慶市建筑科學研究院重慶4000152重慶市公路局重慶4011473廣西壯族自治區公路橋梁工程總公司南寧530011）

既有鐵路隧道與上部建筑物相互作用及穩定性分析

周瑩1，杜鵬2，吳欣3

（1重慶市建筑科學研究院重慶4000152重慶市公路局重慶4011473廣西壯族自治區公路橋梁工程總公司南寧530011）

襄渝鐵路新人和場隧道相臨重慶市某新建小區建筑巖體地基，本文采用地層結構法和結構荷載法兩種技術手段，對擬建建筑和既有鐵路隧道的相互影響及其穩定性進行綜合分析與評價，全面分析了修建高層建筑對既有隧道圍巖位移和其安全系數產生的附加影響，提出必須采取相應的措施以減小該工程的修建對地下洞室的安全和圍巖穩定性的影響。

既有隧道；相互作用；三維有限元分析；穩定性

1 引言

隨著地面與地下空間綜合開發利用的日趨增多，地面建筑與地下工程的沖突也日益明顯。在鐵路附近或上方修建各類型大型建筑物越來越常見，因而出現開挖基坑處于既有鐵路上方或者鐵路、車站旁邊的情況。在既有鐵路隧道周圍進行基坑開挖，隧道會產生相應的附加變形，基坑開挖將會對既有鐵路的穩定性產生影響，最本質的原因是基坑的開挖卸載引起圍巖應力狀態再次重分布，從而導致一系列力學行為變化。既有鐵路隧道周邊荷載變化引起隧道變形，因此掌握基坑開挖過程中既有鐵路隧道的變形特性及內力分布是至關重要的。

本文以緊鄰襄渝線新人和場隧道的某房地產基坑為研究背景，對基坑工程施工對鐵路隧道的影響進行分析，探討基坑開挖對緊鄰鐵路隧道影響的控制措施[1]。

2 項目背景

2.1 擬建小區概況

重慶某房地產開發有限公司擬在重慶市人和興建住宅小區。擬建場地位于重慶市北部新區黃山大道北側，雪松路與胡楊路之間，屬人和片區。場地用地成梯形，長邊約197m，短邊分別長約157m和143m，規劃總用地面積約32521m2。整個擬建場地東北角最高西南角最低，最大高差約6m。

2.2 既有隧道概況

襄渝鐵路新人和場隧道進口里程：DK12+795，出口里程：DK17+566，隧道起于吳家橋附近，終于江北客站重慶端，全長4771m，隧道為單線鐵路隧道。

隧道采用C25耐腐蝕混凝土Ⅴ級復合式襯砌，襯砌斷面如圖1所示。隧道穿越的場地范圍主要分布的巖性以中等風化泥巖為主，其巖性為：紫紅色，巖體完整，巖芯呈長柱狀。

圖1 襄渝鐵路新人和場隧道襯砌斷面圖

2.3 分析內容和方法

因擬建小區建筑物局部位于襄渝鐵路新人和場隧道的保護控制線范圍，為了保護擬建建筑物和既有隧道的穩定和安全，采用地層結構法和荷載結構法進行綜合分析與評價。

3 擬建小區對隧道影響的安全分析

本次計算分析采用有限元分析軟件MIDAS/GTS，對襄渝鐵路新人和場隧道進行三維數值模擬分析。計算范圍內的巖體采用三維實體單元模擬；隧道襯砌采用板單元模擬，錨桿則采用植入式桁架單元模擬。為了確保三維模型有足夠計算精度，本次計算對計算范圍進行了一定的限制。沿隧道方向取50m，模型寬度和深度分別取71.4m、76m。計算采用使用“激活、鈍化”單元的方法實現隧道的開挖和支護、基坑開挖以及房屋修建的模擬，巖體材料的本構模型采用Mohr-Coulomb屈服準則[2]～[4]。其模型如圖2所示。

根據《重慶某人和住宅小區鐵路隧道地質鉆探報告》及新人和場隧道的設計圖，確定圍巖和襯砌的計算參數，計算參數見表1。

圖2 新人和場隧道實體模型

表1 三維模型計算參數

目前新人和場隧道已建成通車，而房地產項目即將修建。針對這種修建順序，分別模擬隧道原始狀態以及修建建筑物后的狀態，并將兩種狀態下的變形進行對比，得出建筑物修建對隧道的影響。計算時采用7個計算步驟進行模擬。計算步驟1為模擬初始應力場狀態；用4個計算步驟模擬新人和場隧道的開挖和支護；之后的計算步驟6、7分別模擬地基開挖和施加房屋荷載的過程。

