高層建筑建設對鄰近軌道隧道安全影響機理研究

熊桂開，譚雙全，朱 波

（1.重慶市勘測院，重慶市 400020；2.重慶市巖土工程技術研究中心，重慶市 400020）

0 引言

進入21世紀，我國的城鎮化水平不斷提高，但交通擁堵正成為制約城市發展的重大問題，因城市軌道交通具有安全、便捷、舒適、載客量大等優點，能有效改善城市公共交通環境，所以大力發展軌道公共交通成了我們解決城市交通問題的有效手段。目前大中型城市的軌道交通建設正進入高速發展時期，軌道交通引領城市發展，在已建軌道交通周邊開展工程建設活動也逐漸增多，新建建構筑物將會對既有運營軌道交通隧道安全造成一定的影響，所以工程師需掌握這種影響的機理，科學合理地評估新建建構筑物對既有隧道結構和軌道線路安全運營等方面的影響[1,2,3,4]。

本次研究根據擬建高層建筑與鄰近既有軌道交通隧道的位置關系，采用大型有限元軟件Ansys進行數值模擬分析與監控量測相結合的方法研究了隧道結構在基坑開挖和高層建筑建設完成后產生的附加內力和變形等影響機理[5]，對指導高層建筑的設計施工與確保交通軌道結構安全提供理論與數據支撐。

1 工程概況

1.1 新建高層建筑設計概況

新建建筑為分為辦公塔樓和商業裙房，項目位于重慶某商圈區域。辦公塔樓結構形式為框架核心筒結構，地下5層，地上33層；商業裙樓結構形式為框架結構地下5層，地上4層商業，塔樓范圍內除核心筒采用筏板基礎外，其余結構采用樁基礎，選用中等風化泥巖作為基礎持力層。

本建筑辦公塔樓和商業裙房位于軌道交通三號線的東側，其中辦公室1號樓（塔樓）及部分商業裙樓和地下車庫位于軌道50 m保護線內，建筑1號塔樓結構與軌道交通三號線隧道結構邊線的距離為20.85～22.25 m，地下室結構與軌道交通三號線隧道結構邊線的距離為16.26～17.37 m；附屬地下室基坑支護結構距軌道交通三號線隧道結構邊線的距離為14.35～15.88 m。建筑基坑開挖后，臨近軌道交通隧道結構側將形成高邊坡，邊坡采用肋板式錨桿擋墻進行支護，高度為22.5 m。兩者之間的平面關系見圖1，立面關系見圖2。

1.2 軌道交通區間隧道設計施工概況

本段軌道交通區間隧道為暗挖隧道，隧道總體走向332°，與構造線呈大角度斜交，為雙洞單線。區間隧道圍巖為中等風化砂質泥巖，局部上層分布有薄～中層砂巖或夾有砂巖透鏡體。中風化圍巖厚13.79～21.58 m，為洞跨的2.81～4.11倍。圍巖中主要發育兩組裂隙，呈塊狀結構，砂質泥巖飽和抗壓強度10.5 MPa，縱波波速2 726～2 989 m/s。中風化圍巖厚度為圍巖垂直壓力計算高度的3.74～5.85倍，屬深埋隧道。本段區間隧道巖體完整性好，隧道總體成洞條件較好，圍巖級別為Ⅳ級。隧道采用礦山法施工，襯砌結構為復合式襯砌，襯砌斷面見圖3。隧道初期支護以鋼格柵拱、鋼筋網片、C20噴射混凝土、錨桿等為主要支護手段，隧道二次襯砌采用C30防水鋼筋混凝土。

圖1 建筑與軌道三號線平面位置圖（單位：m）

圖2 建筑與軌道三號線立面位置關系圖（單位：m）

圖3 襯砌斷面圖（單位：m）

2 風險源識別與定性分析

根據新建項目與軌道交通結構相互關系，可知擬建項目實施對軌道交通三號線影響風險源有：

（1）基坑開挖深度約為26.9～28.9 m，深度大且開挖面積大，開挖卸載可能會造成隧道周邊圍巖不規律變形，圍巖變形將導致軌道隧道結構變位或形變，若變形超過正常值，則影響軌道結構的正常使用；

