某商業樓與地鐵站相互影響分析

李忠友， 楊立志， 汪　晟， 文艷玉， 弓　箭

(中國航空港建設第八工程總隊， 遼寧沈陽 110021)

?

某商業樓與地鐵站相互影響分析

李忠友， 楊立志， 汪晟， 文艷玉， 弓箭

(中國航空港建設第八工程總隊， 遼寧沈陽 110021)

【摘要】隨著城市地鐵建設的快速發展，地鐵與臨近建筑物之間的相互影響日益受到關注。采用有限元計算軟件，對重慶雙薪時代商業樓與歇臺子地鐵站及2號出口之間的相互影響進行分析。計算結果表明，地鐵開挖會引起地面建筑變形增大，建筑荷載又會導致地鐵襯砌結構內力分布不均，但二者相互作用較小不會對結構的安全性產生重大影響。

【關鍵詞】地鐵；臨近建筑；有限元；相互影響

近年來，隨著城市隧道的飛速發展，城市隧道與鄰近建筑物之間的相互影響日益受到工程界的重視，特別是隧道開挖對鄰近樁基礎的影響研究尤為深入[1-6]。重慶雙薪時代商業樓建于地鐵5號線歇臺子車站旁，為一棟商業用房(8F/-1F)，該建筑為樁基礎框架結構，建筑平面如圖1所示。

圖1　地面建筑與歇臺子地鐵站平面示意

該場地地形為淺丘斜坡地帶，地形平緩，坡角為5°～10°，場地最高點位于勘察區東南處，達327.60m，最低高程為325.08m，相對高差約2.52m。地面建筑四周緊鄰地鐵5號線歇臺子車站及其2號出入口通道，地鐵站2號出入口通道距離地面建筑最近側樁基礎中心線的水平距離僅為2.34m。本文計算時選擇最不利剖面，即南北走向上自北向南第三排樁所處剖面，樁基礎底設計高程為315.0m，比2號出入口相應位置通道高出8.25m，比地鐵站高出34.53m，如圖2所示。

圖2　地面建筑與歇臺子地鐵站剖面示意(單位:mm)

由于地鐵5號線將在地面建筑修建完畢之后施工，因而地鐵5號線的施工對地面建筑的影響以及地面建筑對地鐵5號線的安全是否存在影響、影響程度如何，需要進行安全論證。本文利用有限元軟件對施工過程進行數值模擬，分析重慶雙薪時代商業樓與地鐵5號線歇臺子地鐵站及其2號出入口通道之間的相互影響。

1本構模型及材料參數

材料模型采用彈塑性本構模型，即ANSYS中的Drucker-Prager模型。但是ANSYS程序采用的屈服準則是摩爾-庫侖不等角六邊形外接圓D-P屈服準則，該準則在π平面上的屈服曲線是通過摩爾-庫侖不等角六角形外角點的外接圓。計算表明，采用該準則與傳統摩爾-庫侖屈服準則的計算結果有較大誤差，不管是評價邊坡穩定性，還是地基極限承載力等等，在實際工程中如果采用該準則是偏于不安全的[7-10]。因此需要對該屈服準則進行轉換，即轉換為平面應變摩爾-庫倫匹配D-P準則，該準則在平面應變條件下與摩爾-庫倫準則等效[8]。

根據勘察單位提供的勘察報告確定巖土材料力學參數如表1所示。

2數值計算模型

基坑開挖線與地鐵車站隧道平行，選擇最危險剖面按平面應變模型進行分析。計算采用美國大型有限元計算軟件ANSYS軟件進行，其中巖土體用平面實體單元PLANE82模擬，襯砌結構采用梁單元BEAM3模擬。地鐵5號線車站隧道襯砌厚度800mm，梁單元采用慣性矩I1=0.0427，2號出入口通道襯砌厚度500mm，慣性矩為I2=0.0104。有限元網格劃分如圖3所示。

表1　材料力學參數

圖3　有限元網格劃分

有限元模型邊界條件：底部固定，左、右兩側水平約束，巖土體重力荷載通過設置重力加速度的方式模擬。地面建筑荷載通過線荷載的方式施加在樁底。根據建設方提供的基礎布置圖及底層柱、墻最大組合內力簡圖，從左至右各建筑樁傳遞的最大豎向荷載依次為：375.5kN、5 161.8kN、4 461.3kN、4 081.7kN、11 464.5kN、14 526.5kN、13 134.9kN和6 894.1kN。

3計算結果分析

由于彈塑性材料最終應力和變形與加載的歷史有關，為了模擬真實狀態，計算仿照施工順序按以下4個步驟來進行計算：(1)計算初始應力狀態；(2)隧道和通道開挖支護；(3)開挖基坑并設置抗滑樁；(4)在樁上施加建筑荷載。

