地鐵隧道與鄰近高層構筑物建設時序優化研究

王 超，吳小麗

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.長江水利委員會，武漢 430015)

0 引言

隨著經濟和社會的不斷發展，地下鐵道建設也在迅速發展，在北京、廣州、深圳、上海、成都、南京、西安等大城市修建了大量地鐵，武漢、杭州、長沙等城市也在建大量地鐵。地鐵位于繁華的城市之中，周邊環境條件復雜，在修建過程中不可避免地會遇到在地鐵的影響范圍內存在高層建(構)筑物的情況［1］。

軌道交通線路中心線兩側各15 m劃定為軌道交通規劃控制區，規劃控制區外兩側各20 m劃定為軌道交通規劃影響區。軌道交通規劃控制區、規劃影響區內已經規劃許可的建設項目，應經具有軌道交通設計資質的單位進行評估。

在地下隧道與臨近構筑物相互影響方面:卿偉宸等［2］采用鄧肯－張的非線性彈性本構關系，考慮隧道施工過程中的支護、襯砌的影響，對黃土場地的地下隧洞埋深及其與鄰近建筑物的距離對地表沉降的影響進行了數值分析，得出有關規律性的結論;周玉等［3］采用數值模擬手段分析了典型的隧道開挖方位對地面房屋結構的應力、位移和破壞的影響規律;余劍英等［4］對盾構隧道和暗挖隧道施工對鄰近建筑物影響的研究方法和成果進行總結，提出需要進一步研究的課題和研究思路;張新善等［5］進行黃土地層地下隧道開挖對周圍土體變形影響的模擬，分析黃土隧道開挖過程中前期支護條件、后期加固措施等因素對隧道內部地表、拱頂、側墻以及地上建筑物沉降的影響程度和塑性區、位移的分布規律;沈輝等［6］對深基坑施工進行數值仿真分析，表明單側深基坑開挖引起地鐵車站結構剛體位移及結構應力改變，而地鐵車站對深基坑開挖產生的土體位移傳遞具有一定阻礙作用;高廣運等［7］對基坑施工進行全過程模擬，表明鄰近地鐵隧道單側基坑開挖可以引起隧道結構的不對稱變形。

近年來，關于隧道與臨近建筑物施工的相互影響研究成為熱點和難點，但針對地鐵隧道與臨近建筑物的建設時序的分析還是比較少。本文以位于武漢地鐵3號線的影響線范圍內的某高層構筑物為例，通過地鐵與高層構筑物的不同建設時序工況的模擬對比，研究分析施工過程中隧道結構和臨近高層構筑物之間的相互作用，優化施工時序，指導工程施工。

1 工程概況

1.1 地鐵區間隧道概況

武漢地鐵3號線范湖站—菱角湖路站區間隧道采用盾構工法。始于范湖站東端，區間下穿馬場角小路、新華路、長江日報路到達菱角湖路站西端。區間共設6個曲線，最小半徑R=350 m，最大線間距為15.0 m。區間最大埋深為17.78 m，最小埋深為9.74 m。

管片內徑推薦采用5 400 mm，采用預制C50鋼筋混凝土管片，管片厚300 mm，區間盾構隧道采用單層襯砌，管片寬度為1 500 mm(見圖1)。

圖1 隧道斷面設計圖Fig.1 Cross-section of Metro tunnel

本區間采用6分塊，即3個標準塊A、2個鄰接塊B和1個小封頂塊K。環間采用錯縫拼裝。

1.2 某高層構筑物概況

擬建高層構筑物位于某圖書大世界內，西面為擬建高層住宅區，東面為醫院與湖泊，南面為城市次干道，北面為管材水暖市場。此地段交通繁忙，車流量大。

該高層構筑物主要由3棟32層高約100 m的商住樓，2棟42層高180 m辦公樓，1個2層商業街，1個2層臨街會所及1個2層臨湖會所和地下室組成。工程設3層地下室，地下室深12 m左右，總占用面積為31 785 m2。