（2）裙樓塔樓修建完成后，建筑荷載對原始地面形成加載，可能會引起既有軌道交通隧道結構內力增大，需要重新核算在新荷載作用下隧道結構安全是否能夠得到保證；

（3）基坑邊坡開挖后在未形成有效支護結構以前，邊坡巖體處于不穩當狀態，若邊坡垮塌失穩，將會影響軌道結構的整體安全。

根據項目勘察資料及軌道設計資料，軌道結構周邊圍巖級別為Ⅳ級，隧道為深埋隧道，礦山法施工，建筑基坑為明挖施工，軌道隧道最大毛洞跨徑為W=8.81 m，擬建項目基坑距軌道結構水平凈距為L=14.35 m，1.5 W＜L＜2.5 W，基坑與軌道隧道接近程度為較接近。擬建項目靠軌道側基坑開挖深度h=23 m，L＜0.7 h，軌道隧道位于基坑強烈影響區內，按照《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202－2013）[6]對外部作業影響等級的劃分，擬建高層建筑對軌道隧道結構的影響等級劃分見表1。

表1 擬建項目外部作業影響等級判定

3 計算模型及參數

3.1 有限元模型及假定

本次研究采用大型有限元軟件Ansys進行模擬分析，采用SHELL63三維殼體單元模擬隧道襯砌結構，采用SOLID45三維實體單元模擬圍巖。三維有限元模型沿基坑橫向取142 m，沿區軌道隧道縱向取187 m，從地表向下取79 m。計算模型地表面為自由面，側面自由度約束側向X、Z方向，底面自由度約束豎直Y方向，整體有限元算模型見圖4，擬建建筑與軌道隧道結構有限元模型見圖5。

圖4 整體有限元模型

圖5 擬建建筑與軌道隧道結有限元模型

3.2 計算方法及參數

數值模擬計算分析中巖土體的計算參數根據擬建高層建筑與軌道交通工程勘察報告的數據進行取值，采用Drucker－Prager準則作為巖土體的彈性屈服準則。此外，考慮到以下特殊情況對巖土參數進行換算：

（1）因《公路隧道設計規范》中的Drucker-Prager準則與ANSYS軟件與有一定差異，所以換算后的c、φ值則是根據二者屈服準則表達式中α、β分別相等的原則進行計算[7,8]；

（2）由于軌道區間隧道采用鉆爆法施工，考慮圍巖有一定損傷，故假定區間隧道外邊界2.0 m為松動圈分布范圍。松動圈范圍的巖體參數均按砂質泥巖彈性模量的0.8倍計算[9,10]；

（3）根據設計單位提供的擬建項目資料，計算時將擬建項目的建筑荷載換算為建筑容重，取值750 kg/m3。

本次數值模擬計算分析相關參數見表2。

表2 計算材料相關參數

4 模擬計算分析

4.1 軌道結構安全控制標準

參考《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202－2013)[6]，公路隧道設計規范（JTGD 70—2004）[8]，本次研究分析的軌道結構安全的控制標準見表3。

表3 軌道結構安全控制標準

4.2 模擬工況

本次數值計算采用4種工況對既有軌道交通隧道及新建建筑建設過程進行模擬分析，計算工況見表4。

表4 計算工況表

4.3 計算結果分析

（1）位移分析

由于基坑開挖卸荷，引起區間隧道產生豎向的上揚變形與水平橫向變形，最大上揚位移值為1.96 mm，最大水平橫向變形為-2.8 mm（方向指向基坑方向）；高層建筑建成后，在結構荷載作用下會使區間隧道產生下沉變形和水平橫向變形恢復，最大下沉值為1.3 mm，最大水平橫向變形為-0.8 mm。由表5各工況下隧道結構位移增量值可知，因上行線隧道靠近建筑物基坑側，其受基坑開挖及建筑修建的影響要大于下行線隧道，表中計算數值與真實情況一致。