隧道施工完畢后，整體應力和位移分布如圖4和圖5所示。圖中顯示的應力和位移的單位為國際標準單位(位移的單位為m，應力的單位為Pa，力的單位為N，彎矩的單位為N·m)。從計算結果中可以看出，地面建筑與地鐵站及2號出口通道之間存在一定的相互影響，主要表現在地面建筑荷載引起地鐵隧道左右兩側圍巖應力分布不均，而隧道開挖施工又會引起地面建筑地基變形增大。

圖4　隧道施工后的應力分布

圖5　隧道施工后的位移分布

3.1位移計算結果

為詳細展示地基及襯砌結構的位移趨勢，圖6～圖8為隧道施工完成后，地面建筑樁基礎、地鐵站和2號出口通道襯砌結構的位移矢量圖(圖中所示結果中均已扣除隧道施工前的初始位移)。計算結果表明，由于地鐵站斷面較大，因而在隧道施工后會引起建筑樁基礎出現一定程度的下沉，特別是越靠近地鐵站軸線一側，下沉就較為明顯。樁基兩側最大和最下下沉量分別為0.71mm和3.27mm，考慮到地面建筑垂直于地鐵站軸線長度為56m，因而沉降差滿足結構設計要求，不會對地面建筑安全性造成影響。隧道施工后，地鐵站襯砌最大豎向變形7.08mm，2號出口最大豎向變形1.41mm。

圖6　隧道施工后樁基位移矢量

圖7　隧道施工后地鐵站位移矢量

圖8　隧道施工后2號出口位移矢量

3.2內力計算結果

圖9～圖11為地鐵站彎矩、剪力和軸力分布圖。計算結果表明：地鐵站彎矩最大值為715kN·m，發生在左側拱腳處；剪力最大值為595kN，發生在左側拱腳處；最大軸向壓力為4 770kN，發生在左側靠近拱腳處；最大軸向拉力為534kN，發生在拱底中部。可見地面建筑荷載會導致地鐵站襯砌結構兩側內力分布不均，但其內力最大值仍在設計安全值范圍之內，不會對結構安全性造成影響。

圖9　地鐵站襯砌結構彎矩分布

圖10　地鐵站襯砌結構剪力分布

圖11　地鐵站襯砌結構軸力分布

圖12～圖14為2號出口彎矩、剪力和軸力分布圖。計算結果表明：2號出口彎矩最大值為298kN·m，發生在右側拱腳處；剪力最大值為343kN，發生在右側拱腳處；最大軸向壓力為1 660kN，發生在右側靠近拱腳處；最大軸向拉力為360kN，發生在拱底中部。由于2號出口距建筑樁基較近，受其影響較大，但其內力最大值仍在設計安全值范圍之內，不會對結構安全性造成影響。

圖12　2號出口襯砌結構彎矩分布

圖13　2號出口襯砌結構剪力分布

圖14　2號出口襯砌結構軸力分布

4結束語

(1)在本工程中，地鐵隧道施工引起地面建筑沉降最大值為3.27mm，最小沉降0.71mm，沉降量及沉降差均較小，不會對地面建筑的安全產生影響。

(2)地面建筑荷載會導致隧道襯砌結構內力分布不均，臨近地面建筑一側內力有所增大，但其最大值仍在設計安全值范圍之內，不會對隧道襯砌結構安全產生影響。

參考文獻

[1]李早,黃茂松.隧道施工條件下臨近群樁水平力學反應分析方法[J]. 工業建筑， 2009(1):79-84.

[2]徐明,謝永寧.盾構隧道開挖對鄰近單樁基礎的影響 [J]. 華南理工大學學報: 自然科學版, 2011(4):149-155.

[3]梁發云,于峰,李鏡培,等.土體水平位移對鄰近既有樁基承載性狀影響分析 [J]. 巖土力學, 2010(2):449-454.

[4]韓進寶,熊巨華,孫慶,等.鄰近樁基受隧道開挖影響的多因素三維有限元分析[J]. 巖土工程學報, 2011(S2): 339-344.

[5]孫慶,楊敏,冉俠,等.隧道開挖對周圍土體及樁基影響的試驗研究[J]. 同濟大學學報, 2011(7):989-993.

[6]LeeGTK,NgCWW.Effectsofadvancingopenfacetunnelingonanexistingloadedpile[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 2005(2): 193-201.

[7]徐干成,鄭穎人.巖土工程中屈服準則應用的研究[J]. 巖土工程學報, 1990, 12(2): 93-99.

[8]趙尚毅,鄭穎人,時衛民,等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J]. 巖土工程學報, 2002, 24(3): 343-346.

[9]趙尚毅,鄭穎人,鄧衛東.用有限元強度折減法進行節理巖質邊坡穩定性分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2003, 22(2): 25-26.

[10]鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(19): 3381-3388.

[作者簡介]李忠友(1983～),男,博士，工程師，從事巖土工程穩定性研究。

【中圖分類號】U452.2+5

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-30