32層結構采用樁基礎，樁為直徑800 mm的鉆孔灌注樁，以6層礫砂為持力層，樁底標高低于地面40 m左右。42層超高層基礎采用樁筏基礎，樁為直徑1 000 mm的鉆孔灌注樁，以7層強風化含礫粉砂巖為持力層，樁底標高低于地面50 m左右。灌注樁均采用后壓漿技術。商業會所采用條基。

1.3 工程水文地質概況

地貌單元為長江沖積Ⅰ級階地。地面高程為23.5 ～24.0 m，地形整體較平緩。

擬建場地勘探深度范圍內，上覆第四系土體，由上而下主要由雜填土、第四系全新統沖積湖積淤泥質粉質黏土﹑粉土及粉細砂、礫、卵石等組成;下伏基巖為白堊－第三系含礫砂巖組成(見表1)。

擬建場地附近有湖泊等大的水體分布，總體水量較大，高水位時和場區上層滯水有密切水力聯系，對天然地基和基坑開挖有較大影響。場地地下水可分為上層滯水和孔隙承壓水。

1)上層滯水。主要賦存于上部雜填土層①中，地下水補給源主要來自降水、生活用水及湖泊水，動態不穩定，無統一地下水位，賦水量變化較大。勘察期間測得上層滯水水位埋深為1.22～2.11 m。

2)孔隙承壓水。主要賦存在④層粉砂和⑤層細砂、⑥層礫砂中，其地下水補給源主要來自區域徑流補給，具承壓性，賦水量較大。地下水位、水質、水量動態穩定。勘察期間測得地下水水位埋深為3.3～6.5 m。

地下水對混凝土及混凝土中的鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

1.4 某高層構筑物與隧道位置關系

見圖2。

該高層構筑物用地范圍約15 703 m2的面積處于軌道交通建設用地影響線范圍內。其中:3棟32層的住宅樓、1棟42層的公寓樓、2層的商業街、1棟3層的臨街會所及1棟2層的臨湖會所均建在軌道交通建設影響線范圍內。

表1 巖土層埋藏分布及巖性特征統計表Table 1 Distribution and characteristics of strata

圖2 高層構筑物與區間隧道平面位置圖Fig.2 Plan relationship between Metro tunnel and high building

地鐵左線盾構管片頂部埋深約11.56 m，左線盾構管片底部距高層構筑物基坑圍護樁底不小于6.09 m，地下室外墻邊線距離地鐵控制線1.73 m，鉆孔灌注樁直徑為1 m，旋噴樁直徑為0.8 m，旋噴樁與鉆孔樁咬合150 mm。高層構筑物地下室結構與區間隧道豎向位置見圖3。

1.5 地鐵與高層構筑物工程籌劃關系

根據擬建高層項目提供的工程籌劃，擬建高層構筑物擬開工時間為2011年6月15日，主體結構封頂時間為2012年8月26日，竣工時間為2013年9月30日。根據《武漢市軌道交通3號線工期策劃圖》盾構機通過該段影響區域的時間段可能在2012年8—12月。

2個項目的工程籌劃表明，擬建高層基坑工程可能在盾構區間通過前完成施工，但實際考慮到地鐵施工的影響因素多，工程進度的變化性大，擬建高層構筑物與范湖站—菱角湖路站區間施工時序存在3種可能性。

圖3 高層構筑物地下室結構與區間隧道豎向位置圖Fig.3 Profile showing relationship between basement structure of high building and Metro tunnel

1)時序方案1。在同一個時間段里，武漢圖書大世界與區間隧道可能同時進行施工。

2)時序方案2。高層構筑物工程施工完成，隧道區間后行施工。

3)時序方案3。隧道區間先行施工，高層構筑物后行施工。

3種時序方案的具體影響大小根據數值計算分析和結構受力進行判斷，得到技術上最合理方案。

2 計算模型的建立

2.1 模型邊界的確定

根據實際工程情況，考慮到區間隧道與高層構筑物基坑距離越近，其相互影響越大，故計算模型取其相互距離最近的斷面進行分析。計算模型寬45.2 m，高28.4 m，厚 1.0 m(見圖4)。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