根據上面所述的計算過程，分別計算兩種狀態：一是新人和場隧道自身的變形情況；二是地基開挖后，建筑物施工過程中，新人和場隧道位移變化情況。這兩個計算狀態下的位移結果見表2。

表2 不同計算狀態豎向位移結果（單位：mm）

（1)狀態一：無房屋建筑物時隧道的位移如圖3。

圖3 新人和場隧道豎向位移圖

（2)狀態二：房屋修建后隧道的位移如圖4

圖4 房屋建成后隧道豎向位移圖

根據有限元計算結果，對兩種狀態下的隧道豎向位移進行對比。

從表2計算結果中可以看出，隧道在開挖的原始狀態下各個部分的位移均較小。在房屋建設完成后，由于房屋對隧道的加載作用，造成拱頂向上拱起。而隧道其他位置的位移有明顯的增大，增量在2.5～4.5mm之間，由此看出，房屋的樁基修建對隧道產生了一定的影響。

本次內力計算選取DK15+650作為驗算截面，計算時考慮樁基對隧道的加載作用。按照對隧道埋深進行界定，Ⅴ級圍巖淺埋單線隧道分界深度18～25m，可以判斷新人和場隧道在分析段為深埋隧道。隧道襯砌內力計算主要分析隧道結構在房屋建成前、后結構內力情況。

由圖5可以看出，襄渝鐵路新人和場隧道地表建筑物樁基礎密集，且荷載較大，為了確保隧道的安全，建議將高層的樁基進行加深。

圖5 建筑物樁基與新人和場隧道位置平面關系圖

（1)隧道原始內力狀態

圖6 新人和場隧道襯砌內力圖

（2)施加樁基荷載后隧道內力狀態

圖7 新人和場隧道襯砌內力圖

通過對表3和表4進行對比可以看出，采用加深樁基深度進行施工，隧道拱頂彎矩減小，安全系數提高，而墻腰、墻腳和仰拱的安全系數都在不同程度上有所降低，但基本能夠保證隧道襯砌結構滿足承載能力要求和正常使用要求。

4 結論

通過房地產工程修建對既有襄渝鐵路新人和場隧道影響的有限元計算和結構計算可以得到如下結論：

(1)對隧道位移沉降圖分析表明，由于房屋建筑的基底距襄渝鐵路新人和場隧道的距離較近，基礎的施工會對隧道產生一定影響，因此房屋基坑施工時應特別重視保護巖體完整性。

表3 原始狀態新人和場襯砌強度計算

表4 施加基礎荷載后新人和場襯砌強度計算

(2)通過對擬建小區房屋修建后的隧道結構內力計算表明，如果按原有的樁基深度施工，隧道安全系數顯著降低，部分截面不能滿足承載力要求，為了保證隧道的安全，必須對樁基進行加深處理。

[1]宋強輝.城市地下輕軌隧道與上部建筑物相互作用及穩定性實例分析[J].巖土力學，2007，28:423－429.

[2]梁志勇.地鐵暗挖隧道緊鄰既有建筑物施工方案分析[J].北方交通，2009，8:91－92.

[3]王桂林.復雜淺埋隧洞高層建筑地基安全性評價[J].地下空間，2004，24(2):265－267.

[4]張永興.高層建筑巖石洞室地基穩定性分析方法與應用[J].工程力學，2007，24(2):110－119.

Effects of Mutual Interactions of High-Rising Buildings Construction on the Stability of Existing Railway Tunnel

The foundation construction of a certain high-rising buildings is adjacent to the existing railway underground tunnel,which will invariably influence the deformation and subsiding of the adjacent existing railway tunnel.In this paper,two methods,load structure method and layer structure method,are suggested and the interaction and influence between the tunnel and the adjacent structure are synthetically analyzed and evaluated.The result indicates that the structure's building has disturbance to the displacement of underground tunnel,the maximal vertical displacement of tunnel roof is 4.5mm.Hence,appropriate measures are suggested to be taken to reduce influence of the buildings on the safety and stability of surrounding rock structure of the existing railway tunnel.

existing railway;mutual interaction;three-dimensional analyze;stability

U445.4

A

1671-9107（2010）06-0029-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.029

2010-4-22

周瑩（1983-），男，助理工程師，研究方向為橋梁與隧道，主要從事建筑工程監理、監控工作。