表5 各工況下隧道結構位移增量

（3）襯砌內力分析

為準確掌握基坑開挖及擬建建筑修建后受影響較大的上行線隧道襯砌結構彎矩與軸力，本次研究同步采用二維有限元方法進行計算分析。計算范圍內土體、圍巖以及建筑使用PLANE42單元模擬，隧道襯砌結構使用BEAM3單元模擬。有限元計算模型底面約束豎向自由度，側面約束水平自由度，地表為自由面。各工況下隧道結構內力見表6。

由表6計算結果推算隧道襯砌結構最大裂縫為0.12 mm,最不利位置安全系數為2.1，均滿足表3軌道結構安全控制標準要求。

表6 各工況下襯砌結構內力

5 安全監控與量測

在高層建筑施工過程中，通過制定合理的監控量測方案對軌道交通三號線區間隧道結構進行了監測，以充分了解該區間隧道凈空收斂變形的工程實況，通過分析該數據隨時間變化的規律，進一步分析軌道交通隧道隨高層建筑的修建與時間過程變化的工作狀態，做到信息化施工，動態設計以確保隧道結構安全運營。監測點總體布置見圖6。根據目前已經掌握的高層建筑施工建設情況，本時間段僅示出建筑基坑開挖過程中受影響最大的軌道上行線DM04-3、軌道下行線DM05-4代表性測點所測隧道結構豎向位移、水平橫向位移累計變化曲線見圖7、圖8。

圖6 監控點總體布置圖

從DM04-3測點豎向位移累計變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開挖施工，測點位移從0逐漸變化至2 mm，在基坑開挖完成后，變形基本趨向穩定，與有限元計算分析結果（表5各工況下隧道結構位移增量）基本一致；從DM05-4測點水平位移累計變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開挖施工，測點位移從0逐漸變化至4.2 mm，在基坑開挖完成后，變形基本趨向穩定，與有限元計算分析結果（表5各工況下隧道結構位移增量）基本一致，驗證了有限元模擬計算分析的正確性，監測結果也表明軌道交通隧道結構在此時此類工況下處于安全狀態。

圖7 DM04-3測點豎向位移累計變化曲線

圖8 DM05-4測點水平位移累計變化曲線

6 結論

（1）新建高層建筑基坑開挖將引起軌道交通區間隧道周邊圍巖卸荷，巖體發生回彈，隧道結構將發生上揚變形，最大上揚位移值為1.96 mm，最大橫向位移值為2.8 mm，在卸荷作用下，隧道襯砌的彎矩與軸力會變小，對隧道結構受力有利，但建筑建成后，在結構、回填層等荷載作用下會使區間隧道產生下沉變形和水平橫向變形恢復至接近原始狀態后繼續發生位移，最大下沉值變為1.3 mm，最大水平橫向位移值變為為0.8 mm，均小于10 mm位移控制指標[6]，研究結果表明項目實施期間對軌道交通線路正常運營影響程度較小。

（2）數值計算研究成果表明高層建筑施工及建成后隧道二次襯砌結構關鍵部位最小安全系數2.1，大于2.0，最大裂縫寬度0.12 mm，小于0.2 mm，滿足規范[6,8,11]要求，因此其對隧道襯砌結構的安全性和耐久性影響較小。

（3）采用現場監控量測數據與有限元數值計算分析相結合的方法研究了新建高層建筑對鄰近軌道交通隧道的安全影響機理，有限元數值模擬分析得出的結論與現場監控量測的數據基本一致。在下一步研究中，可進一步對實際監控數據與理論分析數據差別深入分析判別，不斷修正巖土工程相關計算參數及有限元模型，進一步充實理論計算分析類似工程的內涵。