2.2 模型參數選取

計算各地層參數參照高層構筑物項目提供地質勘察資料，高層構筑物圍護結構混凝土采用C30，內部結構混凝土采用C35。盾構管片采用C50防水混凝土。

在整個模型范圍內，原始地質資料提供的地質情況非常復雜，考慮到建模的難度和在用數值模擬計算過程中，地層過于凌亂可能對計算結果的分析造成頭緒混亂，在模擬的過程中，對地層的分布情況做了一定的簡化。簡化后的地層能較合理地反映在整個模型中地層的分布情況(見圖5)。

圖5 地層分層圖Fig.5 Stratum

擬建高層構筑物基坑圍護樁入土長度為10 m，圍護樁直徑為1.0 m，間距為1.2 m，設置2道支撐。

3 數值模擬結果對比分析

將不同施工工序的數值模擬結果進行對比，一方面可以提出最合理的施工方案，一方面通過正確的數值模擬結果可以更進一步分析在隧道開挖過程中圍巖的變化情況和地鐵隧道與臨近高層構筑物施工間相互影響的一般規律。

3.1 時序方案1數值模擬結果分析

3.1.1 同時開挖完成后應力分析

基坑和盾構同時施工后，地層的應力狀態變化見圖6。

從圖6可以看出:1)在基坑開挖和盾構通過后，地層的應力狀態發生了比較大的變化，應力從開挖面進行釋放;2)距離開挖面越近，應力釋放越大，其影響較大的范圍基本在2倍洞徑處。

圖6 方案1應力云圖Fig.6 Stress cloud in case 1

3.1.2 同時開挖完成后位移及內力分析

基坑和盾構同時施工后，地層的位移及內力狀態見圖7。

圖7 方案1位移云圖Fig.7 Displacement cloud in case 1

從圖7可以看出:1)最大豎向位移基本處于圍護樁與左線盾構區間之間的地層中;2)最大水平位移位于基坑底部以上3～5 m處;3)最大沉降值(約21 mm)發生于地表面處，最大水平位移約23 mm。

圍護結構按照40 mm位移值進行控制，位移在可控范圍之內。

基坑和盾構同時施工后，地表不同位置的沉降曲線狀態見圖8。

從圖8可知:最大地表沉降位于左線盾構與圍護樁之間的區域，距離基坑圍護樁越近，地表沉降越大;距離基坑圍護樁越遠，地表沉降越小。

對比右線盾構正上方的地表沉降可知，基坑開挖對周邊地表沉降影響比較大，是地表沉降的主要原因。

圖8 方案1不同點地表沉降時程曲線Fig.8 Time-dependent curves of ground surface settlement at different points in case 1

基坑和盾構同時施工后，左、右線盾構管片的彎矩及位移狀態見圖9和表2。

圖9 方案1管片內力與位移云圖Fig.9 Internal stress cloud and displacement cloud of tunnel segment in case 1

表2 方案1管片位移值統計表Table 2 Displacement of tunnel segment in case 1 mm

分析圖9及表2可知:1)左線盾構管片受到的荷載比右線盾構管片大的多，左線盾構管片最大負彎矩約為－187 kN·m，最大正彎矩約為182 kN·m;2)右線盾構管片最大正彎矩約為84.9 kN·m，最大負彎矩約為－74.8 kN·m;3)基坑開挖造成周邊土體產生擾動，從而降低了土體的自穩能力，故增大了管片上的荷載，從而使左線盾構管片的受力增大;4)左線盾構管片都有向基坑開挖一側移動的趨勢，基坑開挖對左線盾構影響較大。

3.2 時序方案2數值模擬結果分析

3.2.1 隧道施工后應力與位移分析

盾構通過后，地層的應力、位移狀態變化見圖10和圖11。

圖10 方案2隧道施工后應力云圖Fig.10 Stress cloud after construction of tunnel in case 2

從圖10可知:地層應力釋放基本沿圓形盾構成對稱狀態，先開挖的右線盾構隧道周邊應力釋放率大于左線盾構隧道。

從圖11可以看出:1)地表沉降先開挖的右線盾構較左線大;2)最大沉降量發生在拱頂處，向地表處逐漸變小;3)拱頂處最大地表沉降約為2 mm，水平位移最大值發生在隧道的側墻處。

圖11 方案2隧道施工后位移云圖Fig.11 Displacement cloud after construction of tunnel in case 2

盾構通過后，左、右線盾構管片的彎矩及位移狀態見圖12。

3.2.2 高層構筑物基坑施工后應力及位移分析

基坑開挖后，地層的應力及位移狀態見圖13和圖14。

由圖13可知:基坑開挖后，地層應力向基坑開挖面釋放，因圍護樁的剛度較大，對左線盾構周邊的應力向基坑面釋放有一定的阻礙作用。

由圖14可知:基坑開挖后，對土體擾動比較大，地表沉降與水平位移量相對只開挖盾構隧道要大很多。其影響較大的區域基本在2～3倍基坑范圍內，距離基坑越近影響越大，越遠影響越小。

基坑開挖后，左右線盾構管片的彎矩、位移狀態及地表沉降曲線見圖15。

3.2.3 高層構筑物基坑施工后應力及位移分析

3.2.3.1 地表沉降影響分析

隧道施工與基坑開挖過程中，地表沉降曲線如圖16所示。

圖16 方案2地表沉降曲線圖Fig.16 Curves of ground surface settlement in case 2

由圖16可知，地表沉降主要是由高層構筑物基坑開挖產生。基坑施工時需要有對地表沉降進行有效的控制措施。

3.2.3.2 管片的內力及位移影響分析

隧道施工與基坑開挖過程中，左、右線盾構管片的彎矩、位移統計見表3—5。

表3 方案2右線盾構隧道受高層構筑物基坑開挖影響分析Table 3 Influences of construction of foundation pit of high building on right tube of shield-bored tunnel in case 2

表4 方案2左線盾構隧道受高層構筑物基坑開挖影響分析Table 4 Influence of construction of foundation pit of high building on left tube of shield-bored tunnel in case 2

由表3—5可知:1)高層構筑物基坑開挖對盾構的內力及位移均產生了較大的影響，對靠近基坑一側的左線隧道影響較遠離基坑一側的右線隧道影響要大;2)隧道的水平位移受影響最大，主要是基坑大面積開挖，造成地層應力向開挖面釋放，土體向基坑開挖的一側產生移動，從而導致了隧道受到影響，有整體向基坑開挖方向移動的趨勢;3)內力受到影響左線大于右線，基坑開挖對周圍土體產生擾動，距離越近擾動越大，土體受擾動后自穩能力下降，從而對隧道產生了附加的荷載，導致隧道內力增加。

表5 方案2管片位移值統計表Table 5 Displacement of tunnel segment in case 2

3.3 時序方案3數值模擬結果分析

3.3.1 高層構筑物基坑施工后位移及應力分析

基坑開挖后，地層的應力及位移狀態如圖17和圖18所示。

圖17 方案3基坑施工后應力云圖Fig.17 Stress cloud after construction of foundation pit in case 3

由圖17可知，基坑施工完成后，地層應力釋放在基坑底部及圍護樁下部較明顯。

由圖18可知:1)基坑開挖后對土體的擾動比較大，其影響較大的區域基本在2～3倍基坑范圍內，距離基坑越近影響越大，越遠影響越小;2)基坑頂部地層由于支撐作用，水平位移量較小，最大水平位移發生在樁中心偏下位置，達20.8 mm。最大地表沉降達到21.3 mm。

圖18 方案3基坑施工后位移云圖Fig.18 Displacement cloud after construction of foundation pit in case 3

3.3.2 盾構隧道施工后位移及內力分析

隧道施工后，地層的應力及位移狀態如圖19和圖20所示。

由圖19可知:1)盾構施工后地層應力釋放基本沿圓形盾構成對稱狀態;2)圍護樁對盾構洞室開挖的應力釋放有一定的阻礙作用;3)豎向應力在洞頂與洞底釋放量均比較大，水平應力在洞室兩側有較大的集中。

由圖20可知:盾構隧道施工對土體產生一定的擾動，地表沉降與水平位移量相對只開挖武漢大世界項目基坑略有增大，地表沉降最大值為23.1 mm，水平位移最大值為22.3 mm。

隧道施工后，左、右線盾構管片的彎矩及位移狀態見圖21。

圖21 方案3隧道施工后管片內力與位移云圖Fig.21 Internal stress cloud and displacement cloud of tunnel segment after construction of tunnel in case 3

3.3.3 隧道施工對高層構筑物基坑的影響分析見圖22。

圖22 方案3地表沉降曲線圖Fig.22 Curves of ground surface settlement in case 3

由圖22可知，地表沉降主要是由高層構筑物基坑開挖產生。

3.4 3種時序方案綜合對比分析

3.4.1 控制標準

1)盾構管片控制標準。內力控制標準為管片正常配筋 φ22@150，能承受的彎矩標準值約為 120 kN·m;隧道軸線允許偏差為±50 mm;2)地表最大沉降允許值為30 mm;3)圍護樁最大水平位移控制范圍為30～40 mm;4)既有構筑物的傾斜范圍為±3‰。

3.4.2 3 種方案統計結果

見表6。

表6 3種方案結果統計表Table 6 Results of study on 3 cases

左右線施工順序為距離高層構筑物基坑近的區間(即左線)先施工。在3種施工方案中，左線管片的內力均大于右線管片內力。

根據各參數的控制標準，管片正常配筋能滿足方案3的內力要求，但是不能滿足方案1與方案2的要求。如采用方案1或方案2，管片需要進行技術處理。3種方案中，樁身水平位移值均能滿足控制要求，隧道中心偏差均在控制范圍內，地表沉降均在控制范圍內。

3.4.3 先施工盾構時，高層構筑物施工對盾構影響見表7。

表7 高層建筑物影響值統計表Table 7 Influences of construction of high building

由表7可知:1)高層構筑物基坑施工將會對盾構產生較大的不利影響，管片內力增大較多，盾構區間將會產生整體偏向基坑開挖一側的位移，管片的內凈空位移也將增大;2)地表沉降絕大部分是由于基坑開挖產生，盾構施工對地表的影響比例非常小。

3.4.4 先施工高層構筑物時，盾構施工對高層構筑物基坑影響

見表8。

表8 盾構影響值統計表Table 8 Influence of shield tunneling

由表8可知:1)盾構施工對既有圍護樁的水平位移影響較小，占整個圍護樁位移量比例為4.8%;2)盾構施工對地表沉降的影響比例為8.5%;3)盾構施工對高層構筑物地下室產生的底板傾斜為0.002%。

隧道施工對高層構筑物的各種參數影響較小，均在可控范圍內，施工時序方案3可以有效避開施工風險，降低工程造價。

4 結論與討論

采用FLAC3D有限元軟件進行數值模擬，對地鐵區間隧道與鄰近高層構筑物的不同建設時序下相互影響建立三維模型進行模擬分析。將不同建設時序下的模擬結果進行對比分析，得出結論如下。

1)根據管片的控制標準，管片正常配筋能滿足先施工高層構筑物時序方案的內力要求，但不能滿足同時施工時序方案與先施工隧道時序方案的要求，需要進行技術處理。

2)地表沉降絕大部分是由于基坑開挖產生，盾構施工對地表的影響非常小;隧道施工對高層構筑物的各種參數影響較小，均在可控范圍內。

3)先施工高層構筑物后施工地鐵隧道的建設時序方案可有效避開施工風險，降低工程造價。

由于工程地質和巖土材料的不均勻性極大，數值模擬分析很難選取合適的參數來反映實際情況，而且在本文的模擬中尚未考慮地下水對隧道工程的影響，這些都有待于進一步研究和分析。

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